β-硅酸二鈣骨水泥的水化改性及其生物活性的研究

謝洪海 ，王玉清

(1. 山東魯泰環保建材有限公司， 山東 濟寧 272350；2. 濟寧市高級職業學校， 山東 濟寧 272100)

0 引 言

硅酸鈣骨水泥是一種新型自凝的可注射性生物材料，該生物材料具有很好的物理性能、化學性能、生物性能。大量實驗證明，由于該材料極好的生物和機械性能在臨床領域取得了很大的進步[1]。自1971年，Hence發現了生物活性玻璃，很多鈣硅基陶瓷玻璃已經被廣泛的研究。其中，β-Ca2SiO4擁有極好的生物活性、降解性、水化性能[2]。然而，β-Ca2SiO4在水化的過程中會生成Ca(OH)2，這種物質的生成會導致局部pH值過高且大于12.5，很不利于周圍骨組織的生長，且不可以被人體所吸收[3]。所以，目前最有效的辦法就是消除Ca(OH)2并且將其轉化為球霰石。

球霰石是碳酸鈣的一種礦物晶型[4]。由于球霰石是亞穩相，所以它的溶解度大于文石或者方解石[5]。此外，由于其高比表面積和低比重，球霰石作為一種生物醫學材料可用于骨基質的增強[6]。早期的研究表明，微量的可溶性硅物種和45S5生物玻璃中的鈣離子可以刺激成骨細胞內的基因并增強IGF-II 的表達，從而促進骨形成[7-9]。據報道，磷酸鹽離子會吸附在球霰石表面[10]。Kim和Park[11]報道，含球霰石和多巴胺的混合材料在SBF中很容易轉化為碳酸化羥基磷灰石。這些結果表明，水化后的硅酸鈣骨水泥可以提高磷的吸附能力，并促進羥基磷灰石的形成。

在本文中，通過將β-Ca2SiO4水化、碳化來制備球形球霰石。這種方法既環保又簡單，且可直接將其轉化為球霰石。此外，可以通過SBF浸泡來提高骨水泥的生物活性。

1 材料和方法

1.1 β-硅酸二鈣粉體的制備

用溶膠凝膠法合成β-Ca2SiO4粉末，在之前的工作中已經描述過[12]。試劑級硅酸乙酯((Si(OC2H5)4；TEOS，SiO2% ≥ 28.4%, 國藥集團化學試劑有限公司，中國) 和硝酸鈣 ((Ca(NO3)2·4H2O； 99.0%, 西隴化工股份有限公司，中國)作為SiO2和CaO的前驅體。硝酸HNO3作為催化劑，無水乙醇作為溶劑。SiO2和CaO的摩爾比為1 : 1。簡而言之，TEOS按順序添加2N HNO3和無水乙醇分別攪拌一個小時。將適量的Ca(NO3)2·4H2O加入到上述溶液中，混合溶液攪拌1小時。(HNO3+H2O)-TEOS-乙醇溶液的摩爾比分別為10 : 1 : 10。將得到的溶膠溶液密封在一個燒杯中，于60 ℃的烘箱中干燥2天，120 ℃的烘箱中再干燥2天得到干凝膠。將干凝膠在800 ℃下煅燒4 h，等爐內溫度降至室溫后，制得粉末。將制得的粉末過300目的篩子，用于下一步實驗。該方法的優點就是原材料純度高，不像在波特蘭水泥制造使用的那樣[13]。

1.2 β-硅酸二鈣水泥的水化過程

β-硅酸二鈣水泥的水化過程就是個碳化過程。為了制備該種水泥，蒸餾水作為液相用于混合粉末，將制得的β-Ca2SiO4粉末與蒸餾水混合成均勻的水泥漿料均勻的涂抹在燒杯的四壁，液粉比(L/P)為2 ml/g?；旌现?，將該水泥養護在37℃、100%濕度環境下養護5 h。然后將CO2氣體通入該泥漿中，以3000 ml/min的速率通入90 min，為了去除殘余的溶劑，將上述的泥漿在110 ℃條件下干燥一天，最終制得含球霰石β-硅酸二鈣水泥。在該項研究中，V0指純的β-Ca2SiO4水泥，V1指含球霰石β-Ca2SiO4水泥。將V0和V1粉末和Na2HPO4以0.8 ml/g的液固比混合，將得到的混合物填充到圓柱形不銹鋼模具中(Φ 6 mm × 12 mm)，放入濕度為100%，溫度為37 ℃的養護箱中養護24 h。

1.3 SBF浸泡后水泥的性能

為了提高體外理化性能，在37 ℃的條件下，該圓形柱試樣(Φ 6 mm × 3 mm)浸泡在11-mLSBF中(pH值 = 7.40) ，試樣表面積和SBF溶液體積比為0.1 cm2/mL[14]。該SBF制備方法根據Kokubo和Takadama所描述的程序進行[15]。為了研究球霰石對生物活性的影響，試樣分別浸泡在SBF中3d。在浸泡SBF之前，V0和V1試樣都放置在37 ℃、100%濕度的恒溫箱中水化一天。浸泡3d后，將試樣從離心管中取出，用去離子水和丙酮溶液輕輕地沖洗三次，于60 ℃烘箱中干燥24 h，進行相組成和結構的分析。同樣為了驗證球霰石是否能成功的消除Ca(OH)2的影響，將V0和V1粉末和SBF溶液以5 ml/g的液粉比混合于離心試管中，浸泡3d后，離心取上層液體，使用pH計(PHSJ-3F上海杰晟科學儀器有限公司)分別測量出V0和V1的pH值。

1.4 測試與表征

X射線衍射分析(XRD，Geigerflex, Rigaku,Japan)用來分析相結構，掃描電子顯微鏡(SEM,S-4800,JEOL, Tokyo, Japan) 配以能譜(EDS)來分析物質的結構和化學成分。傅里葉變換紅外光譜(FTIR,Nicolet,Nexus 670)進一步分析物質的化學組分和化學鍵。將水泥試樣養護在37 ℃，濕度為100%的恒溫恒濕養護箱中，根據測試水泥的標準：ISO 9917-1，使用吉摩爾針(Gillmore needle，B001)測試水泥的凝結時間，本實驗測試的凝結時間為終凝時間，即從混合開始到吉摩爾針不能在樣品表面的3個不同區域留下1mm凹痕的這段時間。測試結果取8個試樣的平均值±標準偏差。

2 結果和討論

2.1 含球霰石水泥的相組成和形貌

V0和V1的XRD圖譜如圖1所示。從V0的XRD圖譜中可以看出，在2θ = 18.021, 34.061，47.101處的是Ca(OH)2峰[15]。在2θ = 37.51處的弱峰對應的是CaO[12]。 此外，2θ = 29 °處出現的衍射峰[16]，對應的是水化硅酸鈣相(C-S-H)即β-Ca2SiO4的不完全反應的無機相組成。然而，從圖中很明顯的看到，在引入CO2后即(V1), Ca(OH)2的特征峰消失了，CS-H的峰也變弱了。此時，球霰石的特征峰也成了水泥的主峰之一。2θ = 24.91, 27.01, 32.81，43.81,50.11處對應于球霰石的衍射峰 (JCPDS no. 33-0268)[5]。2θ = 23.301, 31.161, 32.181, 34.31, 41.31處對應的是β-Ca2SiO4的衍射峰。總的來說，在引入CO2后，Ca(OH)2和CO2反應，生成球霰石[17]。

如圖2所示，通過FTIR對V1和V0的結構進一步分析。對V0試樣，可以觀察到3400 cm-1和1640 cm-1處有紅外吸收峰, 這主要是由O-H和H-OH伸縮振動引起的[18-19]，而造成該伸縮振動的原因則是水化硅酸鈣吸收水分造成的。800-1000 cm-1處的吸收峰主要是由Ca2SiO4中的Si-O伸縮振動造成的。而對于V1試樣，我們可以觀察到在744.4，874.2，1084.4和1465.7 cm-1處出現了新的紅外吸收峰，這些峰的出現主要是由于球霰石中C-O的伸縮彎曲振動造成的[20]。

圖3(a)是V1表面的SEM微觀圖像。可以觀察到V1表面有一些球形的球霰石顆粒。相比較于圖3(b)V0的SEM圖像，很明顯并沒有觀察到這些球形顆粒。

Fig.1 XRD patterns of β-Ca2SiO4 cement prepared after hydration for 1 day:V0 without introducing CO2 gas and V1 with introduced CO2

Fig.2 The FT-IR spectra of β-Ca2SiO4 cement prepared after hydration for 1 day: (V0) without introduced CO2 gas and(V1) with introduced CO2

使用能譜對球形粒子的組成進行進一步的表征，表征結果如圖3(c)，能譜的結果顯示粒子中存在Ca, Si, O, C元素，而其中的Ca, O, C元素的存在則意味著樣品中含有球霰石，而Si的存在可能是殘留的Ca2SiO4造成的。

球霰石的形成機理如下。當β-Ca2SiO4與水混合，β-Ca2SiO4首先開始水化，水化過程按照下面的反應式進行[22]：

球霰石是碳酸鈣的一種晶型，當引入CO2到β-Ca2SiO4水化過程中，β-Ca2SiO4的水化產物Ca(OH)2將會與CO2反應，最終生成球霰石。反應過程如下：

2.2 含球霰石水泥的凝結時間

Fig.3 SEM micrographs of V1 (a) and V0 (b) cement surfaces prepared after hydration for 1 day； (c) EDS spectrum of spherical particles in Fig. 3(a)

與對照組V0相比(之前研究工作, 27 ± 2 min)，水泥水化后，凝結時間明顯降低至12 ± 2 min[12]。可以看出，球霰石會加速水泥的凝結過程。從圖1的XRD中可以得到這個結論。在水化改性后，V1中Ca(OH)2的特征峰消失了。同時，球霰石和β-Ca2SiO4的特征峰成了V1水泥的主峰。這與FT-IR的分析結果是相一致的。所以球霰石會加速凝結。此外，粉末顆粒的尺寸，燒結溫度，相組成，溶劑和液固比也對骨水泥材料的凝結時間起著至關重要的作用[22]。

2.3 SBF浸泡后水泥表面HAp的形成以及pH值的變化

SBF浸泡是檢驗材料HAp形成能力最常用的方法[23]。圖4是V0和V1水泥試樣在SBF溶液中浸泡前后的表面形貌。從圖4(a)和(c)中可以看出V0和V1水泥試樣在浸泡前是沒有羥基磷灰石的。然而，圖4(b)和(d)分別是SBF浸泡3d后的圖，可以看出，V0水泥表面被部分羥基磷灰石覆蓋，而V1水泥完全被羥基磷灰石覆蓋。對圖4(d)中球形顆粒進行EDS能譜分析(圖4(e))。從能譜中可以看出，SBF浸泡3d后，V1試樣表面含有Si, Ca, P等元素。根據pH計測得的V0和V1的pH值分別為：12.16，9.79。pH值的迅速降低表明了V0水泥在水化過程中產生的Ca(OH)2能和CO2充分反應，從而成功的消除Ca(OH)2的堿性對材料帶來的不利影響。

Fig.4 SEM micrographs of V0 cement surface before (a) and after (b) being immersed in SBF for 3 days, V1 cement surface before (c) and after (d) being immersed in SBF for 3 days； (e) EDS spectrum of spherical particles in Fig. 4(d)

圖5 (V0)和(V1)分別是V0和V1骨水泥在SBF浸泡后的X射線衍射分析圖。通過索引各自的標準JCPDS卡片(CSH，29-0378；β-Ca2SiO4，29-0371，HAp，09-0432)，確定試樣是水化硅酸鈣(CSH)，β-Ca2SiO4，HAp的混合物。從XRD圖中可以看到，V0和V1水泥試樣都含有磷灰石，表明它們有很高的生物活性。從圖5(V0)看出,V0水泥只有在2θ = 31.74處有HAp[15]的衍射峰，但對V1來說，在2θ = 31.441，31.741，35.471和50.01[12,15,24,25]處都有HAp衍射峰，且峰更明顯更尖銳，表明V1水泥試樣有更好的生物活性。

使用FT-IR進一步分析V0和V1水泥試樣HAp的形成能力，如圖6(V0)和(V1)所示，1640 cm-1處的吸收峰是典型的H-OH伸縮振動，主要是由于水化硅酸鈣(C-S-H)吸收水分造成的。1415 cm-1和841 cm-1處的吸收峰是由CO32-的C-O伸縮振動引起的[26]。965 cm-1處的吸收峰主要歸因于PO3-4對稱伸縮振動[25]。PO3-4的特征峰證明了V0水泥在SBF溶液中浸泡3 d后，試樣表面沉積了HAp[9-26]。此外，圖6 (V1), 在1062 cm-1處出現了新的PO3-4的P-O鍵的伸縮振動，即V1水泥試樣擁有更佳的誘導羥基磷灰石形成的能力。結果表明，球霰石可以提高磷的吸附能力，加速HAp的形成。

Fig.5 XRD patterns of V0 and V1 cements after being soaked in SBF for 3 days

Fig.6 FT-IR spectra of V0 and V1 cements after being soaked in SBF for 3 days

3 結 論

這是一種簡單且綠色環保的合成方法，能成功的合成出含球霰石β-硅酸二鈣骨水泥。該方法不僅能夠很好的消除β-Ca2SiO4骨水泥的水化產物Ca(OH)2給生物材料帶來的不利影響，而且能降低水泥的凝結時間。體外研究表明含球霰石β-硅酸二鈣骨水泥在SBF浸泡后能更好的誘導HA的形成。同時，合成的含球霰石水泥作為理想骨修復替代材料擁有極好的生物活性以及合適的凝結時間。接下來，我們還要著重研究Ca(OH)2轉化為球霰石的速率，凝結時間，機械性能以及體外生物活性來確定將來的應用領域。