组织工程用磷酸钙浆料的制备及其粘度研究*

胡新广，张欣悦，马文有，李福海，杨保键

(1.五邑大学 智能制造学部，广东 江门 529000；2.广东省科学院新材料研究所 现代材料表面工程技术国家工程实验室，广东 广州 510000)

随着组织工程概念的提出，越来越多的学者关注其在骨移植替代物中的应用。它是一门综合材料科学、生物医学与制造技术于一体的交叉学科[1]，其应用领域主要包括口腔医学、组织再生、骨组织修复与重建和药物缓释载体[2]。组织工程骨能成功移植替代缺损骨组织的载体是支架，它的基本原理是融合天然或人工多孔支架、活细胞和生化活性因子为一体，并植入到体内骨组织受损部位，从而达到对缺损部位修复与重建的目的[3]。其中，支架的作用是能为细胞的黏附、新骨细胞的长入和体液的交换与运输提供一个稳定的微环境，以及为骨骼生物力学传递提供一个机械支撑。

由于支架最终要与体内活细胞和活性因子等直接接触，且在伴随新骨组织生长过程中能得以生物降解，所以支架应具备一定的生物相容性、无毒性和可生物降解性[4]。用于制备组织工程骨的支架材料众多，主要包括金属及其合金材料、天然或人工高分子材料、无机材料和复合材料4大类。研究至今，支架的制备方法有很多，现在最具发展前景的成型方法是3D打印或快速成型技术(Rapid Prototyping, RP)，主要包括光固化(Stereo Lithography Appearance, SLA)、熔融沉积成型(Fused Deposition Modelling, FDM)、选区激光烧结(Selectivee Laser Sintering, SLS)、分层实体制造(Laminated Object Manufacturing, LOM)和挤出沉积成型(Extrusion Deposition Molding, EDM)技术[5]。不同的支架材料用不同的成型方法制备具备不同的性能，如孔隙率、孔隙度和表面粗糙度，而这些特性正与细胞的生长、增殖和分化有关[6]。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

在可制备支架的无机材料中，最具研究热度的材料当属生物活性陶瓷，而磷酸钙是其中之一。双相磷酸钙(Biphasic Calcium Phosphate, BCP)是由磷酸钙(Tricalcium Phosphate, TCP)和羟基磷灰石[7](Hydroxyapatite, HA)按照一定的比例混合而成，这2种组分的化学成分均与人体自然骨组织一致，因此具有天然的生物相容性优势。由于BCP是由TCP和HA混合而成，因此，由BCP粉末成形的支架兼具TCP和HA的特点，如TCP具有较好的体内降解性能和HA具有良好的力学性能[8-11]。

制备BCP浆料的主要原材料见表1。其中，羟基磷灰石和磷酸钙都为支架材料的主要成分，碳酸钙为形成支架孔隙结构的造孔剂，OROTAN 731A和5040为2种不同的聚羧酸钠盐类分散剂，丙三醇作保湿剂。

表1 原材料粉末和试剂

4种原材料粉末的电镜图片如图1所示。从图1可以看出，HA为球状粉末，TCP为无定形粉末，形状极不规则，低温下为β-TCP，BCP粉体也不规则，且球状HA粉不明显，CaCO3形状也不规则，为多分散粉体。4种粉末的XRD分析图如图2所示，磷酸钙、羟基磷灰石和碳酸钙的粉末粒径分布图如图3所示。

a)羟基磷灰石

b)磷酸钙

c)双相磷酸钙

d)碳酸钙

1.2 试验方法

将HA和β-TCP粉末以质量比为6∶4[12]的比例混合，并与氧化锆陶瓷球以球料比为3∶1在滚筒机上搅拌混合，得到BCP粉末。通过3wt%的PVA水溶液、丙三醇(含量为0.2vol%)和原材料粉末(其中，原材料粉末中CaCO3的含量为2wt%，其余均为BCP混合粉末)分别配制固含量为36vol%、40vol%、44vol%、48vol%和52vol%的BCP浆料，并对5种不同固含量的浆料进行动力学粘度测试，对比分析其测试结果，得出最佳的浆料粘度值。在得出最佳浆料粘度值的基础上，研究2种分散剂(OROTAN 731A和5040)分别为BCP粉末干重的0wt%、0.3wt%、0.6wt%、0.9wt%和1.2wt%时的BCP浆料流变规律，以及优化出最佳的分散剂种类及其含量。

图2 原材料粉末的XRD图

图3 原材料粉末的粒径分布图

2 测试与表征

2.1 固含量对BCP浆料粘度的影响

配制具有高固含量的浆料是制备高密度多孔支架的前提，高固含量的浆料不仅有利于支架后续的致密化烧结，而且还极大地减少了支架的烧结收缩，这一点对BCP支架在尺寸、形状和性能上的控制极为关键。

BCP浆料表观粘度随原材料粉末含量变化的影响规律如图4所示，从图4中不难看出，BCP浆料的表观粘度随着固含量的增大而增大，浆料的粘度影响其可挤出性，粘度过大容易导致浆料无法挤出成型。当固含量达到52vol%时，粘度值为40.206 2 Pa·s，手动搅动较为顺畅，适合微挤出；而当固含量继续增大时，发现浆料无法搅动，不适合后续支架的挤出成型。

图4 固含量对BCP浆料粘度的影响

2.2 BCP浆料的剪切变稀特性

通过旋转模式的动力学粘度测试，设定剪切速率变化范围为0.1～1 000 s-1，可得到不同固含量BCP浆料的流变曲线(见图5)，根据曲线可判断BCP浆料的流体类型。从图5可以看出，不同固含量的BCP浆料粘度均随剪切速率的增大而减小，表现出一种剪切变稀特性，因此可以判断BCP浆料为假塑性流体。产生这一剪切变稀行为的原因主要是BCP浆料含有有机溶液，且羟基磷灰石和磷酸钙的混合粉在溶液中无规则分散且发生团聚，在剪切力作用下，BCP浆料发生流动，随着剪切力的不断增大，团簇的BCP粉发生松动，因而导致流动阻力逐渐减小，所以会导致BCP浆料的粘度不断下降。

图5 不同固含量BCP浆料的流变曲线

2.3 分散剂对BCP浆料粘度的影响

分散剂对BCP浆料粘度的影响如图6所示。根据图6的描述，可对比分析出2种分散剂(5040、OROTAN 731A)及其含量对浆料粘度的影响规律，可知2种分散剂在原材料粉末的干重为0.6wt%时，都能使BCP浆料的粘度降至最低，且5040比OROTAN 731A具有更佳的分散效果。

图6 分散剂对BCP浆料粘度的影响

3 结语

试验采用双相磷酸钙作为支架材料，着重对BCP浆料的粘度进行了研究，得出如下结论。

1)当固含量为52vol%时，手动搅拌BCP浆料比较顺畅，且不至于因为粘度过高而无法后续支架的挤出成型。

2)BCP浆料随着剪切速率的增大呈现出剪切变稀特性，这为浆料的挤出成型提供了一个进一步的研究基础，即挤出后剪切速率的消失，粘度就会增大，表现出浆料的自凝固特性。

3)2种聚羧酸钠盐分散剂对BCP浆料的粘度都呈现出相同的影响规律，而2种分散剂在原材料粉末的干重为0.6wt%时，由5040参与配制的BCP浆料比OROTAN的粘度值更低，表明5040的分散效果比OROTAN 731A更佳。