牛骨转化双相磷酸钙的制备及表征
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作者: 宋绍旗 白懿心 张忱一 石艳松 尤东阳 郝琪
摘 要：多孔双相磷酸钙，即多孔羟基磷灰石HA与β磷酸三钙β-TCP的复合物，是近年来研究广泛的一种骨修复材料，用于各类骨缺损的修复，本文研究了牛骨的前处理方法，对制得的牛松质骨进行了表征。材料中TCP及TTCP的比例随着煅烧温度的升高、时间的增加而增加，材料中的晶粒也逐渐变大，制品适宜作为骨修复材料应用。本文以新鲜成年牛股骨为原料，采用先酸性、后常规的浸泡顺序模拟植入人体后的环境变化，研究了多孔BCP材料植入体内后沉积类骨磷灰石的情况。
关键词：多孔BCP；煅烧牛骨；双相磷酸钙
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.003
1 概述
由肿瘤、伤残、缺陷等问题引起的骨缺损病例日益增多，而移植效果良好的自体骨及异体骨存在着许多局限性，因而开发出一种人工骨骨修复材料就显得尤为重要。羟基磷灰石（hydroxyapatite HA）是广为人知的一种广泛应用于生物医学领域的生物陶瓷材料，其结构式为Ca10（PO4）6（OH）2，它的晶体结构与人体骨骼等硬组织中的生物磷灰石结构相类似，大量的实验证明羟基磷灰石植入体内后，其表面会有积极的生物化学反应，甚至产生骨组织，这证明其具有优良的生物活性。羟基磷灰石的急性毒性试验、肌肉刺激实验、溶血实验等的生物相容性实验结果表明羟基磷灰石是一种无毒性、无刺激性、不致热、不致溶血、不致癌变、不引起肌体排斥反应的生物相容性优良的材料。同时羟基磷灰石已经被大量的实验证实其具有骨传导性。其缺点在于，在人体很难降解，尤其是人工合成的晶粒尺寸较大的HA材料。磷酸三钙（tricalcium phosphate TCP）是一种在骨组织工程应用很多的可降解生物材料，其有不同晶型，分别为高温下的γ形，中高温下的α形，以及低温下的β形，其中在室温条件下只存在稳定的β-TCP及处于亚稳定态的α-TCP。其成分与骨的无机成分相似，具有优秀的生物活性及骨传导性，相比较之下α-TCP在体内固化后可以达到很高的强度，但降解性不强，多用于骨水泥材料的应用，而β-TCP是一种在体内降解速率很高的材料，并且它的降解促进了材料在体内生成碳酸羟基磷灰石，从而促进蛋白和细胞的粘附，进而促进了骨的再生。脆性强，但强度过低无法满足修复骨缺损的需要，大大的限制了其的应用范围。且其降解生成的Ca2+和PO43-离子不会对周围微环境产生不良影响，甚至可以促进骨再生[1]。因此近年来，BCP双相磷酸钙材料，尤其是多孔BCP材料，既多孔HA/β-TCP复合材料受到了广泛的关注。有学者采用沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法等方法制备出HA、β-TCP粉末，后通过添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法、有机骨架复制法、发泡法等方法得到多孔HA/β-TCP复合材料。这些方法存在着制备路线复杂、孔径分布不可控等缺点，始终无法模拟出自然骨的孔隙结构。而经牛骨煅烧得到多孔BCP材料工艺简单，同时保留了天然骨的孔隙结构，也不存在过多的杂质，是一种制备BCP材料的实用方法。
2 实验
2.1 实验方法
本文先对牛骨进行脱脂脱油处理，后经马弗炉煅烧，得到多孔BCP材料，通过SEM，干燥失重以及尺寸测量等表征，来观察材料的物理性质，选择最优的工艺路线。通过XRD实验，来评价材料的物相组成，研究煅烧过程对牛骨转化成BCP材料HA/β-TCP两相含量的影响。
2.2 实验结果
为了保证在煅烧前去除干净有机物，笔者最终采用1mol/LNaOH 60℃浸泡8h，30%双氧水浸泡12h，无水乙醇浸泡1h，鼓风干燥箱中50℃干燥12h的流程，成功去除牛松质骨间的有机相。
同时在煅烧路线的选择上选择缓慢升温至500℃，后升温至1300℃、1350℃、1400℃持续煅烧，降温过程中在1100℃保留1h，后随炉冷。这样做既满足有机物充分去除，同时也可以保证材料内部不产生裂纹，并且使得α-TCP完全转变为β-TCP。
通过对XRD的数据进行分析，我们得到煅烧后得到的为主要含HA/β-TCP及少量TTCP的多孔BCP材料，随着煅烧温度的升高、时间的增加，羟基磷灰石的分解更充分，材料中TCP/TTCP的比例更高。具体含量见表1。
3 结论
1）磷酸钙生物陶瓷的组成与自然骨相类似，并且其具有良好的生物相容性，植入人体后可以与新生骨形成牢固的化学键合，其用于骨的修复及替换是安全有效的。但是，磷酸钙陶瓷尤其是羟基磷灰石的生物降解性能是不尽如人意的，引入β-TCP以期调节材料的生物降解性，从而使植入物最终与新生骨更好的结合的同时也提高成骨速率。
2）人们逐渐发现，多孔磷酸钙生物陶瓷材料不仅具有骨传导性，甚至具有骨诱导性，材料自身具备骨诱导性可以促进骨重塑过程，进而降低对材料力学性能的要求，从而拓宽了整个材料的选择及应用范围。同时，本文还将对材料骨诱导性的影响因素及内在机理进行讨论研究。
3）通过煅烧牛骨法一步制得多孔BCP材料，该法工艺过程简单，可以得到纯度很高的HA/β-TCP材料，同时可以通过控制煅烧路线来控制HA/β-TCP的比例，并且保留了牛骨的自然结构，是一种理想的骨修复材料
参考文献：
[1]郑岳华，侯小妹，杨兆雄.多孔羟基磷灰石生物陶瓷的进展[J]. 硅酸盐通报，1995（03）：20-24.
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