磷酸钙/碳化硅纤维复合骨水泥的制备*

余 积，朱晓明，刘小玲，3**，孟令旺，寿曦缘

(1.湖北科技学院药学院，湖北 咸宁 437100；2.湖北科技学院核技术与化学生物学院；3.湖北科技学院辐射化学与功能材料湖北省重点实验室)

磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)是一种骨修复材料，其水化后的产物与天然骨组织相似，CPC由固相和液相组成，固相为两种或两种以上的磷酸盐粉末，液相可以为生理盐水、蒸馏水及磷酸钠盐溶液等，由于其具有良好的生物相容性、骨诱导性、可塑型性及操作简便等优势，被广泛用作先天性缺陷、创伤、感染、肿瘤及退行性骨关节疾病等引起骨缺损的修复材料[1-2]。磷酸四钙[Ca4(PO4)2O，TTCP]是CPC的重要材料之一[3]，由于TTCP水解过程中产生Ca(OH)2的碱性比较大，能有效抑制水解过程中pH值的急剧变化，消除酸性副产物[4]，所以TTCP体系是目前研究最多且较具发展潜力的CPC体系[5]。

但是单一的CPC强度较低，易发生脆性断裂，这一缺点使CPC仅用于非承重方面[6]。为改善CPC的力学性能，研究者们采用无机盐、有机物、复合纤维等来增强CPC的强度。纳米纤维是一种高取向性和高强度的纤维，具有良好的机械性能，是目前复合材料领域常用的增强物质[7-8]。在一项研究中[9]，使用体积分数为5.7%的两种不同的纤维芳纶、E-玻璃来复合CPC，复合后的极限强度：芳纶为(62±16)MPa，E-玻璃为(29±8)MPa；相比之下，未添加复合材料的CPC的极限强度为(13±3)MPa。Zheng等[10]在CPC中添加质量分数为2%的碳纤维，使骨水泥的抗压强度达到81.3MPa。

碳化硅(SiC)纤维具有良好的力学性能，其杨氏模量和抗弯曲程度分别可达到600GPa和53.4GPa[11-14]，同时SiC还具有良好的生物相容性，袁月等[15]通过研究SiC对成骨细胞增殖分化的影响发现其具有与羟基磷灰石(hydroxyapatite，HAP)相似的良好的生物相容性。杨永超等[16]探究了SiC复合材料用于人工小关节假体的实验，发现SiC复合材料没有细胞毒性和细胞遗传毒性，无致敏反应和溶血反应，具有良好的生物相容性，可成为人工小关节假体的理想材料。

基于前人的研究，我们选用SiC纤维为增强材料，以TTCP和CaHPO4为固相组分，制备了SiC纤维复合的磷酸钙骨水泥，分析了SiC纤维含量对复合骨水泥固化时间、力学性能的影响，以及固化后骨水泥的微观形貌，同时分析了碳化硅纤维可作为磷酸钙骨水泥增强材料的原因。

1 材料与方法

1.1 药品与试剂

硝酸钙、磷酸氢二铵、氨水、碳酸铵、无水乙醇(分析纯)国药集团化学试剂有限公司；溴化钾(光谱纯)国药集团化学试剂有限公司；无水磷酸氢钙(分析纯)阿拉丁试剂(上海)有限公司；SBF模拟体液(分析纯)福州飞净生物科技有限公司；SiC纤维，实验室自制；蒸馏水，自制。

1.2 仪器与设备

FA2004电子分析天平，上海良平仪器表有限公司；DJ-1型大功率磁力搅拌器，上海汉诺仪器有限公司；低温恒温槽，上海汉诺仪器有限公司；超声波信号发生器，上海汉诺仪器有限公司；XH2L-17型箱式电阻炉，郑州鑫涵仪器设备有限公司；SHZ-D(Ⅲ)型循环水式真空泵，巩义市予华仪器有限公司；蔡司Merlin型扫描电镜，德国蔡司；XRD-6000型X射线衍射仪，日本岛津公司；维卡仪，上海路达实验仪器有限公司；Affinity-1红外光谱仪，日本岛津公司；PHS-25型实验室PH计，上海金迈仪器有限公司；CMT5106型微机控制电子万能试验机，美特斯工业系统(中国)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 CPC固相组分TTCP的制备

将一定浓度的硝酸钙[Ca(NO3)2]溶液滴加到磷酸氢二铵[(NH4)2HPO4]溶液中，控制Ca/P摩尔比为1.67，以氨水为缓冲液，调节pH值为8～9，按整个体系Ca/P摩尔比为2.0的比例，向上述悬浮液中同时滴加Ca(NO3)2溶液和碳酸铵[(NH4)2CO3]溶液，滴加完后打开超声波发生器，在低温恒温槽中超声2h，形成均一的悬浮液，陈化1h后抽滤。将滤饼反复洗涤后于100℃～120℃下干燥，将干燥后的粉末压片后于高温马弗炉中以2℃/min速率升温至1 300℃，保温6h后，取出在空气中急冷。反应原理如下：

(1)

Ca(NO3)2+(NH4)2CO3→CaCO3+2NH4NO3

(2)

(3)

1.3.2 复合SiC纤维骨水泥的制备

分别按0/100、3/97、5/95、7/93、10/90、15/85、20/80的比例称取SiC纤维与固相粉末(TTCP)/CaHPO4混合后按液固比L∶P=1mL∶3g加入固化液，在研钵中混合均匀后迅速置于Ф10mm×Ф10mm的不锈钢模具中，将两端抹平后放于37℃的恒温恒湿箱中养护24h。

1.3.3 X射线粉末衍射(XRD)

采用X射线衍射仪检测所得产物的物相。仪器电压30kV，电流40mA，Cukα，扫描角度10°～80°(2θ)。

1.3.4 扫描电子显微镜(SEM)

样品通过场发射扫描电子显微镜(SEM)观察。将无水乙醇超声分散后的样品滴在粘有导电胶的样品台上，喷金10s×3次。

1.3.5 红外光谱(FTIR)

取少量样品与KBr粉末按照质量比约1∶100混合，用研钵研磨均匀后压片，在傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)下检测红外吸收峰，检测范围为400～4 000/cm。

1.3.6 固化时间测试

使用维卡仪对CPC固化时间进行测定，在测定过程中，CPC样品须要维持在(23±2)℃，湿度不小于50%。从CPC粉体与液相接触开始计时，让针垂直于样品表面自由滑落，直到测试针不能在样品表面留下完整的圆形印痕，此时，记录样品的固化时间[17]。

1.3.7 模拟体液(SBF)浸泡测试

将固化后的CPC样品置于盛有模拟体液的容器中，并将容器放于37℃的恒温恒湿箱，每3d更换一次模拟体液，并使用pH计监测溶液pH值的变化。

1.3.8 抗压强度测试

养护后的骨水泥使用微机控制电子万能试验机测其抗压强度，测试时加载速度为0.02mm/min，每组样品测4个取其平均值。

2 结 果

2.1 X射线衍射图谱分析

图1为高温煅烧后所得产物TTCP的XRD图谱，其衍射峰强度和位置与JCPDS-25-1137卡片相一致，且未观察到副产物HAP和CaO的峰，说明得到的TTCP较纯。

图1 TTCP的XRD图谱

2.2 FTIR图谱分析

图2为TTCP的FTIR图谱，TTCP中PO43-的特征振动模式(如446、471、500、620、943、987、1 011、1 032、1 064cm-1)等明显，在3 571cm-1处未观察到属于OH-的尖锐吸收峰，表明样品中无HAP生成，与TTCP的标准光谱一致，说明制备的TTCP纯度高。

图2 TTCP的FTIR图谱

2.3 SiC纤维对骨水泥固化时间的影响

图3为骨水泥固化时间随SiC纤维含量的变化。由图3可知，加入SiC纤维骨水泥的固化时间会延长，但固化时间均在12～16min，能满足临床使用要求。固化时间的延长是因为SiC纤维的增加，骨水泥基体被稀释，骨水泥水化时放出的热量减小，使水化的速率降低。

图3 骨水泥固化时间随SiC纤维含量的变化

2.4 SiC纤维对骨水泥抗压强度的影响

图4为骨水泥的抗压强度随着SiC纤维含量的增加先减小，超过3%时抗压强度增加，在SiC纤维含量为7%时有最大抗压强度48.95MPa。超过7%后又会有所降低。根据材料的复合原理，在复合材料增强的体系中，大部分的载荷由纤维承担，当界面产生断裂时，纤维使断裂发生偏转或者阻止裂纹的进一步加深，从而调整界面应力，提高材料的机械性能[18]。当骨水泥中加入SiC纤维量超过7%时，骨水泥的孔隙率大幅度增加，导致纤维对抗压强度的增强效果不明显甚至有所降低。然而适量SiC纤维的存在，对抗压强度却获得了一定的增强效果，在含有7%纤维时增至48.95MPa。

图4 骨水泥抗压强度随SiC纤维含量的变化

2.5 模拟体液pH值的变化

图5为含7% SiC纤维的骨水泥水化过程中pH值随着浸泡时间所发生的变化。随着浸泡时间的延长，pH值先增加后减小，但始终保持在7.3～8.6，由于水化过程中TTCP的溶解度大，水解速度快，同时伴随OH-的产生，因此，pH值迅速增加。后期CaHPO4水化产生大量的H+，使模拟体液的pH值又降低。

图5 骨水泥水化过程中pH值随浸泡时间的变化

2.6 SEM分析

图6为含7%SiC纤维骨水泥水化后SEM图片。从图中可以看出骨水泥粉体水化后，转为细小的HAP针状晶体，构成类似花状的团簇，以降低表面的活化能，增加材料的稳定性。晶体的长度在200～400nm，它们相互缠结簇拥在一起，有些团簇之间的空隙较大，连接比较薄弱，有些连接较为紧密。HAP晶体交联互织的结合形态赋予骨水泥一定的机械强度，同时与人骨相似的HAP晶体更有利于骨水泥的成骨性能[19]。由图可知，加入7%SiC纤维并未影响骨水泥的生物活性，同时SiC纤维的加入也能在一定程度上增加骨水泥的抗压强度，改善其力学性能，增强表面生物活性。

图6 含7%SiC纤维骨水泥水化后SEM照片

3 讨 论

我们利用超声法制备出TTCP的前驱体，然后通过固相反应法在1 300℃煅烧出TTCP，通过XRD和FTIR检测发现制备的TTCP纯度较高，接着将TTCP和CaHPO4按照1∶1的摩尔比混合制备出骨水泥的固相，固相和液相按照液固比L∶P=1mL∶3g调和后制备出骨水泥，最后在骨水泥中加入一定量的SiC纤维，并考察骨水泥的固化时间、抗压强度以及模拟体液的pH值随浸泡时间的变化，发现当加入7%SiC纤维时骨水泥的抗压强度最高可达到48.95Mpa，与未加纤维时比抗压强度增幅达52.2%，复合骨水泥的固化时间在14.2min之内，满足临床使用要求，在浸泡过程中pH值的变化范围在7.3～8.6，在生理条件下处于安全变化范围。

本文主要研究了SiC复合磷酸钙骨水泥的力学性能、固化时间及模拟体液的pH值的变化，对于磷酸钙骨水泥其他性能如可注射性、骨诱导性、可降解性及骨诱导性未做深入探讨，但是若将SiC复合磷酸钙骨水泥应用到临床上还需进行细胞毒性研究以及动物实验来探究复合骨水泥是否具有细胞毒性、溶血性以及生物相容性和骨传导性。