可注射磷酸鈣骨水泥的流變性能研究

陳芳萍，劉昌勝

(華東理工大學超細材料制備與應用教育部重點實驗室，上海200237)

可注射磷酸鈣骨水泥的流變性能研究

陳芳萍，劉昌勝

(華東理工大學超細材料制備與應用教育部重點實驗室，上海200237)

采用高級流變擴展系統研究了添加劑種類及其含量對可注射磷酸鈣骨水泥(ICPC)流變特性的影響。采用穩態流動實驗表征漿體的靜態粘度，用觸變環面積、應力降低率和屈服應力表征ICPC漿體的觸變性，并進行動態頻率掃描和動態時間掃描實驗動態監測ICPC的粘、彈、塑性變化規律以及水化反應過程流變參數的依時性。結果表明:添加劑并不改變ICPC的粘彈性。水溶性高分子化合物的加入提高了ICPC的粘度和觸變性，利于整個體系的穩定;添加劑不同程度上提高了ICPC剪切后的網絡結構恢復能力和穩定性，尤其以黃原膠和幾丁糖最為明顯。在此基礎上，評估了加入黃原膠后ICPC形成凝膠的時間，約為2 563～2 600 s。此外，隨著黃原膠含量的增加，ICPC觸變環面積增加，但形成的網絡結構在高剪切狀態下并不穩定。

可注射;磷酸鈣骨水泥;流變性能;動態頻率掃描;動態時間掃描

1 前言

近年來，通過微創注射植骨材料進行骨組織缺損修復已成為臨床手術的主流趨勢。可注射磷酸鈣骨水泥(Injectable Calcium Phosphate Cement，ICPC)兼具“生物相容、原位固化、定點注射、逐步降解”等特性，治療創傷小，在修復淺表性、囊性和椎體壓縮性骨折等骨缺損場合具有明顯的應用優勢［1－2］。

作為一種反應型的懸浮體，ICPC制樣后將經歷從流態到固態的凝結過程，材料因粒子相互作用和微觀結構的變化呈現出粘、彈、塑性的演變規律;而懸浮體的流變學性能參數又受其本身的固體含量、粉體粒徑和添加劑等影響。就實際應用而言，理想的ICPC不僅要求注射前具有相當的穩定性，而且在注射過程中要有良好的流動性，以及注入體內后具有較強的結構恢復性。可見，從流變學角度深入研究ICPC濃懸浮反應體系的流變學性能，設計優化的，具有良好流變行為、漿體穩定性和注射性的ICPC十分必要。

然而，盡管目前國內外已有一些ICPC用于骨缺損修復的報道［3］，但研究主要集中于材料的工藝改性探索和動物體內植入的評價。即使有ICPC流動性和注射性的零星報道，也只局限于粘度、可注射性和屈服性的簡單表征［4－7］，未從反應性流變這一角度進行研究。

近年來，華東理工大學利用高級流變擴展系統從宏觀和微觀的角度對ICPC這一超濃懸浮液體反應性體系的復雜流變性能(包括靜態流變和動態流變)進行了較為系統的研究，深入探索了固液比、原料顆粒大小及匹配、水相/非水相溶劑等參數對可注射磷酸鈣骨水泥的流變性能(粘度、彈性、觸變性、剪切稀化指數等)的影響規律，建立了材料的流變參數同ICPC濃懸浮體的流動性能及內部結構變化的關系［8－10］。與此同時，將ICPC用于椎體壓縮性骨折的經皮椎體成型術，實現微創傷注射治療，突破了骨質疏松椎體壓縮性骨折治療的傳統方式，引起骨缺損治療方法的變革。目前將CPC作為可注射材料用于臨床治療的病人已達幾千例，最長臨床考察期達6年，取得了滿意的治療效果。

限于篇幅，本文重點闡述在流變性能研究中，表面活性劑種類及其含量對ICPC這一反應性體系的流變性能的影響;動態監測材料等溫下的粘、彈、塑性變化規律，并探索材料的水化反應過程中流變參數的依時性，為材料的性能綜合評價、改性及臨床應用提供一定的實驗依據。

2 實驗

2.1 ICPC制備

實驗所需的原料如表1所示。配制一定濃度的添加劑作為固化液，分別與磷酸鈣骨水泥(CPC)粉末按液固比1 ml∶2 g混合均勻，制成含不同表面活性劑的ICPC。由于其自行固化特性，ICPC制備后必須立即進行流變性能測試。

表1 原料名稱與來源Table 1 Material name and sources

2.2 流變性能表征

采用ARES 902－30004型擴展流變儀系統(美國Rheometric Scientific公司制造)進行流變性能測試。測試溫度為25℃，平板直徑25 mm，板間距1 mm，附防打滑夾具。

2.2.1 靜態流動曲線

漿體的粘度影響體系的流動性能和可注射性。作為非牛頓流體，ICPC的粘度對剪切速率的依賴性強，故測量過程中應將剪切速率的范圍選擇得盡量寬，本實驗的剪切速率掃描范圍為0.01～500 s－1，頻率f=1 Hz。

利用剪切速率γ·梯形波測量體系的觸變性，剪切速率施加過程為:

得到整個過程的觸變參數(觸變環面積Aτ和應力降低率Δτ%)和粘度曲線(粘度η～剪切速率γ·)，以表征材料網絡結構的穩定性和破壞后的可恢復性。其中，應力降低率指體系在經歷20 s的高剪切過程中體系的破壞程度，表示為:Δτ%(=(τi－ τf)/τi× 100%)(τi，τf分別為剪切速率為100 s－1時的初始應力和終止應力)。

2.2.2 動態應變掃描

為確保樣品處于線性粘彈區進行實驗，在進行動態實驗前首先要進行應變掃描。實驗選擇在γ·=0.1% ～100%，頻率f=1 Hz下進行。

2.2.3 動態頻率掃描

為考察體系內部結構在添加劑的作用下的改變和能量的儲存與損耗狀態，在線性粘彈區對ICPC進行動態頻率掃描。掃描范圍為:0.1～100 rad/s。

2.2.4 動態時間掃描

盡量保證樣品不被破壞的前提下(f=1 Hz，γ·=0.5%)對懸浮液體系進行動態時間掃描，觀察儲能模量G'，耗能模量G″和復合粘度η*隨時間的變化，從而描述凝結過程的粘彈性變化和確定凝結時間。

2.2.5 表面活性劑含量對漿體流變性的影響

為考察添加劑含量對漿體流變性的影響，采用動態頻率掃描結果描述ICPC的性能參數(包括G'，G″和η*)的變化，以表征體系內部結構的改變和能量的儲存與損耗狀態;采用γ·梯形波測量體系的觸變環面積Aτ、應力降解率Δτ%和屈服應力τy，以表征體系剪切后的網絡結構恢復能力和穩定性。

3 結果與討論

3.1 靜態流動曲線

圖1是添加1%表面活性劑后不同ICPC的粘度曲線。由圖可見，所有樣品的粘度都隨剪切速率增大而減小，體系呈現明顯的剪切稀化行為。隨著水溶性高分子的加入，ICPC內形成空間網絡結構，且結構強度逐漸增大，進一步增稠增粘體系，其中以黃原膠、瓜爾豆膠、明膠和妥布霉素提高最為明顯。ICPC中引入表面活性劑的一個重要目的在于提高漿體的觸變性(即網絡結構的穩定性和被破壞后的可恢復性)。只有當外力大于維持體系內部結構的作用力，材料的“結構”才被破壞。與此同時，觸變性流體還應具有“結構”恢復的能力。為此，本文采用與破壞網絡結構所需能量成正比的觸變環面積來衡量體系結構的穩定性，并引入高剪切應力變化率來表征體系結構的可恢復性。

圖1 含不同表面活性劑的ICPC的粘度曲線Fig.1 Viscosity curves of ICPC with different additives

表2反映的是添加劑對ICPC觸變參數的影響。活性劑在不同程度上增大了ICPC的觸變環面積，改善了體系的觸變性，可防止液體與固體在剪切作用下的相分離，并賦予體系一定的粘彈性和擠出成型性。比較而言，黃原膠和幾丁糖的綜合效果最佳，既呈現較大的觸變環面積，在高剪切下又能保持較低的應力降低率。其原因在于這些水溶性高分子中的羥基、羧基或氨基與水相互作用，形成由顆粒和高分子鏈組成的交錯網絡結構，提高了體系觸變結構的強度。

表2 表面活性劑對ICPC觸變性的影響Table 2 Effect of additives on the thixotropy of ICPC

3.2 動態應變掃描

圖2是ICPC體系的動態應變掃描圖。由圖2可見，ICPC的G'，G″和η*均呈非線性粘彈性行為，因此材料的動態性能測試只能在盡量小的應變范圍內進行。另外，還可以看出在整個應變掃描過程中，在低應變區，材料以彈性為主，趨向于固體狀態;在高應變區，材料以粘性為主，趨向于液體狀態;而在中等應變范圍時，材料的粘性和彈性相當，但在所測范圍內，材料并未呈現出接近完全剛性或完全彈性的行為，仍表現為粘彈性流體。為此，ICPC體系的動態試驗均選擇在低應變γ%=0.5%的條件下進行。

圖2 ICPC體系的動態應變掃描圖Fig.2 Strain-sweep response of ICPC at 1 min after mixing

3.3 動態頻率掃描

動態頻率掃描表征在應力不變的前提下，系統的粘彈性對應力作用頻率的變化所做出的響應。圖3為加入不同添加劑后ICPC的動態頻率掃描圖譜，表示ICPC濃懸浮液體系在ω=0.1～100 rad/s(γ·=0.5%)范圍內動態流變參數G'，G″及η*的變化情況，從而反應體系在不同頻率下內部結構和能量儲存與損耗狀態。其中G'用于評價材料的力學性能，表征的是材料的存儲變形能量的能力，也表征材料變形后回彈的指標，即材料類固體的成分。G″用于評價懸浮液體系顆粒間的粘聚狀態和應力松弛狀態，反映材料耗散變形的能力。圖3表明，添加劑的加入并未改變材料的粘彈性，即隨著頻率的增加，G'，G″及η*均下降，且G'和G″的變化相對平緩。同時，所有樣品在整個頻率掃描范圍中均處于以彈性行為為主的狀態，這也說明ICPC在添加劑存在下仍屬于類固體狀態。

在實際應用中，粘度過高給手術操作帶來困難，而粘度過低不利于體系的穩定。理想的狀態是靜置時體系因添加劑的增稠作用而趨于穩定，但又能在注射時的高剪切作用下盡可能地降低粘度，即呈明顯的剪切稀化效應。從以上結果可以看出，加入添加劑后，ICPC在靜置時因增稠而具有良好的穩定性，在受力條件下因具剪

切稀化而易于注射，其中黃原膠添加后的效果較明顯。

圖3 含不同添加劑的ICPC體系的動態頻率掃描圖:(a)儲能模量G'，(b)耗能模量G″，(c)復合粘度η*Fig.3 Frequencysweep curves of ICPC with different additives(Strain:1%):(a)storage modulus G'，(b)loss modulus G″，and(c)complex viscosity η*

3.4 動態時間掃描

由于ICPC在水中發生了水化硬化反應，所以其粘彈性、流動性將隨時間而不斷變化。圖4考察了黃原膠添加后ICPC凝結過程中的動態流變參數的變化。

由圖4可知，隨著時間的延長，體系的儲能模量G'、耗能模量G″、復合粘度η*均在增長。綜合參數的變化和體系內部結構的變化，可將整個過程分為3個階段:①顆粒吸附水后開始發生水化反應，形成一些熟料顆粒和初期水化產物，顆粒間以布朗無規則運動為主，此時的結構是無序、隨機的，所以體系的G'，G″和η*較小且增長慢，強度低，尚不具備抵抗外力的能力。②隨水化反應的進一步進行，大量的膠體顆粒生成，粒子間相互作用產生的膠體源的力(以范德華力為主)開始發生作用，體系內部形成絮凝結構，表現出一定的塑性，G'，G″和η*繼續增大，體系開始具有一定的強度。③體系開始向凝膠狀態轉變，G'，G″和η*發生突變，標志著凝聚－結晶結構的形成，ICPC開始凝固。

圖4 添加黃原膠后ICPC動態時間掃描圖Fig.4 Times weep curves of ICPC with xanthan gum

由于判斷溶膠－凝膠點出現的依據存在差異，這里分別選取兩種方法(G'與G″的相交點，G'變化的突變點)作為判斷由溶膠向凝膠轉變的標志，以判斷ICPC的凝結時間。結果表明G'與G″相交于2 563 s左右;G'變化的速率快，在2 600 s左右就達到溶膠－凝膠點。

3.5 添加劑含量對ICPC流變的影響

圖5為不同含量的黃原膠的動態頻率掃描譜圖，(a)，(b)和(c)分別為G'，G″以及η*隨黃原膠含量的變化。結果表明，隨黃原膠含量的增加，體系的G'，G″以及η*降低。然而，其粘度隨含量的增加變化不大，這是由黃原膠易溶于冷熱水這一特性所決定的。然而，隨著添加量的進一步增加，體系的粘度和模量減小。

ICPC濃懸浮體系的粘度取決于顆粒間的摩擦力和高分子溶液的粘稠性。黃原膠的濃度之所以對復合粘度產生如此影響，是因為在動態流變測試的高剪切作用下，具有觸變結構ICPC體系中的顆粒在流動方向上重新取向或拉直，轉化成二維取向排列的結構。相比于低濃度的黃原膠，高濃度的黃原膠溶液可賦予更高的粘度。盡管如此，因為在黃原膠0.1% ～1%(質量分數)這一低濃度范圍內，高濃度的黃原膠潤滑作用可使ICPC顆粒間的摩擦力減小得更快，同時重新排列后的顆粒更容易流動，因此，隨著黃原膠含量的進一步增加，ICPC體系的復合粘度減小。

表3表明，隨添加劑濃度的提高，ICPC的觸變環面積不斷增大，屈服應力τy減小，流動性得到改善，但高剪切狀態下的應力降解率也逐漸變大。材料的觸變環面積之所以隨添加劑含量的增加而增加，與水溶性高分子的絮凝結構密不可分，但在顆粒與高分子共同作用下的絮凝網絡結構在高剪切狀態下并不穩定，應力降低率較大。

圖5 不同含量的黃原膠的動態頻率掃描譜圖:(a)儲能模量G'，(b)耗能模量G″，(c)復合粘度η*Fig.5 Frequency-sweep curves of ICPC with different contents of xanthan gum:(a)storage modulus G'，(b)loss modulus G″，and(c)complex viscosity η*

表3 黃原膠濃度對ICPC觸變性的影響Table 3 Effect of xanthan gum concentration on the thixotropy of ICPC

4 結論

水溶性高分子化合物的增粘、增稠作用提高了ICPC體系的粘度和屈服值，同時表現出很強的剪切稀化效應，有利于整個體系的穩定性。

在整個動態實驗過程，添加劑的加入不改變ICPC的類固體狀態，但含大量羥基、羧基或氨基的水溶性高分子大大提高了ICPC的觸變結構強度。黃原膠和幾丁糖綜合效果最佳，既保證了較大的觸變環面積，在高剪切速率下又能保持較低的應力降低率。動態時間掃描實驗估計材料形成凝膠所需的時間約為2 563～2 600 s。

黃原膠含量對體系的粘度影響不大。隨含量的增加ICPC觸變環面積增加，有利于體系的穩定;但應力降低率較大，形成的網絡結構在高剪切狀態下不穩定，便于漿體的注射。

References

［1］Bai B，Kummer F J，Spivak J.Augmentation of Anterior Vertebral Body Screw Fixation by an Injectable，Biodegradable Calcium Phosphate Bone Substitute［J］.Spine，2001，26(24):2 679－2 683.

［2］Heini P F，Berlemann U.Bone Substitutes in Vertebroplasty［J］.Eur Spine J，2001，10(2):S205 －13.

［3］Pasquier G，Flauutre B，Blary M，etal.Injectable Percutaneous Bone Biomaterials:an Experimental Study in a Rabbit Model［J］.J Mater Sci Mater Med，1996(7):683－690.

［4］Qi X，Ye J，Wang Y.Improved Injectability and in Vitro Degradation of a Calcium Phosphate Cement Containing Ppoly(Lactideco-Glycolide)Microspheres［J］.Acta Biomater，2008(4):1 837－1 845.

［5］Burguera E F，Xu H H K，Sun L.Injectable Calcium Phosphate Cement:Effects of Powder-to-Liquid Ratio and Needle Size［J］.J Biomed Mater Res，2008，84B:493－502.

［6］Ginebra M P，Rilliard A，Fernandez E，etal.Mechanical and Rheological Improvement of a Calcium Phosphate Cement by the Addition of a Polymeric Drug［J］.J Biomed Mater Res，2001，57(1):113－118.

［7］Leroux L，Hatin Z，Freche M.Effects of Various Adjuvants(Lactic Acid，Glycerol and Chitosan)on the Nnjectability of a Calcium Phosphate Cement［J］.Bone，1999，25(2):31S － 34S.

［8］Liu C S，Shao H F，Chen F Y，etal.Rheological Properties of Concentrated Aqueous Injectable Calcium Phosphate Cement Slurry［J］.Biomaterials，2006，27:5 003 －5 013.

［9］Liu Changsheng(劉昌勝)，Gai Wei(蓋 蔚).In Situ Setting Injectable Inorganic Cement and Its Application in Minimally Invasive Treatment(可注射原位固化無機骨水泥及其在微創治療中的應用):China，ZL 03 1 15250.3［P］.2005－03－16.

［10］Liu Changsheng(劉昌勝)，Chen Jianguo(陳建國).Self-Setting Calcium Phosphate Cementroot Canal(自固化磷酸鈣根管充填劑):China，ZL 03115251.1［P］.2006－03－06.

Study on the Rheological Properties of Injectable Calcium Phosphate Cement

CHEN Fangping，LIU Changsheng
(Key Laboratory for Ultrafine Materials of Ministry of Education，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China)

The influence of additives on the rheological properties of injectable calcium phosphate cement(ICPC)was investigated with an advanced expansion system rheometer.During the measurement of steady rheological properties，the viscosity，shear stress，and thixotropy were detected.During dynamic oscillation testing，the viscoelastic response of the ICPC under forced oscillation and the internal structure were unvailled.The results indicated that the ICPC showed both plastic and thixotropic behavior with little effect by additives.The introduction of these water-soluble polymers improved the viscosity and thixotropy of the ICPC，which are conducive to the stability of the whole system.These additives improve the recoverability and stability of the ICPC network after being sheared，in which xanthan gum and chitosan were the most obvious.On this basis，the time to form a gel was assessed to be in the range of 2 563 ～ 2 600 s for xanthan gum-ICPC system.In addition，with the increasing of xanthan gum contents，the thixotropic loop area of ICPC enlarged，but the formation of network structure was not stable under high shear condition.

injectable;calcium phosphate cement;rheological property;frequencysweep response;timesweep response

R318.08;O613.62

A

1674－3962(2012)09－0001－05

2012－04－10

國家自然科學基金資助項目(31100678);國家重大科學研究計劃項目(2012CB933600)

陳芳萍，女，1974年生，副教授，碩士生導師

劉昌勝，男，1967年生，教授，博士生導師

10.7502/j.issn.1674－3962.2012.09.01