Ca／Mg／PO4骨修復材料的制備及降解性能的研究

（華中科技大學材料科學與工程學院材料成型與模具技術國家重點實驗室，湖北武漢430074）

β－Ca3（PO4）2（β－TCP）作為骨修復材料具有良好的生物相容性［1］、生物降解性［2］和誘導成骨性［3－4］，是目前最具前景的陶瓷生物材料之一。近年來，許多學者通過將微量的Mg2＋、Si4＋、Zn2＋、F－、Cl－、CO2－3等與β－TCP摻雜，使其微觀結構更接近自然骨，且具備不同的形貌［5］，以此來調控其生物性能。目前，Mg的摻雜大多數是將MgO 通過澆鑄［6］、共混煅燒等方法與β－TCP 摻雜，作者在此則采用共沉淀法［7］，以MgCl2為鎂源、CaCl2為鈣源、（NH4）2HPO4為磷源，將MgCl2、CaCl2的混合液滴入（NH4）2HPO4水溶液中制備不同Mg含量的Ca／Mg／PO4骨修復材料，通過研究其在模擬體液中浸泡一段時間后的物相、表面形貌、質量等的變化，較為系統地研究了Mg含量對Ca／Mg／PO4骨修復材料生物降解性能的影響。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

無水氯化鈣、六水氯化鎂、磷酸氫二銨、濃氨水等均為分析純；模擬體液（SBF），自制。

精密pH 計，分析天平，恒溫振蕩器，干壓機，燒結爐，X－射線衍射儀，Quanta 200型掃描電子顯微鏡。

1.2 Ca／Mg／PO4 骨修復材料的制備

表1 原材料及用量／g（mol）Tab.1 Raw materials and their qualities／g（mol）

按表1精確稱取各原材料，先將CaCl2和MgCl2·6H2O 溶于200mL去離子水，用濃氨水調節其初始pH 值為9.5，同時將磷酸氫二銨溶于200mL 去離子水；再將CaCl2和MgCl2·6H2O 的混合液移入500 mL分液漏斗中，以2mL·min－1的速度緩慢滴入磷酸氫二銨水溶液中（滴加過程中，不斷滴加濃氨水，保持pH 值為9.5）。滴加完后加入微量聚丙烯酸陳化24h；洗滌，抽濾，80 ℃干燥，得到不同Mg 含量的Ca／Mg／PO4骨修復材料，即產物A、B、C、D。

將產物A、B、C、D 于800 ℃煅燒后，分別稱取1.000g各5份，用干壓機壓制成直徑為20mm 的薄片，于燒結爐中800 ℃保溫3h，備用。

1.3 Ca／Mg／PO4 骨修復材料的降解性能

通過體外模擬實驗研究產物A、B、C、D 的降解性能：將產物A、B、C、D 分別浸入裝有40mL 模擬體液的錐形瓶中，37 ℃、70r·min－1振蕩。每隔3d更換模擬體液，并測定其pH 值。每隔一定時間取出產物，洗凈，烘干，稱重，測定模擬體液中Ca2＋濃度、產物的質量，并進行SEM 和XRD 測試，分析產物降解前后的物相及表面形貌的變化，考察Mg含量對產物降解性能的影響。

1.4 分析測試

1.4.1 X－射線衍射（XRD）分析

用X－射線衍射儀研究Mg含量對煅燒后產物物相的影響。采用經鎳箔過濾的Cuκα輻射，管電壓為40kV，管電流為40mA，掃描速率為4°·min－1，步長為0.02°，掃描范圍為10°～60°。

1.4.2 模擬體液pH 變化值的測定

為了解產物A、B、C、D 在降解過程中環境的變化，采用精密pH 計測定模擬體液的pH 值：將一定量產物各5份浸泡在模擬體液中，于37 ℃、70r·min－1振蕩。每隔一定時間取出樣品，測定pH 值，取3組比較接近的pH 值的平均值，記為pH1。將未浸泡產物的模擬體液于相同條件下放置3d，測定pH 值，記為pH2。按式（1）計算模擬體液pH 變化值（ΔpH）：

1.4.3 模擬體液中Ca2＋濃度的測定

參照國標GB7476－87 測定模擬體液中Ca2＋濃度：取5mL浸泡產物后的模擬體液稀釋至50mL，取10mL稀釋液加0.2mL 4mol·L－1的NaOH 溶液和0.1g鈣羧酸指示劑，用2mmol·L－1的EDTA 二鈉標定，當模擬體液顏色從紫紅色變為亮藍色即為終點。按式（2）計算Ca2＋濃度：

式中：c為Ca2＋濃度，mmol·L－1；ce為EDTA 二鈉的濃度，mmol·L－1；Ve為EDTA 二鈉的體積，mL；V為Ca2＋的體積，mL。

1.4.4 掃描電鏡（SEM）分析

為考察降解前后Mg含量對產物形貌的影響，對產物表面進行掃描電鏡測試。電子加速電壓為5kV。測試前對產物進行表面噴金處理。

2 結果與討論

2.1 XRD 分析

圖1為4種產物在800℃下燒結后的XRD 圖譜。

圖1 4種產物在800 ℃下燒結后的XRD圖譜Fig.1 XRD Patterns of four kinds of products sintering at 800 ℃

由圖1 可知，4 種產物的主要物相均為β－Ca3（PO4）2，且隨著 Mg 含量的增加，第二相Ca4Mg5（PO4）6的特征峰不斷增強。

2.2 模擬體液pH 值的變化

將4種產物浸泡在模擬體液中，模擬體液pH 變化值隨浸泡時間的變化曲線如圖2所示。

圖2 模擬體液pH 變化值隨浸泡時間的變化Fig.2 Changes ofΔpH of SBF with immersion time

由圖2可看出：Mg含量越少，模擬體液的pH 值變化越大；浸泡第1～6d，pH 值的變化較小；第7～12d，模擬體液中產生大量的酸性物質，pH 值快速減小；第12d開始，pH 值均有增大的趨勢；21d后趨于穩定，且pH 值的穩定值隨Mg 含量的增加而增大。這是因為，產物浸泡在模擬體液中發生了如下反應：

Ca／Mg／PO4骨修復材料在模擬體液中快速溶出Ca2＋、Mg2＋和，因羥基磷灰石（HA）的溶解度低于β－TCP，當溶液中的HA 達到臨界溶解度時，Ca2＋和與OH－等陰離子結合，在Ca／Mg／PO4骨修復材料表面析出HA［8］，帶走了模擬體液中的部分OH－，使得H＋濃度升高，溶液pH 值減小。析出的HA 附著在Ca／Mg／PO4骨修復材料表面，會阻礙Ca／Mg／PO4骨修復材料的繼續降解，因此浸泡21d后，Ca／Mg／PO4骨修復材料降解速度減慢，每次更換模擬體液后，其pH 值略微增大并逐漸趨于穩定。

為了進一步驗證這一結果，研究了Ca／Mg／PO4骨修復材料浸泡不同時間后，模擬體液中Ca2＋濃度的變化以及Ca／Mg／PO4骨修復材料浸泡后的物相及表面形貌的變化。

2.3 模擬體液中Ca2＋濃度的變化（圖3）

圖3 模擬體液中Ca2＋濃度隨浸泡時間的變化Fig.3 Changes of Ca2＋concentration of SBF with immersion time

由圖3可看出，產物A 浸泡在模擬體液中后，模擬體液中Ca2＋濃度緩慢下降；產物B、C、D 浸泡在模擬體液中后，第1～3d，模擬體液中Ca2＋濃度迅速下降，第6d后，Ca2＋濃度趨于穩定，且隨著Mg含量的增加，Ca2＋濃度不斷降低。這一結果再次證實了模擬體液pH 值的減小是由于生成了 HA，因為Ca／Mg／PO4骨修復材料的Ca／P 接近1.5，而HA 的Ca／P大于1.5，多出的Ca2＋必然來源于模擬體液中，因此模擬體液的Ca2＋濃度會減小，HA 生成量相應減少，模擬體液中的H＋濃度相應降低，pH 值減小。

由于Mg含量越多，模擬體液的堿性越強，pH 值越大，而β－TCP 的溶解度與pH 值有著密切的關系，pH 值增大，β－TCP的溶解度則降低，因此，Mg含量的增加會降低β－TCP的溶解度［9］，材料較難溶出Ca2＋，模擬體液中的Ca2＋濃度會迅速減小。另一方面，由于Mg含量多的Ca／Mg／PO4骨修復材料晶粒結合緊密，晶粒尺寸較大，也會導致材料較難溶出Ca2＋，模擬體液中的Ca2＋濃度減小。

2.4 Ca／Mg／PO4 骨修復材料浸泡前后質量的變化

表2為4種產物在模擬體液中浸泡第7～28d的質量變化。

由表2可知：浸泡第7d，4種產物的質量幾乎沒有變化；浸泡第28d，產物A、B、C質量明顯減小，但質量變化比較接近，可能是因為產物A、B、C表面形貌相似，顆粒尺寸較小，且分散均勻，較易溶出Ca2＋、；浸泡第28d，產物D 質量變化不大，可能是因為產物D 晶粒較大，結構密實，降解較慢。

表 2 4種產物在模擬體液中浸泡第7～28d的質量變化／%Tab. 2 Quality changes of four kinds of products immersing 7～28din SBF／%

2.5 SEM 分析

圖4為4種產物浸泡前及在模擬體液中浸泡第7d、第28d的SEM 照片。

由圖4可以看出：（1）不含Mg的產物A 在浸泡前顆粒細小，分布均勻，浸泡第7d表面顆粒開始變得疏松，晶粒與晶粒之間距離變大；隨著Mg含量的增加，產物B、C、D 的晶粒尺寸逐漸增大，Mg含量最高的產物D 發生明顯燒結現象。（2）浸泡第7d，4種產物表面局部出現約0.3μm 的均勻球形顆粒，其尺寸遠小于基體材料，其中產物D 表面的顆粒最明顯。（3）浸泡第28d，4種產物表面發生了明顯變化，產物B、C表面局部出現多個直徑約5μm 的孔洞。

對產物D 的表面粉末進行XRD 分析，結果見圖5。

由圖5可以看出：浸泡第14d，產物D 的第二相Ca4Mg5（PO4）6幾乎消失，主要為β－TCP 相；浸泡第28d，產物D 表面出現HA 相，證明Ca／Mg／PO4骨修復材料浸泡后析出的小顆粒確實是文獻［8］所說的HA。這表明，Ca／Mg／PO4骨修復材料在浸泡第28d發生明顯降解，且降解后有HA 析出。

3 結論

采用共沉淀法制備了具有不同 Mg 含量的Ca／Mg／PO4骨修復材料，該材料主要成分為β－Ca3（PO4）2（β－TCP），Mg 以第二相Ca4Mg5（PO4）6的形式存在于其中。將Ca／Mg／PO4骨修復材料浸入模擬體液中，隨著浸泡時間的延長，模擬體液的pH值、Ca2＋濃度先快速下降后逐漸趨于穩定，Ca／Mg／PO4骨修復材料質量不斷減小；隨著Mg含量的增加，模擬體液的pH 值不斷增大，Ca2＋濃度和Ca／Mg／PO4骨修復材料質量不斷減小；浸泡28d后，Ca／Mg／PO4骨修復材料表面析出類似于羥基磷灰石的物質。Ca／Mg／PO4骨修復材料的降解過程是離子溶出和HA 析出的雙重過程。

圖4 4種產物浸泡前后的SEM 照片Fig.4 SEM Images of four kinds of products before and after immersion

圖5 產物D浸泡前后的XRD圖譜Fig.5 XRD Patterns of product D before and after immersion

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