稀土氧化釔改性磷酸鈣骨水泥的研究*

楊高峰

(榆林化工能源學(xué)院 陜西 榆林 718100)

酸鈣骨水泥(Calcium Phosphate Cement, CPC)是20世紀90年代初研制成功的一種具有生物學(xué)活性的新型非陶瓷型羥基磷灰石類人工骨材料[1～3]。與傳統(tǒng)的陶瓷型羥基磷灰石(hydroxyapatite, HA)相比，具有制備簡便(不需要燒結(jié))、任意塑形和緩慢降解等優(yōu)點。與普通骨水泥相比，生物相容性好，在固化結(jié)晶過程中不產(chǎn)熱，這些特點適應(yīng)了臨床修復(fù)骨缺損的需要[4～6]。因此，CPC問世后倍受關(guān)注，成為國外近年來的一個研究熱點，相關(guān)研究報道迅速增多，并已經(jīng)從基礎(chǔ)理論和動物實驗逐漸開始向臨床試用階段過渡。國內(nèi)有關(guān)CPC的研究剛剛起步，目前文獻報道較少。

稀土摻雜羥基磷灰石，對羥基磷灰石的合成有促進作用，并且使其具有更穩(wěn)定的性質(zhì)。人體硬組織的無機成分除磷灰石外還有許多陰、陽離子，并且發(fā)現(xiàn)在生物磷酸鹽化石中，稀土元素含量比較高。Y3+的原子半徑與Ca2+相當，可以替代羥基磷灰石中的Ca2+。在燒結(jié)的YHA表面單位面積內(nèi)，羥基的數(shù)量隨著Y的增加而增加，甚至達到了10%(摩爾分數(shù))。這個研究小組還發(fā)現(xiàn)，相比HA，YHA具有良好的導(dǎo)電性。由于釔摻雜的羥基磷灰石具有親水性，所以已經(jīng)被制成濕敏元件。因為親水性和導(dǎo)電性這兩個性質(zhì)對骨的再生起著至關(guān)重要的作用，所以可以認為Y-HA在骨移植方面具有一定的潛力。摻雜2%(摩爾分數(shù))Cd、Zn、Mg及Y離子的羥基磷灰石，在蛋白吸附、細胞吸附和細胞培養(yǎng)試驗后發(fā)現(xiàn)，在酶解物試驗中，相比于HA和摻雜Cd、Zn、Mg離子的羥基磷灰石，YHA對變性骨膠原具有最好的吸附性[7～9]。并且，YHA對于Ca2+的吸收也較其余幾者強，隨著Y離子含量的增加，Ca2+的吸附濃度也變大，表明Ca2+和Y3+之間有較好的相容性，這可能是由于Y3+相對于其它離子(二價離子Cd2+、Zn2+、Mg2+)而言，具有不同的電荷數(shù)和結(jié)構(gòu)[10～13]。在骨粘附性方面，YHA比HA以及Cd、Zn、Mg離子摻雜羥基磷灰石的骨粘附性好。含釔離子濃度較大的的HA相比濃度較小者更能促使骨細胞貼壁生長。因此，基于YHA的一系列性質(zhì)，可以認為Y-HA有望成為一種良好的骨替代材料。

釔在生物陶瓷領(lǐng)域也有一定的作用：

1)在鈦合金表面除預(yù)置CaHPO4·2H2O、CaCO3粉末外，還加入稀土氧化物Y2O3，經(jīng)激光處理后，實現(xiàn)了合成與涂覆同步制備含HA活性生物陶瓷涂層的復(fù)合材料。Y2O3的加入對HA的合成及其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，生物陶瓷涂層組織細化以及力學(xué)性能均有促進和改善作用。

2)通過在鈦合金表面上預(yù)涂敷一定比例的CaHPO4·2H2O-CaCO3混合粉末及相應(yīng)的過渡層并進行激光熔覆處理，獲得了以TC4為基材的含羥基磷灰石(HA)的生物陶瓷涂層復(fù)合材料。同時研究了稀土元素的加入對于生物陶瓷涂層組織的影響。研究表明，Y2O3不僅對涂層組織有細化作用，而且對激光合成HA有催化作用并能使HA相結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。

3)在鐵合金表面上預(yù)涂復(fù)CaHPO4·2H2O-CaCO3-Y2O3混合粉末，隨后進行激光熔覆處理，獲得了以TC4為基材的含HA的生物陶瓷涂層復(fù)合材料。研究了稀土元素對涂層性能的影響。研究結(jié)果表明，Y2O3能明顯改善涂層材料的綜合力學(xué)性能、耐蝕性能和生物性能。

到21世紀，人類在醫(yī)療方面達到一個非常高的技術(shù)水平，生物材料對于人體組織器官的替代、修復(fù)、移植方面的研究己經(jīng)取得了豐碩的成果，而骨修復(fù)生物材料就是其中一個非常活躍的研究和臨床應(yīng)用領(lǐng)域[14～16]。相比之下，目前我國生物材料的研究、開發(fā)和臨床應(yīng)用與國外差距相當大，每年消耗的生物材料大多依靠進口，研制和開發(fā)臨床需要的相關(guān)生物材料是我們面臨的重要課題。如前所述，20世紀90年代新型的自固化骨修復(fù)生物活性材料——磷酸鈣骨水泥的發(fā)明為諸多類型的骨缺損的修復(fù)治療提供了一種非常有效的措施，在修復(fù)非負重或低負重部位的骨缺損和牙周治療中獲得滿意的臨床應(yīng)用效果。而對磷酸鈣骨水泥的深入研究和性能的改善提高，將有助于CPC在骨外科、整形外科及口腔科等領(lǐng)域獲得更為廣泛的應(yīng)用[17]。盡管CPC作為骨修復(fù)的生物材料具有上述的許多優(yōu)點，但CPC同時存在固化時間長、粘結(jié)性能差、機械性能不足、降解緩慢、初凝階段接觸體液易崩解等缺點，又使其應(yīng)用受到一定程度的限制[18]。因此，筆者選擇這一新型的骨修復(fù)生物材料——磷酸鈣骨水泥CPC作為改性研究的對象。本課題的研究目標主要有以下幾個方面：

1)原料不變，在其中加入氧化釔和沒加入氧化釔在燒結(jié)溫度和時間都相同的情況下合成無定型磷酸四鈣，無定型磷酸四鈣與磷酸氫鈣混合水化得到磷酸鈣骨水泥，討論摻雜氧化釔和未摻雜氧化釔對生成羥基磷灰石的影響。

2)改變氧化釔的含量，做出四組對照試驗。

3)采用 XRD、SEM、EDS 等技術(shù)對水化后的試樣進行表征，根據(jù)大量的試驗數(shù)據(jù)來分析計算摻雜氧化釔對水化合成磷酸鈣骨水泥性能的影響。筆者所完成的主要研究內(nèi)容有以下幾個方面：

1)分析并理解磷酸鈣生物陶瓷目前摻雜改性的主要理論依據(jù)和研究成果。

2)設(shè)計一套完整的實驗方案，以討論氧化釔加入的方法及整個實驗過程。先選擇實驗方法以及實驗儀器，再選擇并確定反應(yīng)后物相和分析元素擴散情況的測試設(shè)備。

3)實驗方案確定后，進行試探性實驗，以確定選擇氧化釔加入的方式、燒結(jié)實驗所選用的爐子類型、粉末混合方式和壓制方法、氧化釔的選用量以及燒結(jié)溫度和保溫時間。通過試探性實驗后，采用不銹鋼模具進行水化壓制成形，合成CPC的前驅(qū)體，采用與磷酸四鈣CaHPO4·2H2O，Y2O3的摻雜量分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%，燒結(jié)溫度為460 ℃，保溫時間為120 min，選用管式爐進行燒結(jié)。

4)采用 X 射線衍射分析(XRD)進行物相檢測。

5)試樣的橫截面形貌和元素的擴散情況采用掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)進行表征。

6)結(jié)合物相分析、橫截面形貌以及能譜分析結(jié)果，確定摻雜氧化釔的最佳含量，由此分析摻雜氧化釔對水化合成磷酸鈣骨水泥性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗所用藥品

主要實驗所用藥品見表1。

表1 實驗所用藥品

續(xù)表1

1.2 實驗所用儀器

實驗所用主要儀器見表2。

表2 實驗所用儀器

1.3 實驗方法

磷酸鈣骨水泥又稱羥基磷灰石，羥基磷灰石粉體材料的合成方法主要有干法(固相反應(yīng))、水熱法、濕法(包括液相合成法，溶膠-凝膠法等)。本實驗所用的方法主要是共沉淀法和固相法。

1.4 實驗過程

1)先稱量43 g的硝酸鈣(Ca(NO3)2·4H2O和1 g氯化鎂(MgCl2·6H2O)，分別加入(0、0.5%、1%、1.5%、2%)氧化釔，混合后放入500 mL的燒杯中，向燒杯中加入500 mL去離子水，放在磁力攪拌機上攪拌均勻，設(shè)為A料，放置備用；

2)稱量55 g的磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)、50 g氫氧化鈉(NaOH)、2 g碳酸氫鈉(NaHCO3)、2 g焦磷酸鈉，把稱量好的藥品放入2 000 mL的燒杯中，向燒杯中加入1 300 mL去離子水，用磁力攪拌機攪拌均勻，設(shè)為B料，放置備用；

3)先稱量B料，攪拌溶解，再稱量A料，溶于燒杯中，A料以200 mL/min的速度倒入B中，攪拌30 min。靜置使其沉淀，沉淀取出后在50 ℃的干燥箱中干燥，干燥后取出，放入研缽中研磨成細粉，放置備用；

4)把細粉放入坩堝中，在120～200 min升溫到460 ℃，在460 ℃保溫120 min，然后自然冷卻，取出備用；

5)把制備好ACP與二水磷酸氫鈣以質(zhì)量比1∶1混合，以固液比為5∶1的比例加入去離子水，調(diào)和均勻，放入不銹鋼模具中，室溫下自然固化。

1.5 工藝流程圖

1.5.1 磷酸四鈣的制備

圖1磷酸四鈣制備工藝流程圖

1.5.2 無水磷酸氫鈣的制備

圖2無水磷酸氫鈣制備工藝流程圖

1.5.3 CPC粉末的制備

圖3CPC粉末制備的工藝流程圖

1.5.4 CPC固化體制備

圖4CPC固化體制備工藝流程圖

1.6 實驗檢測方法

1.6.1 凝結(jié)時間的測定

將CPC粉末和固化液按液固質(zhì)量比(L/P)=0.2的比例均勻調(diào)和，在室溫的環(huán)境中逐漸固化；將維氏針(質(zhì)量為300 g，針端直徑為1 mm、長為50 mm)垂直放在骨水泥表面，并停留5 s，每隔30 s重復(fù)一次；在骨水泥接近初凝時，每隔10 s重復(fù)一次，直至針頭不能在骨水泥表面留下圓形痕跡。從開始計時到式樣表面留下一個不超過3 mm深的痕跡的這段時間即為凝結(jié)時間。

1.6.2 可注射性的測試

注射率是從注射器中擠出的CPC漿體質(zhì)量占注射前注射中CPC漿體總質(zhì)量的百分比。采用體積為10 mL的注射器，先稱量注射器，再將骨水泥混合后置于注射器中，再稱量注射器和骨水泥總質(zhì)量，2 min后以恒定速率15 mm/min擠出CPC漿體，待到注射不出時停止，稱量剩下漿體和注射器的總質(zhì)量。

1.6.3 X射線衍射分析和原子能譜分析

X射線衍射(XRD)是固質(zhì)體物結(jié)構(gòu)分析的重要工具。將壓碎的固化體粉末在研缽中研磨，干燥后，進行X射線衍射分析和原子能譜分析。

1.6.4 掃描電鏡進行材料表面的形貌分析

掃描電鏡(SEM)主要是用來觀察材料的形貌特征和表面特征。將材料的端面進行表面鍍膜噴金處理后進行掃描電鏡觀察其表面形貌。

1.7 CPC固化體的制備

稱量2 g無定形磷酸四鈣和2 g二水磷酸氫鈣置于研缽中混合均勻。以固液比5∶1的比例加入去離子水在研缽中混合均勻，得到糊狀混合物，迅速填入不銹鋼模具(內(nèi)徑為6 mm，高度為15 mm)中，用力壓實，5 min后從模具中取出，放在空氣中干燥。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 凝結(jié)時間分析

表3為釔羥基磷灰石(不同固化液)的凝結(jié)時間測定值。

圖5為氧化釔含量-凝結(jié)時間圖，橫坐標為氧化釔的質(zhì)量百分含量，縱坐標為凝結(jié)時間值。其中T1、T2代表水為固化液時CPC的初、終凝結(jié)時間。T3、T4代表殼聚糖溶液為固化液時CPC的初、終凝結(jié)時間。

圖5 氧化釔百分含量對凝結(jié)時間的影響

從圖5可以看出，隨著氧化釔含量的增加，凝結(jié)時間值T1、T2、T3、T4都總體是呈上升趨勢。分別用相同的水和殼聚糖溶液作固化液時，用水的凝結(jié)時間比用殼聚糖溶液的時間短，可能是因為當骨水泥中加入相同體積的固化液時，殼聚糖溶液比水粘稠，要使骨水泥粉末達到相同水化程度要比水加的少一些，殼聚糖溶液過量，所以才使磷酸鈣骨水泥的凝結(jié)時間變長[19～22]。當氧化釔含量>0.5%時，骨水泥的凝結(jié)時間沒有明顯的變化，同時磷酸鈣骨水泥的凝結(jié)時間>45 min，明顯超出了臨床可操作時間范圍。可能是因為釔離子的加入抑制了磷酸鈣骨水泥的水化反應(yīng)，使得凝結(jié)時間變長[23]。雖然本實驗磷酸鈣骨水泥的凝結(jié)時間超出了范圍，但也可以更加方便地應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。在應(yīng)用時先配制出磷酸鈣骨水泥粉末，用真空包裝保存起來，可以隨時取出應(yīng)用。

2.2 可注射性分析

表4與表5分別是磷酸鈣骨水泥中加入水和殼聚糖溶液(固液比為0.2 mL/g)配制的骨水泥漿體在室溫下測定的注射率值。

表4 磷酸鈣骨水泥的注射率(0.8 mL去離子水)

表5 磷酸鈣骨水泥的注射率(0.8 mL殼聚糖溶液)

圖6為氧化釔質(zhì)量百分含量-注射率圖。1代表水為固化液時磷酸鈣骨水泥的注射率，2代表殼聚糖溶液為固化液時磷酸鈣骨水泥的注釋率。

從圖6可以看出，2的注射率大于1的。當骨水泥中加入相同體積的固化液時，殼聚糖溶液比水粘稠，要使骨水泥粉末達到相同水化程度要比水加的少一些，殼聚糖溶液過量，使得加入殼聚糖溶液的骨水泥的注射性比水的大。從圖6中還可以看出骨水泥漿體可注射性都有所提高，并隨著氧化釔含量增大而增大。當Y2O3含量在1.5%時殼聚糖溶液的骨水泥漿體的可注射性明顯大于水的骨水泥的可注射性。當Y2O3含量在2%時，骨水泥漿體的可注射性都有所降低，可能是因為Y2O3含量過大導(dǎo)致水化反應(yīng)變慢，注射出去的大部分都是水。

圖6 氧化釔含量對注射率的影響

2.3 X射線衍射分析

圖7、圖8是固相合成的羥基磷灰石與摻釔的羥基磷灰石對比的XRD圖譜，同時也存在少量其它雜質(zhì)的譜線。2個圖是干燥后的純a-CPC、b-0.5%Y2O3的CPC、 c-1%Y2O3的CPC、d-1%Y2O3的CPC、e-1.5%Y2O3的CPC粉末的X射線衍射圖譜。a、b、c是水作為固化液時固化體的圖譜，d、e是殼聚糖溶液為固化液時固化體的圖譜。通過分析可以發(fā)現(xiàn)5種產(chǎn)物的圖譜中的衍射峰都與羥基磷灰石的衍射峰相符，說明通過上述方案制備的樣品都為羥基磷灰石。圖7與圖8中的1代表羥基磷灰石，2代表磷酸氫鈣。

圖7 0%、0.5%、1%Y2O3固化體(固化液為水)的XRD圖

圖80%、1%、1.5%Y2O3固化體(固化液為殼聚糖)的XRD圖

由圖7、圖8可以看出，在骨水泥固化體中，HA的特征衍射峰具有較高強度而加入釔離子的特征衍射峰較弱，說明固化體粉末中HAP晶相占有很大的比例，同時還含有少量未反應(yīng)的DCPA晶相，這證實ACP、DCPA、Y2O3系統(tǒng)確實具有水化和凝固，并逐漸向HA轉(zhuǎn)變的特性，說明3種物質(zhì)反應(yīng)可以生成羥基磷灰石[24～25]。

2.4 掃描電鏡分析

圖9、圖10、圖11、圖12的CPC固化體的微結(jié)構(gòu)是由固相體和空隙組成。孔隙主要有CO2伴生的氣孔形成的大孔和漿體水化空間形成的毛細孔。在高放大倍數(shù)下CPC樣品表現(xiàn)為無定形態(tài)，但在低放大倍數(shù)下觀察，無定形物質(zhì)是由針狀或棒狀結(jié)晶組成，針狀晶是CPC的水化產(chǎn)物HA也是水化導(dǎo)致顆粒間相互粘結(jié)的主要原因[26]。CPC主要由細小的針狀晶和融合成棒狀的棒狀晶組成，在孔隙區(qū)域形成的針狀晶體一般生長較快并且相互纏繞，呈放射狀[27]。

圖9與圖10相比較可以看出，晶粒之間的孔隙變大了，由緊密的結(jié)晶形態(tài)變成棒狀或柱狀的結(jié)晶；圖9與圖11相比較，結(jié)晶形態(tài)沒有發(fā)生太大的變化，但晶粒之間的孔隙變小了；圖9與12比較，結(jié)晶形態(tài)由緊密型變成了松散型，孔隙變大。

圖9 含0%Y2O3骨水泥固化體不同放大倍數(shù)的SEM圖

圖10 含0.5%Y2O3骨水泥固化體不同放大倍數(shù)的SEM圖

圖11 含1%Y2O3固化體不同放大倍數(shù)的SEM圖

從以上研究可以看出，在骨水泥中加入不同量的釔，改變了骨水泥的結(jié)晶形態(tài)，使晶粒之間的孔隙變大，經(jīng)稀土釔改性后的骨水泥的水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和形態(tài)具有優(yōu)異的生物性能；微觀上低結(jié)晶度的數(shù)百納米的羥基磷灰石針狀結(jié)晶和宏觀無定形磷灰石區(qū)域的存在促進了骨水泥材料在生理系統(tǒng)中的可降解性，而骨水泥的多孔性能使細胞滲透并進入材料內(nèi)以及物質(zhì)擴散到基質(zhì)內(nèi)部和由基質(zhì)內(nèi)部擴散出來均較容易[29]。我們通過掃描電子顯微鏡觀察的CPC固化體的結(jié)構(gòu)與形態(tài)是在微區(qū)中觀察到的，沒有代表性。

2.5 原子能譜分析

圖13為含0.5%Y2O3羥基磷灰石的原子能譜圖。

圖12 含1%Y2O3固化體不同放大倍數(shù)的SEM圖(殼聚糖溶液)

圖13 含0.5%Y2O3羥基磷灰石的原子能譜圖

從圖13可以計算出鈣/磷原子比為0.88，這明顯小于正常的鈣/磷比1.67。從圖13還可以看出，鈉的含量比較高，本應(yīng)該沒有鈉離子的或少到忽略不計，鈉離子出現(xiàn)異常。這可能是因為在反應(yīng)過程中有反應(yīng)物沒有反應(yīng)完全或是沉淀沒有清洗干凈，雜質(zhì)太多。從圖13還可以看出,釔的含量為0，可能是因為釔的摻入量非常少，沒有檢測出來。

2.6 孔隙率

表6為CPC固化體的密度值。

表6 Y2O3百分含量對CPC固化體的密度的影響

續(xù)表6

表7為水和殼聚糖溶液作為固化液時羥基磷灰石的密度。

表7 Y2O3百分含量對孔隙率的影響

續(xù)表7

圖14是氧化釔百分含量-孔隙率圖(p1代表水為固化液測得的孔隙率，p2代表殼聚糖溶液為固化液的孔隙率)。

圖14 Y2O3百分含量對孔隙率的影響圖

通過Ptotal=(dHA-dmeasured)/dHA公式和dHA=3.14 g/cm-3來計算孔隙率，如表7所示。

從圖14可以看出，用水作為固化液比用殼聚糖溶液作固化液的孔隙率小，這就導(dǎo)致了羥基磷灰石的強度不同，用水做固化液的比較大。從圖14可以看出，兩條線都是先增大后減小再增大。在0.5%Y2O3百分含量時出現(xiàn)孔隙率的最大值，在1%Y2O3百分含量時出現(xiàn)孔隙率的最小值。總體上來說，孔隙率是變大的，可能是應(yīng)為釔離子的加入，直接導(dǎo)致了晶體之間的聯(lián)系不在緊密，使得孔隙的增加[30]。通過SEM圖也可以看出，無氧化釔到0.5%時，孔隙率變大了，再到1%時，孔隙率又變小，這正與圖14相符，說明計算出的孔隙率比較準確。釔離子的加入使得孔隙增加，這使得磷酸鈣骨水泥具有優(yōu)異的生物相容性和生物活性，更有利于磷酸鈣骨水泥的降解[31]。

3 結(jié)論

筆者利用硝酸鈣、氯化鎂、氧化釔、磷酸氫二鈉、氫氧化鈉、碳酸氫鈉、焦磷酸鈉為原料先制得磷酸四鈣(ACP)，再用制得的ACP與DCPA按質(zhì)量比1∶1混合得到CPC粉末。將制得的CPC粉末以固液比5∶1,加入去離子水，在空氣中干燥后得到CPC粉末的固化體，即釔羥基磷灰石。對所得到產(chǎn)物進行分析，得到如下結(jié)論：

1)隨著Y2O3含量的增大，凝結(jié)時間逐漸增大；

2)隨著Y2O3含量的增大，可注射性變大；

3)通過XRD分析，驗證了利用自制含釔離子的磷酸四鈣(TTCP)、二水磷酸氫鈣(DCPD)可以生成羥基磷灰石；

4)通過SEM分析，CPC水化產(chǎn)物為片狀或針狀HA相互交錯呈連續(xù)分布的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于材料強度的提高，同時材料有孔隙存在；

5)隨著Y2O3含量的增大，孔隙率先變大再變小再變大；

6)通過原子能譜分析得到了鈣/磷原子比為0.88，可能是原料中磷酸氫鈣沒有反應(yīng)完全；出現(xiàn)了鈉離子異常增多，可能是因為固化體中含有磷酸氫鈉。

綜上所述，制備的CPC固化體(水為固化液)中氧化釔含量在0.5%時凝結(jié)時間最佳，初凝時間為27 min、終凝時間為70 min；用水為固化液的CPC粉末的可注射性為30%左右，用殼聚糖溶液為固化液的可注射性為40%左右。從衍射峰中可以看出，出現(xiàn)了異常的衍射峰，可能是在生成的羥基磷灰石中含有雜質(zhì)磷酸氫鈣和磷酸氫鈉。孔隙率為40%左右，這些孔隙的存在使得固化體的密度減小但有利于液相的滲入，使水化反應(yīng)充分進行，最終使得CPC固體粉末轉(zhuǎn)化為HA。孔隙率大有利于CPC固化體的降解性能的提高。