硅灰石复合磷酸盐骨水泥的制备及其性能研究硕士学位论文.pdf

分类号： 密 级： r318.04 内部 单位代码： 学 号： 10152 2005080502009 （2005016） 大 连 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 硕 士 学 位 论 文 中文题目：硅灰石复合磷酸盐骨水泥的制备及其性能研究 英文题目：the study on the preparation and properties of calcium silicate-phosphate composite bone cements 二级学院： 化工与材料学院 学科、 专业：材料学 研 究 生： 李诺 指导教师： 王志强 教授 2008 年 4 月 关于硕士学位论文使用授权的说明关于硕士学位论文使用授权的说明 论文题目：论文题目： 本学位论文作者完全了解大连工业大学有关保留、使用学位论文的规 定，大连轻工业学院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 是否保密（ ） ，保密期至 年 月 日为止。 学生签名： 导师签名： 摘 要 i 摘 要 磷酸钙骨水泥（cpc） ，是一种新型的人工骨替代材料。cpc 由粉剂和调和液组成， 当粉剂和液剂调和成浆体后可在室温下自行固化， 最后转变成与人体硬组织的结构和成 分相似的羟基磷灰石（ha） 。由于其具有良好的生物相容性和任意塑形的特点，解决了 生物陶瓷成型差的缺点， 从而受到国内外生物材料研究者和外科医生的关注。 但是， cpc 因其强度低而在临床应用上受到了一定的限制，因此，如何提高磷酸钙骨水泥的强度是 目前许多学者研究的重要课题。 本论文以氧化钙和二氧化硅为主要原料，采用熔融析晶法合成了硅灰石，并采用不 同的粉碎方法对硅灰石进行粉碎，对粉碎工艺进行优化。以磷酸四钙、-磷酸三钙、磷 酸氢钙、碳酸钙、羟基磷灰石和焦磷酸钙为原料，配制了钙磷比为 1.50 磷酸钙骨水泥基 础配方，并在此基础上添加不同量的针状硅灰石粉体，研究其加入量对磷酸钙骨水泥性 能的影响。 通过差热分析、xrd、sem 和光学显微镜方法对硅灰石的晶化条件、晶相组成和 微观形貌进行了分析。研究不同粉碎方式对硅灰石长径比的影响。实验结果表明：熔融 析晶法合成的硅灰石其主晶相为-casio3。对于不同粉碎方式，经气流磨粉碎后的硅 灰石主要为针柱状结构，而介质搅拌磨破坏了硅灰石原有的针状结构，不适合生产大长 径比的硅灰石。 利用 gilmore 针法测定骨水泥的初凝时间和终凝时间；用 phs-25 数显 ph 计测定 ringers 模拟液溶液的 ph 值；用微机控制电子万能试验机测定抗压强度；分别用 x 射 线衍射仪（d/max-iiia 型）和扫描电子显微镜（s-250mk ii 型）对样品的物相和显微 结构进行分析与观察。 实验结果表明：在磷酸钙骨水泥中添加针状硅灰石可以缩短凝结时间，提高抗压 强度。 当骨水泥中添加 3的针状硅灰石， 其性能达到最佳。 其初、 终凝时间分别为 14min 和 28min，样品在 ringers 模拟液溶液中浸泡两周后抗压强度为 49.23 mpa，同时浸泡 溶液的 ph 值变化幅度小（在 7.37.8 之间） ，接近中性；通过 xrd 和 sem 测试结果表 明：适量的针状硅灰石促进针状羟基磷灰石的形成，使骨水泥结构更为紧密，从而提高 骨水泥固化体的抗压强度。 摘 要 ii 关键词：磷酸钙骨水泥；模拟液浸泡；针状硅灰石；焦磷酸钙；抗压强度 abstract iii abstract calcium phosphate cement(cpc) is one of new type of artificial bone substitute materials. cpc are composed of powders and liguid. after mixing the cement powders with liquid, it will self-set at room temperature and form needle-shaped hydroxyapatite(ha) which chemical component and structure are similar to the mineral phase of hard tissue.cpc is attractive in a broad range of clinical application for repairing bone defects by the virtue of high biocompatibility and self-setting capability. however, cpc are restricted in clinical practice for its low strength. so its an important researching topic for many researchers that how to enhance the strength of the calcium phosphate cement. in this thesis, needle-shaped wollatonite powders were synthesized by melt-crystallization route using calcium oxide and silicon dioxide as raw materials. comminution methods of the wollastonite powders were researched. tetracalcium phosphate (ttcp)、 -tricalcium phosphate ( -tcp)、 dicalcium phosphate dihydrate (dcpd)、 calcium carbonate (caco3)、 hydroxyapatite (ha) and calcium pyrophosphate (cpp) were chosen as compositions of phosphate bone cement (cpc) and the ca/p ration of the bone cement were decided as 1.50. the different amount of needle-shaped wollastonite synthesized by melting-crystallization route was added in the basic bone cements and the primary properties of them were studied. the crystallization conditions, crystalline phases and microstructure of wollastonite powders had been studied by means of dta, xrd, sem and optical microscope. the effects on the length-diameter ratio of the different equipments for preparation of needle-shaped wollastonite powders were discussed. the results show that the main crystalline phase of synthesized wollastonite is-casio3. compared with different crush methods, the product by jet mill has remarkable excellent needle-shaped structure and larger-length diameter ratio, medium agitating mill can destroy the needle crystal structure of wollastonite. the initial setting time (it) and the final setting time (ft) of bone cements were tested by gilmore double-needle method. the changes of ph value in ringers solution were determined by phs-25 acidometer. the compressive strength of the samples was tested by a abstract iv microcomputer controlled poly-function tester. the phase transition and microstructure of bone cements is studied by xray diffraction instrument and scanning electron microscope respectively. the results show that the needle-shaped wollastonite can accelerate the setting of the cpc and increase the compressive strength. the properties of bone cement reach the best when the addition amount of needle-shaped wollastonite is 3%. the initial setting time is 14min and the final setting time is 28min. the compressive strength of bone cement reaches 49.23mpa. the ph value of solution changed in the region of 7.37.8 which was close to neutrality. the results of xrd and sem show that the prorer quantity of needle-shaped wollastonite can accelerat the formation of ha , and the structure of bone cement is more impact, consequently the strength of bone cement can be increased. key words: calcium phosphate bone cement, simulated body fluid immersion, natively wollastonite, calcium pyrophosphate, compressive strength 目 录 v 目 录 第一章 引言1 第二章 文献综述3 2.1 生物医用材料的发展3 2.1.1 生物医用材料的意义3 2.1.2 生物医用材料的种类4 2.1.2.1 金属硬组织修复材料4 2.1.2.2 高分子硬组织修复材料4 2.1.2.3 陶瓷硬组织修复材料5 2.2 骨水泥的发展6 2.2.1 pmma 骨水泥6 2.2.2 玻璃基骨水泥6 2.2.3 磷酸钙骨水泥7 2.3 磷酸钙骨水泥的特性9 2.3.1 磷酸钙骨水泥的理化特性9 2.3.2 磷酸钙骨水泥的生物学特性10 2.3.3 对 cpc 的改性研究11 2.3.3.1 优化磷酸钙骨水泥的制备条件11 2.3.3.2 添加羟基磷灰石晶种11 2.3.3.3 添加无机离子12 2.3.3.4 与有机物或生物活性物质复合12 2.4 磷酸钙骨水泥固化机理的研究13 2.5 磷酸钙骨水泥的应用15 2.5.1 修复骨缺损及骨折的治疗15 2.5.2 作为药物或生物因子载体的临床应用16 2.5.3 在骨折固定术中辅助加固16 2.5.4 口腔医学临床应用17 2.6 硅灰石的特性及其在生物医学领域的应用17 目 录 vi 2.6.1 硅灰石的特性17 2.6.2 硅灰石的增韧机理18 2.6.3 硅灰石在生物医学领域的应用18 2.7 本论文的主要研究内容19 第三章 实验部分21 3.1 实验原料及仪器设备21 3.2 实验过程22 3.2.1 原料的制备22 3.2.1.1 羟基磷灰石的制备22 3.2.1.2 -磷酸三钙的制备23 3.2.1.3 磷酸四钙的制备23 3.2.1.4 焦磷酸钙的制备23 3.2.1.5 针状硅灰石的制备23 3.2.1.6 硅灰石的粉碎24 3.2.1.7 调和液的选择24 3.2.2 骨水泥的制备25 3.2.3 模拟体液浸泡实验25 3.3 性能测试26 3.3.1 粉体的性能测试26 3.3.2 差热分析26 3.3.3 磷酸钙骨水泥的性能测试27 3.3.3.1 凝结时间的测定27 3.3.3.2 模拟体液 ph 值的测定27 3.3.3.3 骨水泥抗压强度的测试27 3.3.3.4 物相和显微结构分析28 第四章 结果与讨论29 4.1 原料的表征29 4.1.1 磷酸盐原料的物相分析29 4.1.1.1 -磷酸三钙29 4.1.1.2 羟基磷灰石29 4.1.1.3 磷酸四钙31 目 录 vii 4.1.1.4 焦磷酸钙32 4.1.2 硅灰石晶化制度确定及其表征32 4.1.2.1 玻璃的特征温度33 4.1.2.2 晶化后样品的物相分析33 4.1.2.3 不同方法粉碎的硅灰石的显微形貌35 4.2 ttcp-cpp 骨水泥固化过程中的相变及显微结构36 4.2.1 骨水泥的凝结时间36 4.2.2模拟体液的ph值变化36 4.2.3 抗压强度37 4.2.4 骨水泥固化过程的相变38 4.2.5 骨水泥显微结构分析39 4.3 ttcp-tcp-dcpd 骨水泥固化过程中的相变及显微结构40 4.3.1 骨水泥的凝结时间40 4.3.2模拟体液的ph值变化40 4.3.3 抗压强度随浸泡时间变化42 4.3.4 骨水泥固化过程分析43 4.3.5 骨水泥显微结构分析44 第五章 结论48 参考文献49 致谢53 第一章 引言 1 第一章 引言 第一章 引言 生物材料实际上是一类与人类的生命和健康密切相关的功能材料， 用以和生物系统 结合，以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进起功能。 骨修复材料是指替补、修复人体硬组织的生物材料，广泛应用于骨外科、整型外科 及牙科领域。世界上的骨缺损病人很多，仅我国每年就有骨缺损和骨损伤者近三百万， 而我国牙缺损、牙缺失患者人数更是达到总人口的1/5-1/3，牙科材料需求巨大，但70% 的制品依赖进口，医疗保健的巨大压力与我国生物材料产业的薄弱基础形成了尖锐矛 盾。 作为生物材料的一种，理想的骨修复生物材料应具备以下条件：促进骨诱导和骨形 成活性；良好的生物相容性和完全的生物降解性；有足够的力学性能和良好的生物机械 适应性；在体内化学性能稳定。研制理想的骨修复材料是骨科、颌面外科等领域努力探 索的热点课题之一。 磷酸钙骨水泥（calcium phosphate cement,cpc）的出现，拓展了骨修复材料制备与 成型方法。其主要特点是：对软、硬组织有良好的生物相容性和生物活性；起始的糊状 物可以经预固化成型、注射等多种方式使用；制备过程条件温和、简便；固化产物有较 大的比表面积，可用于药物控制释放等。 抗压强度是衡量 cpc 在体内硬化后抗负载能力的指标，其大小直接影响 cpc 材料 的应用。磷酸钙骨水泥是一种较理想的替代材料，强度是目前制约磷酸钙骨水泥应用范 围的主要因素。提高 cpc 的抗压强度，是研究者们的重要考察目标。 实验证明，硅灰石(wollastonite，分子式casio3)具有良好的生物相容性和很高的生 物活性。而且在模拟体液中，casio3陶瓷表面羟基磷灰石的形成速度比其它生物玻璃和 玻璃陶瓷表面形成的速度更快，近几年来，人们对它的生物活性给予了很大的关注，并 试图将其用于生物材料领域。目前，利用硅灰石对尼龙树脂进行复合的研究较多，常将 硅灰石单独或和玻璃纤维配合使用，以期尽可能保持尼龙树脂的强度，或代替价格较高 的玻璃纤维降低材料成本。 另外， 硅灰石/聚合物等复合材料不仅呈现出很好的机械性能， 而且也表现出了非常高的生物活性。 因此，本论文以磷酸四钙、-磷酸三钙、磷酸氢钙、焦磷酸钙和碳酸钙为原料， 确定了钙磷比为 1.50 的磷酸钙盐骨水泥基础配方， 在基础配方中添加不同量 （0%， 3%， 第一章 引言 2 5%，7%）的针状硅灰石，测定其初终凝时间、抗压强度、ph 值变化等情况，研究针状 硅灰石的加入量对 cpc 骨水泥性能的影响。 第二章 文献综述 3 第二章 文献综述 2.1 生物医用材料的发展 2.1.1 生物医用材料的意义 生物医用材料（biomedical material）是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换 其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料1.2。 生物医用材料的研究与开发对国民经济和社会的发展具有十分重要的意义。近年 来，生物医用材料的研究与开发取得了令人瞩目的成就，使得数以百万计的患者获得康 复，大大提高了人类的生命质量。随着科学技术的发展和人口老龄化，中青年创伤的增 多、疑难病患者的增加，以及工业、交通、体育等导致的创伤增加，人们对生物医用材 料及其制品的需求越来越大。南开大学俞耀庭教授认为，人口老龄化进程的加速和人类 对健康与长寿的追求，激发了对生物材料的需求。 近年来，高技术生物材料及制品产业已经形成并正在蓬勃发展，其市场销售额在近 10 年世界经济衰退阴影下仍以年平均 12%15%的速率稳步增长，国际生物医用材料产 业的产值已超过 800 亿美元。根据 oecd 统计，到 2010 年全球生物医用材料产业的市 场销售额将达到 4000 亿美元。近 30 年来，不锈钢、钴基合金和钛合金等金属，氧化铝、 磷酸钙和生物玻璃等陶瓷，聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡胶、聚乳酸和胶原等高分子先后被 应用于临床，由此构成了现代生物医用材料的 3 个主要分支。但由于医用金属及合金材 料在耐腐蚀、性能、加工方面的缺陷，在近年来使用量已下降 15%，而陶瓷、复合材料 和天然材料的使用量在不断上升。 随着生物技术、医药技术、信息技术、制造技术、纳米技术和材料科学技术的迅猛 发展与交互融合，新型和新概念生物医用材料层出不穷。药物控制释放材料、组织工程 材料、纳米生物材料、生物活性材料、介入诊断和治疗材料、可降解和吸收生物材料、 新型人造器官等代表了新的发展趋势和方向。 就生物材料产业这种发展态势及日后社会发展来看， 生物材料可与五六十年代的汽 车、半导体工业，七八十年代的电子、计算机工业在世界经济中的重要作用相比拟，这 给各国的产业结构调整提供了一个机遇3。 第二章 文献综述 4 2000 年， 全球生物材料及其制品销售额达 1000 亿美元， 其中硬组织生物材料占 1/5。 我国骨缺损患者近 300 万，牙缺损患者人数达总人数的 1/3 到 1/5.以人工关节为例，目 前国内人工关节置换手术 35000 例/年，年销售额 2.5 亿人民币/年。随着经济的稳定发 展、健康观念的更新进步，关节置换率将以每年约 15%20%的速率递增。可见，硬组 织替代材料有一个巨大的市场。 人工骨修复生物材料能够代替或修复人体骨组织和实现 骨再生功能，对它的研究和开发是全球性的问题，也是生物材料研究中一个非常活跃的 领域。 2.1.2 生物医用材料的种类 生物医用材料的分类有很多种，如：根据在活体组织与材料的相互作用方式，可将 材料分为生物惰性材料、生物活性材料和生物可降解吸收材料。根据材料的性质可将生 物医学材料分为生物医用金属材料、生物医用高分子材料、生物医用无机材料和生物医 用复合材料等4。 2.1.2.1 金属硬组织修复材料 生物医用金属材料是最常用的骨替换材料之一，主要用于整形外科和牙科领域。 医用金属材料常作为受力器件植入体内，如人工关节、人工椎体、骨折内固定钢板、骨 钉、牙种植体等。金属骨替换材料主要种类有不锈钢（铁基） 、钴基合金和钛基材料。 其中钛及其合金具有优良的机械性能和良好的生物相容性。得到最为广泛的应用。金属 材料强度好、抗压和抗疲劳性能高、易于加工，但是这类材料易析出金属离子，从而使 材料周围的机体组织坏死。 2.1.2.2 高分子硬组织修复材料 该类材料分为合成高分子材料和天然高分子材料。合成高分子材料主要包括聚乳 酸、聚羟基乙酸、聚羟基丁酸、聚枪击戊酸及聚乳酸与聚羟基乙酸共聚物等，并可通过 选择不同合成方式和成型工艺，调整聚合物分子量、分子量分布，控制其力学性能和降 解速度，但其存在细胞亲和性差、致炎症反应等问题。zhao5等通过共聚反应合成了羟 基丁酸和乙二醇嵌段共聚物，显著改善了聚羟基丁酸均聚物的韧性和亲水性。天然高分 子材料主要包括胶原、明胶、纤维蛋白。海藻酸钙、甲壳素及其衍生物等，该类材料特 点是生物相容性好，利于细胞粘附、增殖和分化，缺点是缺乏必要的机械强度。明胶具 有良好的生物相容性及可降解性。ponticiello6-8等人的研究显示明胶可作为骨髓基质细 第二章 文献综述 5 胞。软骨细胞或生长因子的载体，进行细胞移植，促进骨折愈合及骨缺损的修复。 scotchford9等研究发现 i 型胶原是骨中最主要的结构蛋白，它占骨干重的 30%，占骨中 有机相成分的 90%-95%。mizuno10等将 i 型胶原用作骨髓基质细胞的培养基质，发现 骨髓基质细胞可定向分化为成骨细胞，最终形成含骨骨髓成分的新生骨组织。labiji11 等研究发现壳聚糖与成骨细胞和软骨细胞分别混合培养， 成骨细胞和软骨细胞均能保持 其在机体内的球形或圆形正常形态。 高分子材料在人工关节方面的应用亦较多。近年来，人工关节大多是以不锈钢、钛 合金、陶瓷等高强度材料制作，以高分子材料为臼配合而成。但是如果聚合物降解为单 体，导致慢性感染或整体反应，会发生排斥反应、炎症；而且它们与骨组织之间的结合 不牢固，有一定活性度，从而使结合界面损坏。 有机骨水泥是一类传统的骨用粘合剂， 1940 年已用于脑外科手术， 几十年来一直受 到医学界和化学届重视。骨水泥由单体、聚合物微粒（150200m） 、阻聚剂、促进剂 等组成。骨水泥在临床应用中存在聚合热、单体毒性、组织反应等问题，因此研究者正 致力于发展新型有机骨水泥。 2.1.2.3 陶瓷硬组织修复材料 生物陶瓷是生物医用材料的重要组成部分， 在人体硬组织的缺损修复及重建已丧失 生理功能的组织部位方面起着重要的作用。 主要有氧化铝、 磷酸三钙、 羟基磷灰石 （ha） 、 生物活性玻璃等。ha 是哺乳动物体内硬组织的主要无机成分。上世纪 70 年代初日本的 青木秀希和美国的 jarcho 首次人工合成出 ha，从此其作为硬组织修复材料一直是骨修 复生物医用材料研究领域的热门课题。人工合成的 ha 能与骨组织紧密接触，具有良好 的骨传导性，并对新骨生长具有一定的诱导作用。氧化铝陶瓷是一种稳定的六方晶体结 构，其强度硬度都很高，具有较好的耐磨性、抗压缩性能和抗腐蚀性能。磷酸钙陶瓷可 生物讲解，具有一定的骨传导性能。 然而， 陶瓷材料用于骨组织修复还存在一些不足， 如物理机械性能不理想、 脆性大、 不易被吸收、骨诱导作用弱等，从而大大局限了其应用范围。将该类无机材料与高分子 材料或其它材料的复合用于制备人工骨，效果更好，也是今后该领域研究的重点12。 许多研究表明：将不同的磷酸钙盐混合在一起可以发生水化硬化反应。这是由于各 种磷酸钙盐的溶解度存在差异，在 ph4.2 的范围内，ha 的溶解度最小，其它磷酸钙 倾向于溶解，并产生 ha 沉淀，从而转变为热力学最稳定的 ha 相。按照这种机理人们 研究制备了磷酸钙骨水泥。 第二章 文献综述 6 2.2 骨水泥的发展 2.2.1 pmma骨水泥 1928 年，德国首先合成聚甲基丙烯酸甲酯，1930 年又发现该材料的单体与聚合体 在室温下能自行固化，而后成为牙科材料、牙托粉和牙托水，至今仍用于口腔科。 聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥主要有以下特点：由聚合粉剂和单体液体两部分组成。粉 剂主要成分为甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物（mma/s）及适量的引发剂过氧化二苯钾 酰（bpo）组成。粉末无气味，性能稳定。液体为甲基丙烯酸甲酯单体（mma） ，加入 适量的促进剂 n,n-二甲基甲苯胺（dmpt） 。甲基丙烯酸甲酯单体为无色液体，有刺鼻 的气味，具有易挥发性、易燃烧性、亲脂性并有细胞毒性，在一定条件下能自行聚合固 化成聚合体。聚甲基丙烯酸甲酯主要具有生物惰性和生物相容性，从而保证了骨水泥的 生物医学性能。 缺点：单体(mma)在聚化时由于碳键破裂放出热能，聚化时骨水泥中心温度为 100-110，与骨相接的界面处，最低温度也在 60以上，这会使骨水泥周围组织坏 死，甚至造成周围神经损伤。聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥在骨与骨水泥之间没有粘合作 用，也无化学分子间的反应性能，仅靠聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥团期的塑型特点，在损 伤处固化镶嵌。在充填过程中骨与骨水泥之间不能沾染水和血液，否则会影响其机械性 能，另外，冷固过程 中骨水泥会产生收缩在骨水泥和骨之间留下缝隙，产生假体松动， 脱落。尽管聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥填入体内完全固化后具有生物惰性，但其单体和 其他化学成分具有毒性，仍会引起一些并发症，如低血压反应，迟发性感染，溶骨性感 染，接触性发炎13。 2.2.2 玻璃基骨水泥 玻璃基骨水泥是近十年左右才研究开发的磷酸钙生物活性材料。 与聚甲基丙烯酸甲 酯（pmma）骨水泥相比，它具有更好的生物活性、以及使用的可靠性和安全性；此外， 由于玻璃的离子活性大于晶体中的离子活性， 因而与磷酸四钙和磷酸氢钙合成的无机骨 水泥相比，更容易降低水化硬化反应的活化能，缩短固化时间。玻璃基骨水泥的基本组 成为 cao-sio2-p2o5-caf2系统的粉末玻璃， 该骨水泥能在磷酸铵调和液的作用下几分钟 之内固化，并在几周之内与生物骨形成骨性结合，并呈现出较高的抗压强度。由于玻璃 基骨水泥具有良好的生物活性和易成形等特点，克服了其它植入材料的缺点，可以预见 第二章 文献综述 7 玻璃基骨水泥的研究将会更深入，更加受到重视。但在临床上，目前生物玻璃材料还不 广泛，而且主要是被用作为牙科或骨科的填充材料，作为人工骨，尤其是长期骨缺损替 代材料的应用还不够。而作为药物或介入治疗用的载体材料、骨组织细胞支架材料等的 应用实例则更少。究其原因主要是一方面至今还存在着一些亟待解决的技术问题，例如 材料的生物力学性能。材料的可梯度降解性能和孔结构等问题，另一方面也是由于现有 的生物材料缺乏必要的仿生功能， “智能化”程度较低所致，这些问题的存在既影响了 玻璃基生物材料在临床治疗中的效果，也影响了研究成果的进一步推广和应用。因此今 后的研究方向应该是致力于进一步提高玻璃基生物材料的技术含量，从仿生原理、组织 工程、基质控制矿化的思想出发。研究和开发生物材料，以不断地满足人们对疾病治疗 的效果和治疗手段的各种要求14。 2.2.3 磷酸钙骨水泥 磷酸钙骨水泥（calcium phosphate cement,cpc）又称自固化磷酸钙，20 世纪 80 年 代中期，brown 和 chow15首先发现了磷酸钙骨水泥。磷酸钙的粉末与水或其它调和液 混合后在室温下即可凝固成型，形成具有一定强度的硬化体，从而为磷酸钙化合物在骨 缺损方面的应用开辟了新的途径。它解决了陶瓷及烧结体可塑性差，不能临时塑型，与 需修复的缺损部位难以吻合等问题，可在手术中直接塑型，大大方便了临床应用。cpc 在 1991 年已获美国食品与药物管理局（fda）批准用于临床,是一种很有应用前景的、 具有某些非常优越性能的骨填充材料。其目前已被国内外学者广泛研究，是已在临床用 于填充骨缺损的一种具有生物活性的新型的羟基磷灰石类人工骨材料。 cpc 是由固相和液相两种原料以一定的比例调合成糊状后植入体内， 在体内环境下 自行固化的骨水泥，其固相主要是磷酸四钙、磷酸三钙、二水磷酸氢钙、磷酸二氢钙等 之中的至少两种（其中一种偏酸性，另一种偏碱性） ，还可以有氮化物、半水磷酸钙等。 液相可以是蒸馏水、稀酸、血清、血液等。根据化学组成的不同，目前的 cpc 大致可 分为 2 大类，即磷酸三钙（tcp）和磷酸四钙（ttcp）系统。通过基料的配方和调和剂 的选择，加入微量元素可使制得的磷酸钙骨水泥的组成更接近于人体骨。近 20 年来磷 酸钙骨水泥的种类、性能及理论研究都获得了长足发展，但是磷酸钙骨水泥强度低、力 学性能差的问题确是由来已久，而且一直未能得到有效地的解决。因此如何提高磷酸钙 骨水泥的强度是目前许多学者致力研究的课题16。 常见的磷酸钙盐列于表 2-1。液剂即固化液，cpc 的液相主要有：柠檬酸、稀磷酸 第二章 文献综述 8 盐、稀磷酸、氨盐、生理盐水、藻酸钠、醋酸、乳酸、手术部位的血液等。液相在骨水 泥的凝结、固化反应中更重要的作用是提供反应场所，使反应物溶解，形成膏状，并向 生成物转化。 表 2-1 主要的磷酸钙盐 table 2-1 the main salt-calcium phosphate 名称 分子式 ca/p 磷酸二氢钙(monocalcium phosphate monohydrate,mcpm)ca(h2po4)h2o 0.50 无水磷酸二氢钙(monocalcium phosphate anhydrous,mcpa)ca(h2po4) 0.50 磷酸氢钙(dicalcium phosphate dihydrate,dcpd) cahpo42h2o 1.00 无水磷酸氢钙(dicalcium phosphate anhydrous,dcpa) cahpo4 1.00 磷酸八钙(octecalcium phophate,ocp) ca8h2(po4)6 1.33 -磷酸三钙(-tricalcium phosphate, -tcp) -ca3(po4)2 1.50 -磷酸三钙(-tricalcium phosphate, -tcp) -ca3(po4)2 1.50 羟基磷灰石(hydroxyapatite,ha 或 hap) ca10(po4)6(oh)2 1.67 氟磷灰石(fluorapatite,fap) ca10(po4)6f 1.67 磷酸四钙(tetracalcium phosphate,ttcp) ca4(po4)2o 2.00 焦磷酸钙（calcium pyrophosphate，cpp） ca2p2o7 1.00 常见的 cpc 品种如表 2-217所示。 表 2-2 不同磷酸钙组成的各类骨水泥 table 2-2 the bone cements of different calcium phosphate 编号 骨水泥的组成 简况 1 dcpd+ttcp dcpd+ttcp+ha 第一个 cpc 骨水泥,随 ha 含量的增加，凝固时 间由 22 分钟缩至 8 分钟 2 cao-sio2-p2o5-caf2 生物玻璃陶瓷 将生物陶瓷玻璃粉碎到平均直径为 5m 粉料，用 (nh4）2hpo4溶液调和成膏状，在室温下固化 6 分钟 3 -tcp+dcpd 用水调和成膏状，9-30 分钟内固化，反应产物为 ocp 第二章 文献综述 9 注续 4 mcpm+-tcp 用水调和成膏状，2 分钟固化；终产物为 dcpd 5 -tcp+mcpm+cao+ha 用水调和，根据组成、粒度、料/水比等变化可制得 用于牙科缺损和矫形的骨水泥 6 -tcp 为基础+mcpm+cao 用 na3po4溶液调和成膏状，10 分钟固化变硬，固 体产物为含 co32-和 na+的非化学计量的 ha，12 小 时后材料抗压强度 5.5mpa,抗张强度 2.1mpa 7 mcpm, dcpd, ttcp, -tcp, -tcp, ocp, cao, camgo2等组配成 108 个配 方 对不同的配方用水调和，进行凝结时间测定，来研 究反应物之间的反应及产物的种类 8 mcpm, dcpd, ocp,ca(oh)2, -tcp, -tcp, ttcp, sha 和 cao, mgo 为原料 组成 450 个配方 对不同配方用水调和，进行终凝时间、反应产物、 抗压强度等研究，筛选出产物分别为 dcpd,cmp,ocp 和 cdha 的四种类型骨水泥 2.3 磷酸钙骨水泥的特性 2.3.1 磷酸钙骨水泥的理化特性 (1) 自固化性 cpc 在人体生理环境下可自行固化，这是由其理化性质决定的，但是固化性能随 cpc 形成条件不同而表现出一定的差异。 cpc 粉剂与液剂调和后为膏状， 在几分钟至数 小时产生凝结且与骨直接粘结，固化体强度大小与组成有关18 ，19。 (2) 可塑形性 cpc 调和为膏状后， 可以根据要求和骨缺损部位或牙根管缺损部位形状不同而塑造 成不同的形状，固化后充填物保持特定形状，不发生形变20-22。克服了 ha 陶瓷加工难 的缺点。通过固化液的选择，可以得到 5min30min 初始硬化时间，可以有充足的时间 使之在骨缺损部位准确塑型，固化后液可以做外形的修整。 (3) 凝固时间 凝固时间，是指粉剂和液剂调和后至调和物具有一定的强度所需的时间。临床上对 凝固时间的要求与不同外科手术操作相关，如用于牙科的 cpc 要求凝结时间较短，优 第二章 文献综述 10 选的应在 5min 内，用于骨缺损修复的 cpc 应控制在 30min 以内，可以通过调节骨水泥 的配方和参数使其凝固时间符合实际手术操作的要求。 (4)力学性能 力学性能使生物医用材料的一个极其重要的指标。研究发现，cpc 的力学性能取决 于以下因素：粉剂的组成，一般应为两相或以上磷酸钙盐比单相好；液剂的组成及 浓度；液固比，液剂越少，则初始凝固时间缩短，初期抗压强度增高；微孔结构， 孔径越大，孔隙率越高，材料的强度越小，当孔隙率达到 63时，cpc 的抗压强度很 低，目前的制备工艺最低可将孔隙率降到 26-28左右23；但较小的孔径，较低的孔隙 率却不利于新骨长入；ha 晶种；颗粒大小，等量的 cpc 中磷酸盐颗粒越大，其总 表面积越小，ha 晶体的形成就越少且越慢，cpc 固化后抗压强度也就越低24；材料 固化过程中施加压力，施加压力越大，强度越高。 2.3.2 磷酸钙骨水泥的生物学特性 legeros25 将 cpc 的生物学特性总结为：相似性，与骨的化学组成相似；可吸 收性，能随时间逐渐吸收，并被宿主细胞所替代；生物活性，可以在骨的表面形成 ha，与周围的松质骨紧密、直接、突起样结合；可促进细胞的功能和表达；骨传 导作用，能提供新骨形成的支架或模板。 (1) 生物相容性 良好的生物相容性和生物学安全性是骨修复材料必备的基本条件。 人体骨的主要无 机成分 ha，而 cpc 水化产物为 hap。因此 cpc 具有良好的生物相容性和生物学安全 性。用于替换或修复的材料能与周围组织良好共存，不引起组织变性或坏死，无明显炎 性反应及排斥反应出现，无致畸变或致突变效应26。 (2) 骨引导活性 cpc 的成骨效应在于它的骨传导活性，植入体与骨组织形成骨性连接，新骨以爬行 替代的方式生长。costantino 等27将 cpc 植入猫的皮下和肌肉组织内，只有植入物吸收 而无新骨形成。植入颅骨骨膜下则有新骨形成，并伴有植入物吸收，证明 cpc 具有骨 传导性。 cpc 的水合产物是人体骨的主要无机质， cpc 中磷酸钙盐的部分降解将提供一 定的 ca+和 po43-离子，不仅利于新骨以爬行替代的方式生长，即具有骨传导活性，而且 还能促进植入体与骨组织形成骨性连接以及新骨的矿化28。 (3) 生物降解性 第二章 文献综述 11 生物降解是指材料在生理环境中逐渐衰变， 并被机体吸收、 利用或排出体外的过程， 是一个多种因素共同作用的复杂过程，含物理作用和化学作用29。 cpc 没有经过高温烧结，因此具有较低的结晶度，在体内降解速率较快，通过适当 控制其组分，可得到和新骨生长速率的一致性的 cpc，降解产物为磷酸钙，同时对骨重 塑或骨折愈合过程有利28。 2.3.3 对 cpc的改性研究 cpc 以其良好的生物相容性和骨传导性, 广泛应用于临床骨缺损修复。 但由于 cpc 固化时间长, 粘结性能差, 机械性能不足, 降解缓慢等缺点，其应用受到一定程度的限 制，因而许多学者采用掺杂无机离子, 复合有机或生物活性物质的研制不断对其进行改 性和完善。因此，磷酸钙骨水泥的改性研究成为了骨修复材料中的一个重要方向。 2.3.3.1 优化磷酸钙骨水泥的制备条件 从原料颗粒大小、ca 与 p 摩尔比、调和液组成、固化环境和固液比等角度出发对 磷酸钙骨水泥的制备条件进行优化，改变制备工艺条件，控制 cpc 浆体的微结构特征， 从而提高固化体的抗压强度。相对而言，材料学研究者们在这一方面的理论研究较为成 熟。 陈德敏30以柠檬酸水溶液为基本组成配制了若干种固化液， 当在液剂中添加钾或钠 盐时，可使固化体的压缩强度增强，但提高幅度有限，当添加丙烯酸/衣康酸共聚液时， 可使强度成倍地提高，其压缩强度达 84.33mpa；马立新等31指出较大粒径的 ttcp 和 较小粒径的无水磷酸氢钙（dcpa）匹配有利于提高抗压强度；中性磷酸氢钠缓冲溶液 和稀磷酸溶液作为液相可以提高 cpc 硬化反应速度，缩短凝结时间，同时有利于提高 抗压强度。ginebra m.p.等32从控制原始粉料颗粒大小的角度出发来控制固化后 cpc 的 纤维结构和孔隙率，指出 cpc 的力学性能与材料的微观结构有关。o.bermudz 等33根 据磷酸钙骨水泥组成粉末的大小、 组成摩尔百分比以及固液比等对骨水泥强度的影响进 行了优化试验，结果发现最佳 ca/p 比为 1.36，最佳液/固比为 0.30。 2.3.3.2 添加羟基磷灰石晶种 quanzu ya