（材料物理与化学专业论文）cpc的制备、表征与荧光示踪研究.pdf

海南人学硕士论文 2 0 1 0 年 i i i ii iii i ii ii il li iiiil 海南大学学位论文原创性声明和使用授权阢y 1 明7 9 8 9 1 8 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 声明的法律结果由本人承担。 论文储躲牾 学位论文版权使用授权说明 日期：列d 年r 月；1 7 日 本人完全了解海南大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 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。本人授权海南大 学可以将本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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。本人在导师指导下完成的论文成果，知识产权归属海 南大学。 保密论文在解密后遵守此规定。 论文作者签名： 日期：弘j d 年岁月；口e l 导师签名： 日期：2 d d 年9 月歹d 日 本人已经认真阅读“c a l l s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的学位论文 提交“c a l l s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中规定享受相关权益。显 蠹迨塞逞銮丘澄丘；旦圭生；丘生i 目三生筮查。 论文作者签名： 日期：沙p 年r 月；，日 导师签名2 p 日期：珈年箩月了阳 海南人学硕十论文2 0 1 0 年 摘要 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 ) 由于其在化学组成上与骨 组织的无机成分相同，同时具有优良的生物性能，即骨传导性和骨诱导性，得到 了国内外广泛的关注和研究。 本文制备得到贝塔磷酸三钙( b c a a ( p 0 4 ) 2 ，b t c p ) ，将其作为骨水泥的 固相成分，以壳聚糖、柠檬酸、聚乙烯醇混合溶液作为液相，采用正交试验，从 凝固时间和抗压强度两方面确定了液相的最佳配比，制备可满足临床需要的磷酸 钙骨水泥。 同时，本文设计制备了具有荧光效果的e u 3 + 掺杂b t c p 材料，利用铕的荧 光特性，示踪多t c p 中钙离子在骨修复过程中的作用、迁移过程。 通过x r d 分析表明，z u 3 + 掺杂b t c p 主晶相仍保持其原有的六方结构，通 过计算得到其晶格常数发生变化，证明e u 3 + 进入b t c p 晶胞中；同时，在高分 辨率透射电镜中也得到证实；在荧光显微镜下可看到明显的红色荧光，有利于其 在骨诱导性的研究中进行示踪；同时，利用电感耦合等离子质谱跟踪检测了e u 离子，一定程度上示踪了c e + 动向，从而为进一步研究骨诱导效应的具体过程和 机理提供基础。 关键词：b t c p 正交试验铕掺杂荧光效果 a b s t r a c t n o w a d a v s ，c p ci sa t t r a c t i v e i nab r o a dr a n g eo fs p e c i a li n t e r e s t , d u e t 0l t s c h e r n j c a lc o m p o n e n ti ss i 而l 盯t ot h e m i n e r a lp h a s eo fh a r dt i s s u e ，a 1 1 d l l i g h b i o c o m p a t i b i l i t y o s t e o i n d u e t i v i t ya n d o s t e o c o n d u c t i o n i i lt h i sp 印e r ，s e i f - r e a d e 3 - t c pp o w d e ru s e df o rs o l i dp h a s eo fc p c 洲l e t h e l i q u i dp h a s e sw e r ec h i t o s a n , c i t r i ca c i da n d p o l y v i n y la l c o h o l t h ed e s i g no r t h o g o n a j w a st e s t e dt od e t e 加1 i n et h eb e s tr a t i oo ft h es y s t e mf r o mt h ec o a g u l a t i o nt i m ea n d c o m p r e s s i v es t r e n g t ho f t h ec p c t l 朗，b t c pd o p e de u r o p i u mw e r ep r e p a r e d w h i c hh a v ef l u o r e s c e n c ee f i e c t ， t a k ea d v a n t a g eo fn u o r e s c e n c ec h a r a c t e r i s t i c so fe u r o p i u mt ot r a c i n gt h e r o i ea n d m i g r a t i o np r o c e s so fc a l c i u mi n t h eb o n er e p a i r x r da n a l y s i sr e p r e s e n t st h a t b t c pc o n t a i n i n ge u r o p i u mh a v e t h es 锄e 海南人学硕士论文2 0 1 0 年 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章序言1 1 1 人体骨的简介1 1 1 1 人体骨组成1 1 1 2 骨的力学性能1 1 1 3 人体骨的生长和自我修复2 1 2 骨修复材料的研究进展2 1 2 1 骨修复的作用机理3 1 2 2 骨修复材料的要求3 1 3 磷酸钙骨水泥的相关研究3 1 3 1c p c 的组成4 1 3 2c p c 的物化性质4 1 3 3c p c 的改性研究4 1 4 稀土元素荧光标记的研究7 1 5 本研究主要工作内容7 第二章p - t c p 体系骨水泥的制备及其性能l0 2 1 引言1 0 2 2 试剂和仪器1o 2 2 1 试剂10 2 2 2 仪器10 2 3 实验方法11 2 3 1 固相制各l l 2 3 2 液相配置11 2 3 3 试样制备1 1 2 3 4 试样性能参数的测定1 2 2 4 结果分析1 2 2 4 1p - t c p 的x r d 分析l3 2 4 2p - t c p 的s e m 分析13 2 4 3 凝结时间分析15 2 4 4 抗压强度分析1 6 2 4 5 抗稀释性能分析17 2 4 6 水化产物x r d 分析18 2 4 7 扫描电镜分析1 9 2 5 讨论19 2 5 1 液相各组分选择1 9 2 5 2 液相浓度对凝结时间和抗压强度的影响2 0 2 5 3 液固比对凝结时间和抗压强度的影响2 3 1 1 1 海南大学硕士论文2 0 1 0 年 2 5 4 水化机理研究：- 2 4 2 6 j 、结：1 5 第三章e u 3 + 掺杂的p t c p 荧光示踪材料的制各与表征2 6 3 1 序言。2 6 3 2 试剂和仪器2 7 3 2 1 试剂2 7 3 2 2 仪器2 7 3 3 实验方法2 7 3 4 结果分析2 8 3 4 1x i m 分析2 8 3 4 2 高分辨透射电镜分析3 0 3 4 3 荧光激发与发射光谱分析3 0 3 4 4 荧光显微镜分析3 1 3 4 5 扫描电镜分析3 2 3 4 6 电感耦合等离子质谱3 3 3 5 讨论3 4 骨诱导性理论3 4 3 6 ，j 、结3 4 第四章结论与展望3 5 参考文献3 7 致谢4 1 学术论文与研究成果4 2 i v 海南大学硕十论文 1 1 人体骨的简介 第一章序言 人体是由2 0 6 块大小不同、功能各异的骨构成。骨组织是人体中最坚硬的结 缔组织，起着支撑全身整体结构，抵抗外界应力变化，保护体内脏器官，与附着 的肌肉组织协调地完成各种运动掣。 1 1 1 人体骨组成 人体骨组织可以看作是一种无机有机复合材料，无机的骨盐与有机的骨基 质紧密结合形成骨框架结构，满足人体生理和力学上的各种要求。 其中，无机磷酸钙类矿物相占骨重量的6 0 - - 7 0 ，其中羟基磷灰石 ( h y d r o x y a p a t i t e ，h a ) 通常含碳的磷灰石的晶体紧密而规律的排列在胶原基体 中，使骨具有一定的硬度。有机相中的9 0 9 5 为胶原蛋白，它是骨的基质也是 骨具有良好韧性的主要原因，有机相中还有少量的非胶原性蛋白、多糖、脂类等。 1 1 2 骨的力学性能 骨具有良好的力学性能【2 】，其力学性能随着人的年龄变化而变化，部位不同 而不同( 见表1 1 ) 。w o l f f 提出一个重要假说，即沃尔夫定律，他认为“骨在其 功能需要的地方生长，在不需要的地方吸收”。骨功能适应性原理说明骨的变化 与其承受的应力有密切的关系，也是导致骨具有不规则形状的重要原因。即骨进 化的趋势是用最小的重量承受最大的外部应力。 海南人学硕士论文2 0 1 0 年 1 1 3 人体骨的生长和自我修复 人体骨组织的生长过程中含有4 种骨细胞，即骨原细胞、成骨细胞、骨细胞、 破骨细胞，其中成骨细胞和破骨细胞在骨生长过程中起相互制约的两种作用1 3 4 j ， 在动态中维持平衡，保证个体的生长发育相适应。 ( 1 ) 骨组织的形成：科学家们发现在骨组织中含有高活性的间充质细胞，其可 分化为骨原细胞，骨原细胞再增殖分化为成骨细胞，成骨细胞分泌类骨质并将自 身包埋其中，进而转化为骨细胞。而类骨质则转化为骨质，从而形成骨组织。 ( 2 ) 骨组织的吸收：骨组织形成的同时，破骨细胞在局部释放多种蛋白酶、 乳酸和柠檬酸等，并在酶和酸的作用下溶解吸收骨质，使骨质局部形陷窝。 两种作用同时发生，在动态中维持平衡。成骨细胞与破骨细胞通过相互调控， 保证个体的生长发育相适应。 1 2 骨修复材料的研究进展 骨修复材料是指用于替补、填充、修复人体骨组织的生物材料，广泛应用于 骨外科、整型外科及牙科领域。目前骨疾病越来越多，例如肿瘤、创伤性骨不连、 炎症、畸形等，仅我国每年就有骨缺损和骨损伤者近三百万。因此，骨修复材料 的发展具有重大的现实意义目前。 骨修复材料主要包括自体骨、异体骨和人工合成骨修复材料三类。自体骨移 植必须牺牲自身正常组织，引起二次手术痛苦，同时自体骨来源限制，且很难根 据缺损部位准确塑型，供骨区还可能出现功能和形态障碍；异体骨存在不同程度 2 海南人学硕十论文2 0 1 0 年 的抗原性，会引起人体抗原抗体反应，同时也存在塑型难的问题。因此，研究开 发可用于人体的骨修复材料己经成为国内外关注的课题。 1 2 1 骨修复的作用机理 骨修复材料植入人体后，在人体骨进行创伤修复期间维持骨的稳定结构和机 体的正常运动，同时辅助人体骨的生长，诱导、加速骨自我修复，待新骨长成、 缺损愈合后，植入的骨修复材料又可进行生物降解，通过新陈代谢排出体外。其 修复过程中的作用机理主要有两点【5 】： 骨传导( o s t e o c o n d u c t i o n ) 作用：骨修复材料植入骨内或与原骨接触，为骨 细胞的生长提供可攀附的支架结构，使得新骨组织沿植入体爬行生长。 骨诱导( o s t e o i n d u c t i o n ) 作用：骨修复材料诱导局非骨性细胞分化为成熟 的骨细胞，最后形成骨组织的现象。考察一种骨修复材料是否具有骨诱导作用， 通常是将其植入肌肉，肌膜或皮下等软组织中，观察材料中或其周围是否有新骨 组织形成。 1 2 2 骨修复材料的要求 经过长期的理论研究和临床实验，理想的骨修复材料应具备以下性质： ( 1 ) 操作简便，固化时间短，可任意塑型。在实际临床手术中容易操作，在 人体生理环境下可迅速固化成型，并且要能够按照创伤面的实际情况固化成各种 形状。 ( 2 ) 力学性能好。不仅具有足够的强度，不发生脆性破裂、疲劳断裂、蠕变 及腐蚀破裂，且应尽可能与人体骨组织相匹配。 ( 3 ) 抗体液侵蚀，能保持一段时间的稳定性。修复材料植入人体后，在新生 的骨组织修复受损的区域之前，必须保证不被人体内的血液、组织液等体液侵蚀、 消解，避免植入材料失效或移位，从而影响手术效果。 ( 4 ) 生物相容性好。作为生物医用材料，骨修复材料不可缺少的要具备优良 的生物相容性能，对组织无毒性，与人体内的其他正常肌体没有排异现象，最终 能代谢降解。 1 3 磷酸钙骨水泥的相关研究 在人工合成骨修复材料中，特别引起我们关注的是磷酸钙骨水泥( c p c ) ，它 具有良好的生物相容性，可任意塑型，这一特性是其它的骨修复材料所不具备的， 并且固化过程中放热量低，植入人体后可转化h a 并参与新陈代谢，具有骨传导 3 海南大学硕士论文2 0 1 0 年 和骨诱导性能。这些特点满足了临床骨修复的要求。 1 3 1c p c 的组成 固相主要由磷酸钙盐组成。磷酸钙盐主要包括磷酸四钙( t t c p ) 、磷酸三钙 ( 0 【t c p 或b - t c p ) 、二水磷酸氢钙( d c p d ) 、无水磷酸氢钙( d c p a ) 、磷酸二氢钙 ( m c p ) 等。研究初期磷酸钙骨水泥主要由t t c p 和d c p a 或d c p d 组成1 6 7 j ， 随着对研究的进一步深入，固相组成有了更广泛的选择范围【8 以0 1 ，一般由一种或 几种磷酸钙盐组成。 液相也称作固化剂或调和液。它的种类比较多，可以是蒸馏水、生理盐水、 稀磷酸、也可以是柠檬酸等有机酸和手术部位的血液等。由于人体内环境的p h 在7 4 左右，因此多数情况下液相选择相近p h 值的溶液。 1 3 2c p c 的物化性质 凝结时间：是指从固相和液相调和开始，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根据不同外科手术操作而确定，如用于牙科的c p c 要求凝结时间较短，应在5 r a i n 以内；用于骨缺损修复的c p c 应控制在3 0 m i n 以内。凝结时间可衡量骨修复材料在实际手术操作中的可行性，根据手术部位和 硬化条件要求不同，应可以在定范围内可调节。 自固化性：c p c 固相与液相调和后形成膏状物，可在人体生理环境下自行 固化。随着c p c 组成、形成条件等因素的变化固化性能表现出一定的差异，同 时固化体强度也会发生改变【11 , 1 2 。 可塑性：c p c 调合后形成膏状物，可按要求或骨缺损处的形状任意塑形， 且固化后形状保持不变【1 3 。1 5 】，克服了h a 陶瓷修复材料加工难的缺点。通过固化 液的选择，可以得到5 m i n 3 0 m i n 初期固化时间，这就有充足的时间使之在骨缺 损部位准确塑形。 1 3 3c p c 的改性研究 c p c 具有任意塑性、良好生物相容性等优良特性，但其固化时间偏长、抗 压强度低、抗侵蚀能力差等缺点限制了其应用。为解决上述问题，可以从以下几 个方面对其进行改性： ( 1 ) 缩短固化时间 c p c 的凝固时间通常为1 0 1 5 m i n ，也有报道为5 3 0 m i n ，而结晶反应的最 终完成需要3 5 h 或更长时间，因此必须缩短其固化结晶所需要的时间。影响固 化时间的因素有很多，如粉剂的类别、固相颗粒大小、液固比、固化液种类、 4 海南大学硕七论文2 0 1 0 年 添加h a 晶种比例等，因此可以调节其中一个或多个因素实现对固化时间的调 节。 ( 2 ) 提高抗压强度 抗压强度是评价骨修复材料的一个重要指标。目前c p c 抗压强度差距较大， 还不能用于承重部位的骨修复，根据报道，较大抗压强度的c p c 仅适用于低负 重部位的骨缺损修复，而较小抗压强度的c p c 适用于非负重部位骨缺损或小的 骨缺损修复及牙根管充填。而影响力学强度的因素与凝结时间类似，有固相组成、 颗粒大小、液固比、添加h a p 晶种、微孔结构及固化过程中施加压力等，选择 合适的条件就能提高c p c 的抗压强度。 ( 3 ) 增强抗散能力 c p c 应用于外科手术中，与血浆和体液接触后很容易被侵蚀而溃散，因此 一般都需等其初步固化后方可使用，从而限制了其在临床上的应用。为了克服这 一缺点，i s h i k a w a 等【17 】在快速凝固型c p c ( f s c p c ) 的基础上进行了改进，制 得抗水型c p c ，称为不溃散型c p c ( n d f s c p c ) ，或抗洗脱c p c ( a w f s c p c ) 。 其方法是在固化液中加入一定量的海藻酸钠，结果发现，即使调和后立即放入水 中也不会溃散，并能正常固化。 ( 4 ) 加强可注射能力 改善骨水泥注射性能的方法很多，可调节液固比，改变固相或液相成分等。 由于可注射型c p c 可在混合物固化前用注射器直接注射到骨缺损部位，对于微 创外科有重要意义。它避免了手术切开以及由此带来的其他问题，可应用于不需 要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效果的病 例，如椎体的骨质疏松或压缩骨折等。 ( 5 ) 复合生物活性因子 在天然骨中存在许多调节骨细胞活性的生长因子一转化生长因子( t g f ) 、骨 形态发生蛋f 刍( b m p ) 等。它们是骨组织自我修复的启动因子和加速剂，具有诱导 多种未分化或未成熟细胞分化为成骨细胞的能力，能极大地促进骨折和骨缺损部 位的骨形成，加速愈合进程【1 8 】。将这类成骨活性因子与磷酸钙骨水泥复合，可 以起到主动诱导新骨生成的作用，加速骨修复过程。 1 4p - t c p 骨修复材料的介绍 磷酸- - - - 钙 c a 3 ( p 0 4 ) 2 ，t c p 包括高温a 晶型和低温1 3 晶型两种。q t c p 是单 斜晶，晶格常数a = 1 2 8 9 a 、b = 2 7 2 8 a 、c = 1 5 2 2 a 、1 3 = 1 2 6 6 0 h ，密度为2 8 6 9 e r a 3 。 i b - t c p 是六面体，a = 1 0 3 2 a 、c = 3 6 9 a ，理论密度为3 0 7 9 c m 3 。 5 海南大学硕士论文2 0 1 0 年 p - t c p 主要是由钙、磷组成，c a p 近似为1 5 ，其成分与骨基质的无机成分 h a 相似，能与骨组织直接结合，具有良好的生物相容性，是一种良好的骨修复 材料。 1 4 1p - t c p 粉末的制备 p - t c p 粉末的制备一般有湿法、干法和水热法三种制备方法。 ( 1 ) 湿法：包括可溶性钙盐与磷酸盐反应法【1 9 】、酸碱中和反应两类【2 0 1 。可 溶性钙盐和磷酸盐反应一般以c a ( n 0 3 ) 2 和( n h 4 ) 2 h p 0 4 为原料，将( n h 4 ) 2 h p 0 4 溶液按一定的速度滴加到搅拌条件下的c a ( n 0 3 ) 2 溶液中，并用氨水调节p h 值， 反应完全后经陈化、过滤洗涤、干燥、煅烧成b t c p 粉末。 中和反应以c a ( o h ) 2 和h 3 p 0 4 为原料，将h 3 p 0 4 滴加到c a ( o h ) 2 的浆料中， 经静置、沉淀过滤，干燥后煅烧即得p - t c p 粉末。此工艺反应的唯- - n 产品是 水，故沉淀勿需洗涤，操作步骤简单。 ( 2 ) 干法：主要以c a h p 0 4 2 h 2 0 和c a c 0 3 或c a ( o h ) 2 为原料，按反应式： 2 c a h p 0 4 2 h 2 0 + c a c 0 3 二c a a ( p 0 4 ) 2 + c 0 2f + 5 h 2 0f 干法制得的p - t c p 粉末，晶体结构无晶格收缩，结晶性好，但粉末晶粒大， 反应产生副产物，组成不均匀。 ( 3 ) 水热法工掣2 l j ：此法应用较少，以c a h p 0 4 或c a h p 0 4 2 h 2 0 为原料， 在水热条件下，控制一定的温度和压力，合成得到晶格完整、晶粒直径更大的 p - t c p 粉末。 1 4 2f l - t c p 的应用 随着研究的不断深入，各种b t c p 材料以其优良的性能已经在临床医学中 得到广泛应用。现在人们正在积极探索和发展，将其应用于非承重部位的外科修 复，如整形外科、牙科、骨科以及将其作为药物载体等。p - t c p 骨修复材料日益 受到重视，有望成为一种理想的骨替代材料及载体。 1 ) 整形外科 武强等【2 2 】制备出多孔b t c p b m g 复合材料，用于修复下颌骨缺损。通过实 验观察发现，复合材料成骨早，骨量多，具有较强的骨修复能力。c o s t a n t i n o 等 【2 3 1 将c p c 用于颅面部重建及颅骨缺损的修复4 5 例，术后随访一年，未发现毒性 反应和结构性失败。 2 ) 牙科 o e r h a r t 及m i l l e r 【2 4 1 制备得到的p - t c p 陶瓷复合材料，可用于增高牙槽嵴、 6 海南大学硕士论文2 0 1 0 年 填塞骨腔；材料具有自凝固性，易塑型，且操作性好。戴红莲等跚采用可注射 c p c 作为根管填充剂，用于治疗牙髓病和根尖周病，临床上均未发生不良反应。 3 ) 骨科 郑承泽等将多孔磷酸三钙与自体红骨髓复合应，用于临床修复骨缺损2 1 例，术后随访1 3 年，结果显示植入材料的成骨作用明显。c o n s t a n t z 2 7 1 等将c p c 经皮注射到腕部骨折部位，发现在骨折愈合过程中c p c 能表现出良好的性能。 4 ) 药物载体 e i t e n m u l l e r ，s c h m i d e r 等用带微孔的陶瓷颗粒作为抗结核药及抗菌素的载 体，填塞至骨髓炎患部，约1 0 周后缺损骨基本修复，陶瓷粒子几乎全部被组织 吸收【2 8 】。 1 4 稀土元素荧光标记的研究 随着生命科学、临床医学等新兴科学的发展，分析化学面临着巨大的挑战， 生物大分子分析、药物分析、生物活性物质分析等新课题不断涌现，许多生物分 子由于本身可供分析的性质较弱，要获得高灵敏度的检测，常常借助外来的标记 物获得可测量的信号来分析。 目前，应用于生物体标记的荧光材料主要包括量子点、具有光学活性的金属 纳米粒子、复合型纳米粒子、稀土掺杂无机纳米发光材料等，它们种类丰富、光 谱品质高，合成方法灵活多样，目前己经在通讯、激光、显示等方面取得了可喜 成绩。 利用稀土掺杂无机纳米粒子作为生物荧光探针，可以解决传统荧光分析法固 有的缺陷。与传统的有机荧光探针相比，无机荧光探针具有较大的s t o k e s 位移， 发射光谱和激发光谱不会相互重叠，并且荧光寿命长，可以非常显著的降低来自 散射光、样品和试剂的本底荧光强度的干扰，将其作为探针测定生物分子，将大 大提高分析的灵敏度和选择性。 铕( e u ) 作为镧系元素中标记抗原抗体应用最广的元素，不仅荧光强度高， 而且半衰期也很长，介于1 0 10 0 0 l s 之间，同时铕的+ 3 价离子e u 3 + 与c a ：+ 的半 径及性质相似，与氧的配位能力较强，以离子键结合的化合物稳定性较高，并且 e u ”具有4 f 电子，能产生一系列的光磁效应，可应用于生物技术领域。 1 5 本研究主要工作内容 c p c 以其良好的生物相容性、任意塑型性以及终产物与骨的主要无机成分 7 海南大学硕士论文2 0 1 0 年 相似的优点，在骨修复材料的临床应用中具有很大的潜力。但是存在着凝固时间 长、力学性能较差等的缺点，不能满足骨组织工程支架材料的要求。同时，对于 c p c 具有骨诱导性能存在一些争议。 针对上述问题，本无主要研究制备出可满足临床微创修复应用的磷酸钙基骨 修复材料，该材料固相采用单相b t c p 粉体，液相采用壳聚糖一聚乙烯醇的酸 性溶液，提高了c p c 的可塑性和粘弹性；并利用铕离子进行掺杂，示踪c a 2 + 的 动向，为进一步研究提供条件。具体开展了以下两方面的工作： 1 以b t c p 作为c p c 固相粉体，选用柠檬酸，壳聚糖、聚乙烯醇作为液相。 设计了正交实验，从凝固时间和抗压强度两方面来确定该体系c p c 的最佳配比， 制备得到一种磷酸钙骨修复材料，并考察分析了其性能，详见图表l 。 图表1 c h a r t1 8 海南大学硕士论文2 0 1 0 年 2 利用铕的荧光性质，制备得到e u 3 十掺杂b t c p 荧光示踪材料，即使用具 有荧光性质的e u 3 + 代替c a 2 + 金属离子之后，将e u 3 + 作为荧光探针，对其进行了 表征与示踪研究，为进一步研究c p c 的骨诱导的具体过程和机理提供条件，详 见图表2 。 e u 3 + 掺杂b t c p n 各 上0、， 上上 ix r d 检钡9 s e m 柃测荧光显微镜荧光光谱i c p m s 检测 i l 1 r 制各试样 上 示踪实验 1 l i c p - m s 跟踪榆测 图表2 c h a r t 2 9 海南大学硕士论文 2 1 引言 第二章1 3 t c p 体系骨水泥的制备及其性能 目前，c p c 已有几百种体系【2 9 1 ，其中1 3 t c p 是一种具有良好生物相容性的 材料，在水溶液中的溶解度比h a 大，能为新骨的形成提供丰富的c a 、p ，在体 内可通过新陈代谢途径，促进新骨组织生成，但是其疲劳强度低、脆性大、抗 水性能不足，抗折及抗冲击性能远不能满足高负荷人工骨要求，对其进行深入研 究，提高各项性能成为研究的重点。 本章采用b t c p 制备了新型磷酸钙骨水泥，探讨了壳聚糖，柠檬酸，聚乙 烯醇及液固比对c p c 的凝结时间和抗压强度的影响，并对其微观形态进行表征。 2 2 试剂和仪器 2 2 1 试剂 h 3 p 0 4 c a ( o h ) 2 壳聚糖 柠檬酸 聚乙烯醇 去离子水 a r a r a r a r a r 广州化学试剂厂 广东汕头市西陇化工厂 国药集团化学试剂有限公司 天津市福晨化学试剂厂 国药集团化学试剂有限公司 实验室自制 2 2 2 仪器 托盘电子分析天平 a y 2 2 0岛津国际贸易有限公司 磁力搅拌器h g 4 多头磁力加热搅拌器金坛市富华仪器有限公司 数显恒温水浴锅h h $ 2 4 s金坛市大地自动化仪器厂 精密p h 计p h s 3 c 型上海康仪仪器有限公司 维卡仪标准江苏迅达路桥工程仪器厂 电热恒温鼓风干燥箱d h g 9 2 4 0 型上海一恒科技有限公司 万能压力机w d w - 5 c上海华龙测试仪器有限公司 x 射线衍射仪d 8 a d v a n c e 德国布鲁克公司 扫描电子显微镜 s - 3 0 0 0 n 日立( h i t a c h i ) 1 0 海南大学硕士论文2 0 1 0 年 2 3 实验方法 2 3 1 固相制备 按c a p 比为1 5 分别配制c a ( o h ) ：浆料和h 3 p 0 4 溶液，室温下将c a ( o h ) 2 浆料缓慢滴加到强烈搅拌状态下的h 3 p 0 4 溶液中，滴加完毕后继续搅拌2 3 小 时，抽滤后于8 0 下干燥，然后在9 0 0 下焙烧2 h ，即制备得到1 3 t c p 粉末， 并置于干燥器中备用。 2 3 2 液相配置 实验中设计了四因素四水平l 1 6 ( 4 4 ) 的正交实验，以得到壳聚糖、柠檬酸、聚 乙烯醇浓度和固液比的最优配比，详见表2 1 。 表2 1 正交试验设计表 t a b l e 2 1t h eo r t h o g o n a lt a b l eo fc p c sc o n t e n t n o 壳聚糖柠檬酸聚乙烯醇液同比 n o 壳聚糖柠檬酸聚乙烯醇液同比 ( w t ) ( 州) ( 川) ( m v g ) ( 州) ( 州) ( 训) ( m l g ) l1 50 50 8 59351 50 7 2l1 01o 81 031 02o 7 5 311 51 50 7 51 131 5o 5o 8 412 020 71 232 010 8 5 52 51o 7 51 34520 8 621 0 0 5o 71 441 01 5o 8 5 721 520 8 51 541 51o 7 822 0 1 5o 81 64 2 0 0 50 7 5 2 3 3 试样制备 称取一定量的1 3 t c p 粉末放入培养皿中，按照正交实验表的比例加入液相， 用药匙搅拌1 - 2 m i n ，将形成均匀的浆体填入到0 7 x 1 4 m m 的自制管中，两端封 1 2 ，放入温度3 7 c 、湿度9 0 以上的培养箱中，制备得到试样( 见图2 1 ) 。 海南大学硕士论文2 0 1 0 年 懿i ? o ；_ 蠢。；冀 图2 1c p c 试样 f i g 2 1s a m p l e so fc p c 2 3 4 试样性能参数的测定 ( 1 ) 凝固时间的测定 将试样在不同时间从培养箱中取出，采用水泥维卡仪测定其凝固时间。 ( 2 ) 抗压强度的测定 将试样在培养箱中养护2 4 h 后取出，上下面打磨平整，利用万能拉力机对试 样进行抗压强度的测试，载荷以9 0 0 n ，加压速度为1 0 m m m i n 。同一条件下测 定六个平行样品，求取平均值。抗压强度计算公式如下：o = 4 p 7 c d z 式中，o 一压缩强度，m p a ；p 一最大压力，n ；d 一试样直径，i i l r n 。 ( 3 ) 抗散能力测定 将成型好的试样立即浸泡到3 7 的去离子水中，置于3 7 恒温摇床中以 1 8 0 r m i n 的速率摇动。观察试样不同振动时间后的形貌和浸泡液的浑浊程度，并 拍照记录。 ( 4 ) 材料的浸泡 将固化成形的试样浸入盛有5 0 m l 生理盐水溶液烧杯中，密封放入3 7 恒 温箱中培养。l 、3 、7 、1 4 天后取出，浸泡于丙酮中使其停止水化，干燥后，利 用x r d 检测压碎试样，并利用s e m 观察其微观形貌。 2 4 结果分析 1 2 1 02 03 04 05 06 0 2 0 。 图2 21 3 t c p 的x 射线衍射谱 f i g 2 2x r dp a t e mo f1 3 一t c p 图2 2 为1 3 - t c p 的x 射线衍射谱，结果可知，图谱中的主衍射峰与1 3 t c p 标准p d f 卡片9 _ _ 0 1 6 9 中的三大主峰( o ，2 ，1 0 ) ，( 2 ，2 ，0 ) 和( 2 ，1 ，4 ) 晶面对应，说明 中和法制备的粒子中固相物质主成份为1 3 t c p 。 2 4 21 3 t c p 的s e m 分析 图2 3 1 3 t c p 的s e m 照片( 2 5 0 0 ；2 0 0 0 0 ) f i 9 2 3s e mm i c r o g r a p ho f1 3 - t c p 1 3 海南大学硕士论文2 0 1 0 年 e l e mw t a t ck 1 6 63 8 8 o k 2 0 4 93 5 9 5 p k2 7 5 02 4 9 2 c a k 5 0 3 43 5 2 5 t o t a ll0 0 0 010 0 0 0 图2 4b t c p 的能谱 f i g 2 4s p e c t r o s c o p yo f0 一t c p s e m 图2 3 中观察得出，1 3 t c p 粉末经过高温锻烧后粒度分布在纳米级至 微米级，同时其结晶程度高，晶体的形状较为规则，晶粒的尖角部位由于能量较 高，使其具有较高的生物活性。图2 4 是1 3 t c p 的能谱图，计算得到c a p = i 4 4 ， 与理论值c a p = i 5 0 较为接近，进一步证明合成的材料其主要部分为1 3 t c p ，纯 1 4 由表2 2 分析得出，极差越大对凝结时间的影响也越大，影响因素由强到弱 的顺序依次是：液固匕l ( m l g ) 柠檬酸( 埘) 聚乙烯醇( 训：) 壳聚糖( ) 。当减 小液固比时，样品的抗压强度提高。最优组合是：当液剂中壳聚糖浓度是2 、 柠檬酸浓度是2 0 、聚乙烯醇浓度是2 、液固比是0 7 m l g 。1 1 6 号没有此配 比的组合，因此补充此组合。实际测得其凝固时间是1 1 士0 3 6 m i n 。满足实际临 床手术操作中对于骨水泥凝固时间的要求5 3 0 m i n 。 海南大学硕士论文2 0 1 0 年 2 4 4 抗压强度分析 表2 3 抗压强度正交表 t a b l e2 3t h eo r t h o g o n a lt a b l eo fc o m p r e s ss t r e n g t h 壳聚糖柠檬酸聚乙烯醇液同比 均值l 1 7 9 14 6 7 1 0 0 2 9 0 9 均值2 1 8 9 41 0 3 48 2 41 0 8 7 均值3 6 0 8 1 3 3 41 4 9 61 1 1 5 均值4 7 3 22 1 9 11 7 0 41 9 1 3 极差 1 2 8 61 7 2 48 8 01 0 0 4 由表2 3 可以看出，影响抗压强度的因素由强到弱的顺序依次是：柠檬酸 ( 叭) 壳聚糖( 嘶) 液固比( m l 儋) 聚乙烯醇( 吼) 。当增大柠檬酸浓度，样品的 抗压强度提高。最优组合是：当液剂中壳聚糖浓度是2 、柠檬酸浓度是2 0 、 聚乙烯醇浓度是2 、液固比是0 7 m l g 。l - 1 6 号没有此配比的组合，因此补充 此组合，实际测得其抗压强度是2 4 1 0 士1 0 m p a 。同时，其凝固时间1 l 士0 3 6 m i n 。 1 6 海南大学硕士论文2 0 1 0 年 2 4 5 抗稀释性能分析 采用最优配比制备试样，p f 分别为振动o 、5 、1 0 、2 0 、3 0 和6 0 m i n 后c p c 样品的形貌和浸泡液的浑浊程度。 图2 5 振动不同时间后试样状态图 f i g 2 5s t a t u so fc p ca f t e rd i f f e r e n tt i m eo fv i b r a t i o n 从图2 5 可得出，试样经过l h ，1 8 0 r m i n 的摇动后，形状保持比较良好，未 曾散落，浸泡液的浑浊程度良好。分析其由于液相中加入壳聚糖和聚乙烯醇，形 成良好的水凝胶，从而使得c p c 试样的抗散性能明显增强。 1 7 海南人学硕士论文2 0 1 0 年 2 4 6 水化产物x r d 分析 a 而 c o u c 2 e 。 图2 6 水化产物的x 射线衍射谱 f i g 2 6x r dp a t e r no fh y d r a t i o np r o d u c t 由图2 6 可以看出，固化样品中含有大量的h a 和d c p d ，还有b t c p 原料， 这是由于在固化反应中生成h a 包裹在原料颗粒表面，使得水化反应速率由产物 扩散机制控制，反应速率进行的比较缓慢，在固化4 8 h 后产物中还残留部分b t c p 。 1 8 海南人学硕士论文2 0 1 0 年 2 4 7 扫描电镜分析 以最优配比制备试样，浸泡在生理盐水中，分别在1 ，3 ，7 ，1 4 天取出，停 止水化，风干，利用s e m 观察断面形貌。 图2 7a , b ，c ，d 分别为水化l ，3 ，7 ，1 4 天后试样断面s e m 照片( x 2 0 0 0 0 ) f i g 2 7s e mm i c r o g r a p ho fc r o s ss e c t i o no fs a m p l e s s o a k i n gi nw a t e ra f t e r1 ，3 ，7 ，14c l a y s 图2 7 a 可见在固化反应早期，柠檬酸根与钙离子的配位键结合和早期产物 的点接触连接使浆体中的原料颗粒连接成网状结构；从图2 7 中b - d 可见随着水 化过程的进行和水化产物含量的增加，毛细孔随之细化，颗粒间距逐渐缩短，网 状结构强度不断增大，当颗粒间距减小到一定程度时，由初始的分散状态逐渐转 变为相互连接，并且连接的面积不断增大，颗粒间发生结晶连接；最后整个体系 通过化学键力形成一种牢固的结构。 2 5 讨论 2 5 1 液相各组分选择 1 ) 壳聚糖( c h i t o s a n ，c s ) 是由甲壳素经脱乙酞化反应而得到的一种生物高分 1 9 海南人学硕士论文2 0 1 0 年 子，属含氨基的均态直链多糖衍生物。由于分子间和分子内存在强烈的氢键作用 导致壳聚糖不溶于通常的有机溶剂和水中，仅仅溶于酸或酸性溶液中，特别是稀 乙酸溶液，而且加热不熔化，高温直接炭化。同时，壳聚糖是具有良好的生物相 容性 3 0 3 1 ，可以缓慢在人体内被降解吸收，并且具有止血、止痛等功能，能够促 进上皮细胞生长、促进成纤维细胞迁移、诱导有序的胶原沉积和纤维排列、有利 于新生组织的结构重塑和构建等活性【3 2 。 2 ) 柠檬酸( c a ) 是一种有机弱酸，大量存在于骨的有机质中，骨中的柠檬 酸占人体柠檬酸总量的7 0 ，在人体生命活动中起着不可或缺的作用。由于柠檬 酸含有三个羧基，其电离出来的氢离子可以与壳聚糖分子链上众多的氨基结合， 使得壳聚糖形成带正电的聚电解质，破坏了壳聚糖分子间和分子内的氢键，从而 使壳聚糖溶于水中。一些研究表明1 3 3 3 4 ，在骨水泥的液相中添加柠檬酸，可以提 高骨水泥的流动性，这是由于柠檬酸的酸性较强，能够提高磷酸盐在溶液中的溶 解度，从而使得固相颗粒不断溶解，提高了其流动性。 3 ) 聚乙烯醇( p v a ) 是一种性能优良的水凝胶【3 5 3 。7 1 ，生物相容性好，具有 含水量高、弹性好、强度高、毒性低、化学性质稳定、易于加工、无毒副作用等 特点，因此倍受世人关注。但聚乙烯醇的高分子链上不含离子基团，故聚乙烯醇 凝胶不具有p h 离子敏感性，而壳聚糖分子中的氨基使壳聚糖凝胶具有p h 离子 敏感性，将聚乙烯醇与壳聚糖共混可得到的聚乙烯醇一壳聚