牛骨转化双相磷酸钙的制备及表征
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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