牛骨轉化雙相磷酸鈣生物陶瓷材料的制備

張伊驍　許晨陽

摘 要：對牛骨轉化雙相磷酸鈣生物陶瓷的制備方法進行了研究，通過控制前處理方法、煅燒過程條件成功制備出孔徑連通、孔隙率85%、孔徑大小100μm-700μm、力學性能優于世面上大部分骨修復材料產品的條狀、顆粒狀多孔雙相磷酸鈣材料。通過XRD實驗分析物相得到HA/β-TCP兩相比，通過SEM實驗觀察材料的表面形貌，綜合分析結果認為此方法制備的BCP材料具有骨誘導性。

關鍵詞：煅燒牛骨；雙相磷酸鈣；生物降解性、骨誘導性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.025

1 引言

多孔雙相磷酸鈣（BCP），即羥基磷灰石/β-磷酸三鈣復合材料，由于其具有優異的生物相容性、生物可降解性、骨傳導性及骨誘導性，一直是被人們視為是骨組織工程支架材料的良好選擇，并得到了廣泛的研究。具有適當可降解性和骨誘導性的多孔BCP材料，在植入人體后可以達到降解和成骨的動態平衡，最終和組織融為一體[1]。因此，可降解性和骨誘導性這兩個條件就成了制備多孔BCP材料時最應關注的問題。

制備多孔BCP材料的方法大致分為兩類，一類是人工合成的方法，先制備出HA/β-TCP粉末，再以有機泡沫浸漬法、添加造孔劑法、發泡法等方法制備成多孔體[2]。但有時存在諸如成本高、步驟復雜、孔徑不聯通不均勻等問題，制約了這一類方法的應用。還有一類是通過煅燒天然生物陶瓷，保留其原有結構，制得多孔BCP材料。楊耀武等[3]將鴕鳥骨初步煅燒制得多孔HA，進一步浸泡在焦磷酸鈉溶液中浸泡再次煅燒至1100℃，得到多孔BCP材料。本文采用高溫煅燒牛骨法將牛骨煅燒至1300℃以上直接制得到多孔BCP材料，國內外對于此類方法的研究及應用都很少，因此對這種制備方法的研究具有一定的現實意義和學術價值。

2 機理

煅燒異種骨制備多孔雙相磷酸鈣的過程中最主要的機理是羥基磷灰石在大氣環境下煅燒會逐步分解，最終形成HA/β-TCP復合材料。首先，HA從800℃逐漸開始脫水轉換成缺氧磷灰石OHA，缺氧羥基磷灰石OHA從1200℃開始分解為磷酸三鈣TCP和磷酸四鈣TTCP，在降溫的過程中，一部分的TCP和TTCP會會結合水蒸氣還原為羥基磷灰石。

在煅燒過程中，磷酸三鈣TCP自己也在發生著晶型的變化。在高溫條件下TCP會呈現α-TCP的晶型，而隨著緩慢的冷卻過程，α-TCP會轉變為β-TCP，這便是我們調整冷卻速度的另一依據。

3 實驗

3.1 制備多孔BCP

取成年牛股骨切削成塊后，浸泡在60℃NaOH中4h，無水乙醇脫水2h，90℃干燥1d，以2℃/min升至500℃，待殘余有機相燃盡后，以10℃/min升至T，持續t后控制降溫速率冷卻至室溫。所給出的實驗路線是經過多次摸索后慎重得出的。T取1000℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃，t取2h、4h、12h、24h。對不同煅燒條件得到的多孔BCP材料的性能進行表征。

3.2 材料性能表征

測量得到不同部位的線收縮率在25%～45%，孔隙率為85%，孔徑大小為100μm～700μm。牛骨內孔隙結構具有方向性，對材料截取不當使得塊體材料的抗壓強度測量結果分散于1MPa～15MPa，以相似部位不同煅燒條件的試樣進行比較發現在合理的煅燒條件之間材料的抗壓強度變化不大。

XRD結果（如圖1所示）表明材料主要是由HA及β-TCP組成，查找兩物相的合理K值，由RIR法帶入強峰面積計算得出HA/β-TCP的比。發現材料兩相比即HA的分解程度是可受煅燒條件控制的，但在1400℃煅燒12h及1300℃以上煅燒24h得到的材料分解過度，不再具備基本的強度，這也使得通過本方法制得BCP中β-TCP的比例受到了限制。SEM結果（如圖1所示）表明，不同煅燒條件下制備的多孔材料表面皆具有10μm左右的微孔，這說明這種微孔是牛骨本身具備的。同時，隨著溫度的升高，材料發生了更大的線性收縮，降低了裂紋的開裂程度，材料的抗壓強度得到了保障。另外，取自某些特定區域的原材料得到的煅燒件表面存在著10μm～20μm的微小顆粒，這是骨中某些區域富集其他離子的一種表現。

4 結論

（1）控制煅燒的升溫速率使殘余有機物充分燃盡可以有效的避免灰化現象，控制煅燒的降溫過程可以降低多孔體的裂紋產生以及保證α-TCP向β-TCP轉化過程的進行。隨著在合理范圍內持續煅燒溫度的升高、煅燒時間的增加，材料中HA/β-TCP的比例會降低，材料的生物降解性得到加強。

（2）以煅燒異種動物骨的方法制備的多孔BCP材料中晶體的排列保留了自然骨中羥基磷灰石納米晶體與膠原纖維的排列方向，這賦予了材料優異的生物力學性能，是人工合成方法無法比擬的。保留了自然骨的大孔及微孔的獨特結構不禁為了骨長入過程提供了可能，還會富集體液中流通的促進成骨的因子、細胞從而加速了骨重塑過程，同時β-TCP的降解過程增加了材料表面CHA的沉積，CHA的存在會增強細胞的粘附、增殖、分化過程，進一步加快了骨重塑過程。因此，我們認為通過高溫煅燒牛骨法制備出的多孔BCP材料具有優異的骨誘導性。

參考文獻：

[1]孟磊，甄平，梁曉燕等.結構特征對磷酸鈣陶瓷骨誘導活性的影響[J].中國組織工程研究，2015，19（43）：7010-7016.

[2]劉朝紅，董寅生，林萍華等.β-磷酸鈣多孔生物陶瓷支架的制備及生物相容性[J].東南大學學報，2004，34（05）：665-668.

[3]楊耀武.鴕鳥骨轉化多相鈣磷陶瓷制備及用于骨組織工程支架材料基礎研究[D].第四軍醫大學，2004.