（生物医学工程专业论文）氧化锆氧化钛改性可注射磷酸钙骨水泥的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 别测试各组试样的抗压强度，初、终凝时间和可注射性；对z c p c 和t c p c 的相成分采用x p e r tp r om p d 型x 射线衍射仪进行研究。用q u a n t a 2 0 0 型扫描电镜观察骨水泥的形貌特征。用n i e o l e ts x f y i r i7 0 m a g n a5 5 0 型红 外监测仪对骨水泥进行红外检测。采用x s a m 8 0 0 型x 射线光电子能谱仪 对z c p c 和t c p c 中的锆元素和钛元素进行x p s 高分辨检测。为了考查添加 z r 0 2 和t i 0 2 后c p c 的生物相容性，进行了s b f 模拟体液培养和体外细胞培 养实验，用光镜观察细胞形态，并通过四甲基偶氮唑盐微量酶反应比色法 ( m ar 法) 检测成骨细胞的增殖作用。 试验结果表明，通过优化试验表明，当c a 的浓度为o 5m o l 1 ，固液比 为3 “时的c p c 同时具备最大的力学强度( 1 4m p a ) 和可注射性能( 6 0 ) 。 通过在该c a 浓度和固液比条件下制备的c p c 中分别加入不同比例的z r 0 2 和t i 0 2 ，制备了z c p c 和t c p c 。z c p c 的初终凝时间为分别为5 1 0m i n 和 1 0 一2 0m i n 。t c p c 的初终凝时间为分别为1 0 1 5r a i n 和2 0 3 0m _ i n 。当z r 0 2 和t i 0 2 的含量为1 5w t 时，z c p c 和t c p c 的抗压力学强度达到最高值， 分别为2 3m - p a 和3 8m p a ，可注射性能分别为8 0 和9 3 。通过x r d 、s e m 、 红外分析和x p s 的分析，认为z c p c 和t c p c 在固化过程中，z c p c 和t c p c 中的主要成分为h a ，均产生了c a ( h p 0 4 ) 2 h 2 0 ( d c p d ) 和柠檬酸钙，并且在 z c p c 中产生了z r ( h p 0 4 ) 2 h 2 0 。对s b f 模拟体液浸泡后的骨水泥材料进行 x r d 、红外、x p s 检测，表明z c p c 和t c p c 中的主要成分仍为h a ，并在 骨水泥的表面吸附了少量的沉积盐，但并没有影响骨水泥的固化过程。体外 细胞实验表明，成骨细胞增殖良好，通过m t t 检测，表明z c p c 和t c p c 均比c p c 具有更好的生物活性，且z c p c 比t c p c 拥有更好的生物相容性。 关键词：可注射磷酸钙骨水泥、氧化锆、氧化钛、抗压强度、生物相容性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t c a l c i u mp h o s p h a t ec e m e n t s ( c p c s ) p o s s e s st h ee x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i l i t y a n do s t e o c o n d u c t i v i t yd u et ot 1 1 e i rs i m i l a rc o m p o n e n ta st h o s eo ft h en a t u r a lb o n e a n dh a v eb e e nu s e da sb o n er e p l a c e m e n ti nc l i n i c s u c c e s s f u l l y am a j o r d i s a d v a n t a g eo fc t n t e n tc p c i st h a tt l l e ye x i s ti nh a r d e n e df o r m s ，r e q u i t i n gt h e s u r g e o nt of i tt h es u r g i c a ls i t ea r o u n dt h ei m p l a n to rt oc a r v et h eg r a f tt ot h e d e s i r e ds h a p e 砸sc a nl e a dt oi n c r e a s e si nb o n el o s s ，t r a u m at ot h es u r r o u n d i n g t i s s u e ，a n dp r o l o n gs u r g i c a lt i m e t h ei n j e c t a b i l i t yo fc p ci si m p o r t a n ti nc l i n i c a l a p p l i c a t i o n st h a ti n v o l v ed e f e c t sw i t hl i m i t e da c c e s s i b i l i t yo rn a r r o wc a v i t i e s ， w h e nt h e r ei san e e df o rp r e c i s ep l a c e m e n to ft h ep a s t et oc o n f o r mt oad e f e c t a r e a h o w e v e r ，t h ed r a w b a c k so fi n j e c t a b l ec p c ，i n c l u d i n gt h el a c ko fl o w s t r e n 垂h , h a v el i m i t e di t sc l i n i c a lu s e a c c o r d i n gt os o m es t u d i e s ，z r 0 2a n dt i 0 2 o f t e nw e r eu s e dt oi m p r o v es t r e n g t ho fm a t e r i a l sa n db o t ho ft h e mh a v eg o o d b i o c o m p a t i b i l i t y c i t r i ca c i da s t h el i q u i d c o m p o n e n tw a su s e dt op r e p a r e 蜘e c t a b l ec p c i nt h i ss t u d y , z r 0 2o rt i 0 2w e r ea d d e di n t oc i t i r ca c i dc p ct o i m p r o v ec p cp r o p e r t i e sw h i c hi n c l u d i n gs t r e n g t ha n di n j e c t a b i l i t y i nt h i ss t u d y , t h ep o w d e rc o m p o n e n to fc p cc o n t a i n9 8w t 0 【- t c pa n dh a 2w t a n dt h el i q u i dc o m p o n e n tw e r ed i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sc i t r i ca c i d ( o 1 m o l 1 、0 2m o l 1 、0 3m o l 1 、0 5m o l 1 ) w i 1d i f f e r e n tr a t i o so f p o w d e rt ol i q u i d ( 2 g m l 、2 5g h a 、3g m l 、3 5 咖1 ) t h ec o m p r e s ss t r e n g t ho f c p cw e r et e s t e db y m e c h a n i c a li n s t r u m e n t ( i n s t r o n5 6 7 0 ) t h ee x t r u s i o nm e t h o dw a su s e dt ot e s tt h e i n j e c t a b i l i t yo fc p c t h eo p t i m i z a t i o nc o n c e n t r a t i o no fc i t r i ca c i da n dt h er a t i oo f p o w d e r t ol i q u i dw e r eo b t a i n e d t h e n , d i f f e r e n tm a s sf r a c i o n sz r 0 2a n dt i 0 2 ( 5 、 1 0 、15 、2 0 ，w t ) w e r ea d d e di n t ot h ec p c ，r e s p e c t i v e l y ，w h i c hn a m e da s z c p ca n dt c p c t h ec p cw a su s e da st h ec o n t r 0 1 t h ev i c a tw a su s e dt ot e s t t h ei n i t i a lt i m ea n df i n a lt i m eo fa s r e c e i v e dc p c s t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 i n j e c t a b i l i t yw e r et e s ta st h ep r e v i o u s d e s c r i p t i o n x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) w a s e m p l o y e d t o a n a l y s et h ep h a s eo fa s p r e p a r e dc p c s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) a n de n e r g yd i s p e r s i v es p e r t r u m ( e d s ) w e r eu s e dt oo b s e r v e t h em o r p h o l o g ya n di n d i c a t et h ee l e m e n tc o m p o n e n t so fc p c ( f o u r i e rl r m a s f o r m i n f r a r e d 印l e c 灯烈栅f r i r ) w a sw o r k e dt oa n a l y s et h ec o m p o n e n t so fz c p ca n d t c p c x - r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) w e r em a d et ot e s te l e m e n to f z r a n dt ii nt h ez c p ca n dt c p c ，r e s p e c t i v e l y t h ec e l lc u l t u r ea n di m m e r s e di n s i m u l a t i o nb o d ys o l u t i o n ( s b f ) i nv i t r oe x p e r i m e n tw e r ec a r r i e do u tt oe v a l u a t e t h eb i o c o m p a t i b i l i t ya n db i o d e g r a d a b i l i t yo fa s - r e c e i v e dc p c s t h ep r e s e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u mc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fc p ci s 1 4m p aa n dt h ei n j e c t a b i l i t yi s6 0 w h i l ec i t i r ca c i dc o n c e n t r a t i o nw a s0 5m o l 1 a n dt h ep o w d e rt ol i q u i dr a t i ow a s3 咖1 t h ei n i t i a la n df i n a lt i m eo fz c p ca n d t c p cw e r e5 - 10m i n 、10 2 0m i na n d10 15m i n 、2 0 - 3 0m i n ，r e s p e c t i v e t y v h e n t h em a s sf r a c t i o no f z r 0 2a n d ：7 ) ；qw e r e1 5 洲t h em a x i m u m c o m p r e s s i v es t r e n g t ha r e 2 3u p aa n d3 8m p af o rz o p ca n dt o p c ，r e s p e c t i v e t y ，a m dt h ei n j e c t a b i l i t ya r e 8 0 a n d9 3 x r d 、s e m 、f t i ra n dx p sa n a l y s ei n d i c a t et h a th aw a st h e m a i np r o d u c ti nt h ez c p ca n dt c p c c a ( h p 0 4 ) 2 。h 2 0 ( d c p d ) a n dc a l c i u m c i t r i ca c i do c c u r e dd u r i n gc p cs e l f - s e t t i n gp r o c e s s z r ( h p 0 4 ) 2 。h 2 0a l s oc o u l db e f o u n di nz c p c h aw a st h em a i np r o d u c ti nt h ez c p ca n dt c p ca f t e r i m m e r s i o ni ns b f c e l lt o x i c i t ye x p e r i m e n ti l l u m i n a t et h a tb o t ho fz c p ca n d t c p ch a v eg o o db i o c o m p a t i b i l i t yt h a nn o r m a lc p c f u r t h e r m o r e ，z c p ch a v e b e t t e rb i o c o m p a t i b i l i t yt h a nt c p c k e y w o r d s ：i n j e c t a b l ec a l c i u mp h o p h a t ec e m e n t ，z i r c o n i 如t i t a n i u mo x i d e ， c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，b i o c o m p a t i b i l i t y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西 南交通大学可以将本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、 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：囊鹚 指导老师签名： 日期：2 0 0 8 年6 月日期：2 0 0 8 年6 月 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 以柠檬酸体系骨水泥为研究对象，通过采用不同的固液比和不同的 柠檬酸浓度优化了柠檬酸体系骨水泥； 2 用氧化锆和氧化钛对柠檬酸体系骨水泥改性，从而提高了骨水泥的 可注射性能和抗压力学强度； 3 通过模拟体液和体外细胞培养实验对改性后可注射骨水泥的生物相 容性进行评价，使改性后的骨水泥的生物相容性得到了提高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 前言 第一章绪论 生物医学材料【l 】( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) 又称为生物材料。是用以和生物 系统接合，以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料。 它可以是天然产物，也可以是合成材料，或者是它们的结合物，还可以是有 生命力的活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成的杂化材料。与生物 系统直接接合是生物医学材料最基本的特征，如直接进入体内的植入材料， 人工心肺、肝、肾等体外辅助装置等与血液直接接触的材料。生物医学材料 除应满足一定的理化性质要求外，还必须满足生物学性能要求，即生物相容 性要求，这是它区别于其他功能材料的最重要的特征。 生物医用材料可以按多种方法分类。根据材料的组成和性质，可以分为 医用金属及合金、医用高分子材料、生物陶瓷，以及它们结合而成的生物医 学复合材料。根据在生物环境中发生的生物化学反应水平，可分为近于惰性的、 生物活性的以及可生物黼吸收的材料。 1 2 骨水泥的产生与发展 目前生物活性陶瓷作为骨填充、修复材料已经在l 晦床上大量应用，但由 于这些材料都是高温烧结后的块状或颗粒状，不具有可塑性。医生在手术过 程中无法按照病人骨缺损部位任意塑型，而且不能完全充填异形骨空穴。另 一方面，人工关节的固定、不稳定性骨折的内固定等同样也需要一种新的生 物医用材料。因此，一种新型的生物材料一骨水泥成为了人们关注的热点。 生物骨水泥在发展过程中形成了两大体系：生物相容性较差的p m m a 骨水 泥和生物相容性良好的磷酸钙骨水泥。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 1p m g h 骨水泥 以聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥( p o l y m e t h y i m e t h a c r y l a t ec e m e n t ，p m m a ) ，为 代表的传统丙烯酸酯类骨水泥是一种由粉剂和液剂组成的室温自凝粘结剂2 1 。但 p m m a 属于生物惰性材料，不能与宿主骨组织形成有机的化学界面结合，另 外凝固聚合过程中产生热量、单体的细胞毒性作用、可操作时间有限等不足 也限制了其临床应用【3 1 。 1 2 2c p c 骨水泥 磷酸钙骨水泥( c a l c i u mp h o s p h a t ec e m e n t ，c p c ) 最早由美国的b r o w n 和 c h o w 于2 0 世纪8 0 年代提出【4 】，c p c 是由一种或几种磷酸钙盐粉末的混合 物与调和用的液相发生水化发应，在生理条件下能自固化，如：在温度( 3 7 ) 、湿 度( 1 0 0 ) 条件下发生水化反应得到与人体骨组织相近的固化产物一羟基磷 灰石或透钙磷灰石，因此具有一定的可降解性和良好的生物相容性【5 】。常见 的磷酸钙盐见表1 1 所示。 表1 - 1 主要磷酸钙盐种类 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 磷酸钙骨水泥 1 3 1 磷酸钙骨水泥的种类 c p c 固相由各种磷酸钙和钙盐组成，其组成可随预期生成物性质( c a p 比等) 的不同而变化。不同研究者研制出了不同种类的磷酸钙骨水泥，表1 2 列举部分代表性磷酸盐骨水泥【6 1 。 表1 2 典型的磷酸钙骨水泥组成【6 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 5 )伍t c p + m p c m + c a o + h a ( 晶种) ( 6 ) a - t c p + m p c m + c a c 0 3 ( 7 ) a t c p + b t c p + p h a 4m c p m + c a o 5c a o + s i 0 2 + p 2 0 s + c a f 2 生物玻璃陶瓷粉 强度，添加t t c p ，此种水泥可作为骨替代 物、骨水泥或牙科材料 ( 3 ) 用去离子水调和，进行了组分、固液 比粉末尺寸大小、h a 加入量等对骨水泥强 度的影响优化实验 ( 4 ) c o n s t a n t z 等分析人体骨的矿物是含有 碳酸盐的磷灰石 d a h l l i t e ， c a l o ( p 0 4 ) 6 c 0 3 h 2 0 ，报导了以a t c p 为基 料配以m c p m + c a c 0 3 经干混，用磷酸钠溶 液调和几分钟后形成糊剂，注射到修复部 位，1 0m i n 后由于d a h l l i t e 晶化而变硬，初 始抗压强度为1 0m p a ，1 2h 后材料己含 8 5 9 5 的d a h l l i t e ，最大抗压强度为5 5 m p a ，抗张强度为2 1m p a 。c a p - i 6 7 ，c 0 3 2 一含量4 6 ( 质量分数) ，并含少量n r ， 这种组成与天然骨近似 混合物最佳c a p 比为1 3 6 士0 0 3 ，产物为 o c p ，在骨水泥中加入2 的h a 研磨至5 岬用磷酸铵溶液调和，糊状料在 几分钟内固化，在几周之内能与 生物骨形成骨性结合， c a o s i 0 2 p 2 0 5 的比值极小的变化会导致骨 水泥的抗压强度极大的变化。c a f 2 的加入将 提高骨水泥的抗压强度，相反，m g o 的加 入会降低骨水泥的抗压强度。强度变化是由 于骨水泥晶界上生成不同量h a 的结果 备注：t t c p ：磷酸四钙 c a 4 ( p 0 4 ) 2 】；d c p d ：二水磷酸氢钙 c a h p 0 4 2 h 2 0 】；d c p - 磷 酸氢钙 c a h p 0 4 ；p - t c p ：1 3 - 磷酸三钙【p c a 3 ( p 0 4 ) 2 ；c p p - 焦磷酸钙 c a 2 p 2 0 7 ；c s h ： 半水硫酸钙 c a s 0 4 0 5 h 2 0 】；c s d ：二水硫酸钙 c a s 0 4 2 h 2 0 ；c c ：碳酸钙 c a c 0 3 】； a - t c p ：弘磷酸三钙【0 l c a s ( p 0 4 ) 2 】；h a ；羟基磷灰石 c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ；o c p ：磷酸 八钙 c a s h 2 ( p 0 4 ) 6 5 h 2 0 】；s h a ：烧结羟基磷灰石 c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 - 2 x o x ； p h a ：沉淀羟基磷灰石； m c p m ：一水磷酸一钙 c a ( h 2 1 0 4 ) h 2 0 1 1 3 2 磷酸钙骨水泥的特性 磷黻钙骨水泥作为种具有生物活性的生物材料，相比生物陶瓷材判具有以下优良 特性或特点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 2 1 自固化性 c p c 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c p c 形成条件不同而表现出一定的差异。c p c 粉剂与液剂调和后 为糊状，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。 1 3 2 2 形状可塑性 一c p c 调合后呈糊状物，可按要求和骨缺损部位或牙根管缺损部位形状任 意塑形，自固化后保持外形不变，克服了h a 陶瓷加工难的缺点。通过固化 液的选择，可以得到5m i n - 3 0r a i n 【7 】初期硬化的时间，可以有充足的时间使 之在骨缺损部位准确塑形，固化后也可以做外形的修整。 1 3 2 3 凝固时间 凝固时间，是指从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c p c 要求凝结时间较短，优选的应在1 0m i n 以内，用于骨缺损修复的c p c 应控 制在3 0m i n 以内f 8 1 。凝结时间可衡量实际手术操作的可行性，根据手术部位 和硬化条件要求不同，应可以在一定范围内可调节。 1 3 2 4 生物降解性 磷酸钙骨水泥具有一定的生物降解性，其生理化学溶解是种体液介导过程， 其溶解速率决定于多种因素，包括周围体液成分和p h 值、材料相组成和结构( 磷 酸钙盐的溶解度次序：无定型磷酸钙 磷酸氢钙 磷酸氧四钙 洳磷酸三钙 羟基磷 灰石) 、材料的结晶度和杂质的种类及含量( 如镁离子有稳定t c p 的作用) 以及 材料的溶度积( t c p 在水溶液中可形成由羟基磷灰石覆盖的新表面) 。 1 3 2 5 生物学性质 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。c p c 具 有良好的生物相容性，在人体生理环境下可自行转化为与人体骨结构相似的 h 植入人体后与自然骨是骨性结合，并且不会改变骨正常的生理过程，无明 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 显的炎症反应，未发现有致畸性及毒性【9 1 。植入试验表明，材料与宿主骨亲和 性好，表明c p c 能引导新骨的生成，具有骨传导和诱导成骨特性【1 0 , 1 1 】。 1 4 可注射磷酸钙骨水泥 c p c 良好的生物相容性、骨传导性、可降解性和低放热性，植入后可以 迅速形成骨性结合，能任意塑形及诱导骨组织再生的这些特性使c p c 可以 用于粉碎性骨折及掌骨、指骨等不稳定骨折的治疗和骨缺损的充填【1 2 】，并已 于上世纪9 0 年代末经f d a 批准用于临床。随着临床技术的发展，对手术创 口的要求越来越小，逐渐发展微g , j # b 科。在骨缺损和骨折治疗中，。有一些手 术要求通过注射器和针头经皮穿刺注射的方式来完成对骨缺损的修复和骨 折固定。如骨质疏松症和骨质疏松性骨折的预防和治疗，骨质疏松的病人用 螺钉作为内固定时，由于骨床稀疏，骨对螺钉的把持力不够，很容易出现螺 钉滑丝、松动、脱出，导致固定失败，这成为医学上急需解决的难题。如果 能够将骨水泥注入椎体内，将会达到增强椎体强度和稳定性，防止塌陷，缓 解腰背疼痛，甚至部分恢复椎体高度的目的。对于一些骨水泥用量少而且需 要定位的“小”外科手术( 如牙根管充填) ，若采用导管插入注射c p c 来完成，手 术将更方便【1 3 】。因此近年来，可注射c p c 成为c p c 研究的重点，并可能在 众多的医疗领域中具有更为广泛的应用前景。 1 4 1 可注射磷酸钙骨水泥可注射性能的研究 可注射c p c 的最大的特点在于它可在混合物固化反应前用注射器直接 注射到骨缺损部位，避免了手术切开以及由此带来的其他问题，非常适用于 不需手术复位的骨折或骨缺损的治疗以及难以通过手术方法达到治疗目的 的病例，如椎体的骨质疏松或压缩骨折等。目前i 已有不少学者通过各种方 法对可注射骨水泥的可注射性能进行过深入的研究和探讨。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 4 i 1 添加有机物 在固相成分或者液相成分中添加适量的有机物成分，可以有效的改善骨 水泥的可注射性能。 乳酸溶于水后形成黏稠的液体，将乳酸溶于骨水泥的液相中，由于乳酸 的黏稠特性，骨水泥刚混合后即可注射，从而提高了骨水泥的注射性能。 l 即o u x 等【1 4 1 认为随加入乳酸浓度的增加，骨水泥的可注射性也随之增加。 柠檬酸是一种无色透明的晶体酸，骨的矿物相中即含有柠檬酸根离子， 在骨磷灰石的形成和或溶解过程中扮演着重要角色。s a r d a 等【”】在水泥液相 中加入柠檬酸以改善骨水泥的流动性，开始可注射性随柠檬酸浓度的增加而 逐渐增加，在柠檬酸浓度达到一定值，注射能力系数达最大值；而后注射能 力系数随柠檬酸浓度增加而逐渐降低。但由于柠檬酸可吸附于反应物和产物 中，而抑制各种磷酸钙和磷灰石的形成，导致c p c 形成速率减慢。 1 4 1 2 添加无机物 在固相成分或者液相成分中添加适量的无机物成分，可以有效的改善骨水泥的 可注射性能。 k h a i r o u n 等【1 6 】发现向c p c 中加入c a c 0 3 ，可使某些配方的c p c 操作性大大 提高，通过改变c a c 0 3 的比例可得到可注射性c p c 。b d s k 1 7 】等认为磷酸钠盐使 水泥的固化反应加速，一般水泥配方的液相均采用不同浓度的磷酸钠盐溶液， 增加固化液中n a 2 h p 0 4 浓度，可使c p c 的注射性能大大增加。 1 4 2 可注射磷酸钙骨水泥抗压强度的研究 抗压强度是衡量可注射c p c 在体内硬化后抗负载能力的指标，其大小 直接影响c p c 材料的应用。磷酸钙骨水泥作为一种较理想的骨替代材料， 抗压强度是目前制约磷酸钙骨水泥应用范围的主要因素。提高c p c ，特别是 可注射c p c 的抗压强度，是可注射磷酸钙骨水泥的主要研究目标之一，对 其临床应用具有重要意义。根据文献研究，影响磷酸钙骨水泥的抗压强度的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 主要因素包括以下方面： 1 4 2 1c p c 固相成分 c p c 固体粉末主要由磷酸钙盐组成。最初的磷酸钙骨水泥主要由磷酸四 钙和无水磷酸氢钙或二水磷酸氢钙组成，随着骨水泥研究的进一步深入， c p c 粉末有了更广泛的选择范围1 8 ，1 9 】。一般的c p c 固相成分是由种或几 种磷酸钙盐组成。 d o i 等【2 0 】首先在溶液中合成碳酸盐磷灰石，然后将合成的碳酸盐磷灰石 ( n a 3 c a 6 ( p 0 4 ) 6 ) 在1 5 0 0 1 7 0 0 下加热5 小时，经研磨后做物相分析得到骨 水泥固相成分为磷酸四钙和p 磷酸三钙。实验中以一定浓度的柠檬酸溶液作 为骨水泥的液相成分，得到了力学强度为2 8 3m p a ( 3 0w t 柠檬酸，固液比 3 0 8g m 1 ) 的骨水泥。 1 4 2 2 原材料的粒径 骨水泥水化反应前期由原料表面溶解控制，反应迅速，针状羟基磷灰石 产物使抗压强度急剧增大；反应后期由扩散控制，反应减速，产生皱状密集 的羟基磷灰石，抗压强度不再随转化率的增加而提高，提高c p c 抗压强度 的关键在于对浆体微结构的控制胆1 1 。控制固体粉料的粒度，使得反应物在表 面溶解控制阶段即水化完全，可提高针状羟基磷灰石的产量。 刘昌胜等【2 2 1 指出骨水泥的水化产物量固然是影响水泥宏观性质的主要 因素，但是抗压强度还与浆体中的孔结构和各种粒子的级配有关。早期强度 主要取决于形成分散相的数量、接触点的多少及性质；而后期强度则一方面 取决于继续形成的分散相、接触点及性质，另一方面还取决于早期形成接触 点的溶解和再结晶度。并对抗压强度存在一个最佳颗粒匹配程度。 1 4 2 3 固液比与孔隙率 在满足固液两相充分混合的条件下，固液比的降低可以减小多余的水所 占据的空间，从而减小固化后水泥的孔隙率；另外在样品固化过程中施加一 定的压力也可以起到降低孔隙率的作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 沈卫【2 3 1 指出固液比与抗压强度之间有一个最佳值。c p c 浆体中的孔隙率 主要是由初始的含水空间和气泡形成的，因此在一定的范围内，浆体的孔隙 率由固液比决定，液体含量愈高，孔隙就愈多。但当固液比减小到一定程度 时，固体颗粒表面不能完全润湿，颗粒间距离很大，并且充满空气，从而使 孔隙率增加、颗粒间结合强度减低。 1 4 2 4 羟基磷灰石晶种的加入 在晶种对磷酸钙体系骨水泥固化时间和抗压强度的影响上，存在两种观 点：其一认为填加羟基磷灰石晶种可以大大缩短固化时间，提高抗压强度【2 4 】； 另一种观点则认为添加羟基磷灰石晶种虽可以加速水化过程，缩短固化时 间，但骨水泥的抗压强度下斛2 5 1 。 y a n g 等【2 6 】采用无水m c p 和氢氧化钙与不同含量的羟基磷灰石晶种混 合，固化液采用o 5m o l 的n a 2 h p 0 4 溶液，液固比o 4g m l 。在晶种的含量 从0 到2 0 叭的变化中，抗压强度从4m p a 升高到1 7m p a ，而后又降到1 2 m p a 。最后得出，在m c p c a ( o h ) 2 二元系统中，加入3 7 叭羟基磷灰石晶 种为最佳加入量。 1 4 2 5 固化液组成 为了提高固化体的强度，除了对粉剂进行适当的改性之外，主要的改善 措施还是着重于固化液组成的改良【2 7 】。固化液组成的选取是提高骨水泥性能 需要重要考虑的内容，因而固化液组成的选取有很大的选择空间。 g b u r e e k 等【2 8 】以d c p a t t c p 为固相组成，以柠檬酸为液相组成，固液 比为3 3g n a ，制备了一种具备可注射性能同时又拥有高力学强度的骨水泥。 骨水泥中水溶液的减少，使得固相成分对柠檬酸成分的需求增加。骨水泥在 柠檬酸中时的力学强度可以比在以水为液相成分时的力学强度明显提高。作 者认为这是由于高z e t a 电位的骨水泥反应物吸附了周围的柠檬酸根离子于 骨水泥固液接触表面，使得骨水泥颗粒能够很好的分散，从而降低了粒子间 的粘度，从而使得骨水泥的可注射性和力学强度都得到了提高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 4 2 6 有机物、无机物的添加 以无机物作为固体填料，有机物作为基体，通过有机物在较低温度( 3 7 。c ) 下交联固化，可以使强度有极大的提高。 k h a i r o u n e 2 9 1 通过在c p c 中添加一定量的壳聚糖，研究了不同固相成分 组成和不同固液比条件下的c p c 力学强度，表明由于有机物壳聚糖的加入 能够明显改善c p c 的力学强度，当固液比为0 3 5g m l ，壳聚糖加入量在5w t 时，c p c 的抗压力学强度最大可以达到4 8m p a 。 l i 等【3 0 】以含锶的羟基磷灰石( 9 5 讯) 和增强氧化硅( 5 研) 作为无 机填料添加到c p c 中，制备了一种适于脊椎外科的新型可注射生物活性骨 水泥。该体系通过添加了一定量的无机材料，使得在室温条件下固化成型后 的c p c 抗压力学强度较之没有通过添加无机物改性的c p c 力学强度提高了 8 0 左右。 1 4 2 7 纤维增强 为了解决c p c 的脆性大和强度低的问题，x u 等【3 l 】在c p c 中加入两种直 径为3 2 2l a i n 的可吸收纤维，将复合后的样品置入3 7 。c 盐水中，经1 、7 、1 4 、 2 8 、5 6 天后发现其抗压力学强度提高近1 0 倍。纤维的加入使c p c 在组织 再生过程中保持所必需的强度，当加入的纤维溶解后，在c p c 中留下的孔 隙使新生的血管组织容易长入，给骨组织再生提供了良好的环境。而后，x u 等还进一步研究了壳聚糖和栅网协同增效对复合材料性能的影响【3 2 】，可吸收 纤维的体积分数对c p c 复合材料性能和纤维溶解后支架孔隙率的影响。 1 5 氧化钛和氧化锆材料的应用 氧化钛( t i t a n i u mo x i d e ，t i o ：) 具有抗高温，耐腐蚀，耐磨损，化学性质稳 定，无毒无害等优异的性能；另外，t i 0 2 的纳米颗粒还具有纳米结构的小尺 寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性，在高 聚物中添加t i 0 ：是制备高性能、高功能复合材料的重要手段之一。氧化钛也 西南交通大学硕士研究生学位论文 、 第1 1 页 被认为是拥有良好生物相容性的生物材料，因其高稳定性使得钛的均匀腐蚀 甚微，也不易发生点蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀。羟基磷灰石与t i 0 2 结合的 基体拥有更好的生物相容性【3 3 】，表明通过氧化钛对磷酸钙骨水泥改性的可行 性。g b u r e e k 掣3 4 】以t t c p d c p a 骨水泥为基础，在合成磷酸四钙过程中加 入了氧化硅或氧化钛，骨水泥2 4 小时后抗压强度值达3 0 4 0m p a ，比未添加 氧化钛的骨水泥相比，抗压强度提高了3 0 左右。通过x 射线衍射证实： 掺杂了磷酸四钙的骨水泥的固化反应与纯c p c 的固化反应相似，主要成分 为低结晶度的羟基磷灰石。作者认为，机械性能的提高是因为掺杂的磷酸四 钙热力学和动力学溶解性的改变，导致了羟基磷灰石晶体形成速率的减缓和 相互交叉连接的骨水泥结构的形成。 生物惰性氧化物陶瓷如氧化锆( z i r e o n i a , z r 0 2 ) 具有很高的强度，应用 到磷酸钙生物活性骨水泥中时，可以在保持h a 生物活性的基础上提高其力 学性能【3 2 】。当把生物相容性陶瓷如z r 0 2 植入体内时，在其表面能形成骨样 的磷灰石，从而自发的与活性骨融合【3 3 1 。 1 6 本论文的目的和主要研究内容 1 6 1 现有骨水泥的不足 c p c 自1 9 8 3 年问世以来，己公布的配方有几百种，但其中大多数水泥 流动性很差，无法注射，手术需要充分暴露，创伤较大。因此改善c p c 的 流变学性能，使其能够任意定点注射，达到硬组织微创伤治疗的要求，是非 常重要的。 目前研究的c p c 的力学强度较差，压缩强度介于松质骨与硬质骨之间， 剪切强度和拉伸强度更低。在胫骨平台骨折和跟骨折治疗方面由于c p c 承 受的主要是单一的压缩负荷从而有不错的表现【3 5 , 3 6 】，但在诸如髋关节等负荷 状况因为剪切和拉伸力而变得复杂的位置，骨水泥不得不用金属植入物给予 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 支撑。所以提高c p c 的力学强度，如抗压强度o 。剪切强度和拉伸强度，使 其能够满足高负荷、复杂负荷骨折部位的要求，是很重要的【3 7 3 8 1 。 1 6 2 本文研究的目的和内容 本实验的研究目的：通过在可注射磷酸钙骨水泥中添加生物惰性的氧化 锆和氧化钛，希望在保持其优良的生物相容性的基础上，提高其可注射性和 抗压强度。 本实验研究内容主要涉及以下几个方面： 1 ) 、柠檬酸体系骨水泥可注射性能和抗压力学强度的研究，优化了 固液比和液相成分浓度； 2 ) 、分别利用氧化锆和氧化钛改性柠檬酸体系骨水泥，以提高其抗 压力学强度和可注射性能；研究可注射骨水泥抗压力学强度提高和可注射性 能增强的机理。 3 ) 、评价氧化锆和氧化钛改性后可注射骨水泥的体外生物降解性和 生物相容性。 本研究实验工艺路线图如图1 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图1 1 实验工艺路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第二章柠檬酸体系磷酸钙骨水泥的制备与研究 2 1 引言 第一章中已经介绍可通过在液相成分中加入柠檬酸( c i t r i ca c i d ，c a ) 的 方法制备可注射磷酸钙骨水泥。柠檬酸( c 6 h 8 0 7 ) 是一种无臭、酸味、在干 燥空气中易风化的物质，其结构式如图2 1 所示。柠檬酸存在于骨的有机质 中，骨内的柠檬酸占全身的7 0 ，位于磷灰石的表面与钙离子结合。柠檬酸 对糖、脂肪、蛋白质的氧化代谢过程有重要作用。 c h 2 c 瓣 l h o ：c 0 0 h l c h 2 c 瓣 图2 1 柠檬酸结构式 一些研究表明，在骨水泥中使用柠檬酸，可以提高骨水泥的流动性【3 9 4 0 】。 柠檬酸通过吸附适当的带电离子和或减少表面结合水，能够降低表面荷电层 高度或缩短带电颗粒之间的间距，促进了骨水泥颗粒之间的相互摩擦、传动， 从而达到促进增强流动性的作用。 在对磷酸钙生物活性骨水泥理化性能的评价中，主要有两个指标：初凝时 间和强度。初凝时间，一般地讲，是指从粉末调和至调和物具有一定的强度 所需的时间。临床上对初凝固时间的要求与不同外科手术操作相关，例如对 于用在牙科方面的c p c 要求凝结时间较短，优选的应在5r a i n 以内，用于骨 缺损修复的c p c 应控制在3 0m i n 以内【3 0 。凝结时间可衡量实际手术操作 的可行性，根据手术部位和硬化条件要求不同，应在一定范围内可凋节。强 度也是c p c 骨水泥的一个重要性能。因为重建骨的形成是需要时间的，在 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 重建骨未完全成形之前，为使种植体能及早代行骨的功能，必须赋予其一定 的强度。 本章中根据文献选择以t c p 为主要固相成分【3 9 1 ，通过加入少量的h a 作为晶种，并以不同浓度的柠檬酸为液相成分，以期得到最佳条件下的液相成分 的浓度和骨水泥的固液比； 本章实验内容： 1 对柠檬酸体系骨水泥的初终凝时间进行表征，并对c p c 的凝结固化过程给予 理论解释； 2 对柠檬酸体系骨水泥的力学性能进行表征，对其力学性能的增强机理给予探 讨和解释； 3 对柠檬酸体系骨水泥的可注射性能进行检测，并给予解释； 2 2 实验原料制备 本实验用分析纯的( m ) 2 h p 0 4 和c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0