钙磷物质的量比对磷酸钙骨水泥性能的影响

张 涛 高杰维 屈树新李茂红 翁 杰

(材料先进技术教育部重点实验室，西南交通大学材料科学与工程学院，成都 610031)

钙磷物质的量比对磷酸钙骨水泥性能的影响

张 涛 高杰维 屈树新＊李茂红 翁 杰

(材料先进技术教育部重点实验室，西南交通大学材料科学与工程学院，成都 610031)

本研究通过在磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement,CPC)固相配方中添加不同量的氯化钙(CaCl2)，制备不同钙磷物质的量比的CPC，研究不同钙磷物质的量比对CPC性能的影响。测试CPC的初、终凝时间。将CPC体外模拟浸泡3 d和7 d，研究模拟生理条件下CPC的性能，分别利用X-射线衍射(XRD)、力学性能实验机、扫描电镜(SEM)等研究CPC相成分、抗压强度和断面微观形貌。通过化学滴定测定浸泡液中氯离子浓度。结果表明：提高钙磷物质的量比不会显著延长CPC凝结时间；模拟浸泡液中的氯离子浓度处于正常生理条件的范围内；随钙磷物质的量比的增加，水化后CPC的抗压强度显著提高，而经过体外模拟浸泡后，钙磷物质的量比为1.67和1.80的CPC的抗压强度明显下降；具有较高钙磷物质的量比的CPC体外模拟浸泡后，形成多孔结构、弱结晶类骨磷灰石的终产物。

磷酸钙骨水泥；氯化钙；钙磷物质的量比

磷酸钙骨水泥 (calcium phosphate cement，CPC)是由一种或多种磷酸钙粉末均匀混合，与磷酸盐缓冲液(phosphate buffer solution，PBS)、血清或水等液相混合后，在生理条件下可自固化、易塑型，具有优良生物相容性的无机骨修复材料[1-2]。因此，CPC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[3]，成为骨修复材料的研究热点之一。

其中Biocement D是由Driessens等在1994年提出的一种配方[4]，具有一定的力学性能、合适的初、终凝时间以及起始原料易制备等优点，被广泛研究和应用。但是，Biocement D的组成和相成分与自然骨尚存在一定差异，其钙磷物质的量比为1.50，CPC在生理环境中的终产物为羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)，HA 的钙磷物质的量比为1.67。而自然骨的钙磷物质的量比(nCa/nP)为 1.71，结晶度为33%～37%[5]，因此，需要来自人体的Ca2+促使其向HA转化，较低的钙磷物质的量比将影响CPC向HA转化的效率，给术后患者恢复造成影响。Ye等[6]用化学沉淀法合成了不同钙磷物质的量比并含碳酸根的部分结晶磷酸钙(PCCP)，用PCCP和无水磷酸氢钙(DCPA)研制了新体系磷酸钙骨水泥，随着骨水泥中钙磷物质的量比的增加，其抗压强度显著下降，主要是由于其中孔隙率的增加，骨水泥的结晶度随钙磷物质的量比的增加而增加。但由于原料中的磷酸钙盐是难溶性盐，所研制的磷酸钙骨水泥的孔隙尺寸主要分布在数百纳米，缺乏适合细胞和组织长入的数百微米的孔隙[7]。

因此，本研究在CPC中添加不同量的可溶性氯化钙(CaCl2)，不仅可作为调节骨水泥钙磷物质的量比的钙源，并且可以根据需要调整氯化钙的粒径，制备出具有不同钙磷物质的量比的多孔CPC，并研究模拟生理条件下不同钙磷物质的量比对CPC性能的影响。

1 实验部分

1.1 不同钙磷物质的量比CPC的制备及体外模拟研究

将 CaCl2过筛，粒径控制在 20～37.5 μm，取不同量分别加入Biocement D[4]的固相成份中(将配方中DCPD改为DCPA)，可制得钙磷物质的量比为1.60、1.67 和 1.80的CPC，未 添 加 CaCl2的Biocement D作为对照组。以PBS为液相，液固比为0.20 mL·g-1，分别将 4 组 CPC 固相 (1.0 g) 和液相(0.20 mL)均匀混合、塑型、37℃相对湿度 100%水化24 h。将制备好的样品按照30 mL·g-1加入PBS浸泡，放入恒温水浴振荡器，恒温(37℃)、振荡速率100 r·min-1。分别于3 d和7 d取样，每天换液30 mL，保存浸泡CPC样品后的PBS。

1.2 性能表征

1.2.1 凝固时间的测定

采用Gilmore双针法测量CPC的初凝时间(initial setting time，IT)和终凝时间(final setting time，FT)[8]，每隔15 s测1次，每组测3个样本，进行统计学分析。

1.2.2 CPC 中 CaCl2的溶出

采用沉淀滴定法测定浸泡液 (PBS)中Cl-的浓度，表征CaCl2的溶出速率。因酸性条件下可消除PBS溶液中磷酸根离子的影响，本实验采用酸性条件下进行测定的弗尔哈德法[9]。

1.2.3 抗压强度

采用Instron 5567型力学性能实验机(Instron，UK)分别测定水化24 h的CPC试样，以及体外浸泡3 d和7 d的CPC试样的抗压强度，加载速度为 0.5 mm·min-1，试样尺寸为 Ф 6 mm×12 mm。每组测 5个样品取平均值，进行统计学分析。

1.2.4 微观形貌

将体外浸泡7 d后的CPC样品在120℃条件下烘干，切开得到自然断面。用导电胶将样品粘在铜托盘上，再进行喷金处理。用Quanta 200型扫描电子显微镜 (Scanning electron microscope，SEM，FEI，The Netherlands)观察CPC样品断面微观形貌。

1.2.5 CPC 相成分分析

将CPC水化24 h、体外浸泡3 d和7 d的CPC样品研磨成粉末，采用X射线衍射仪(X-Ray diffraction，XRD，X′Pert型，Philips，The Netherlands)测试相成分。测试条件：Cu靶，电压：40 kV，电流为40 mA，扫描范围 2θ：20°～35°。

2 结果与讨论

2.1 氯化钙对CPC初、终凝时间的影响

图1是不同钙磷物质的量比CPC初、终凝时间变化图。由图发现，随着CaCl2添加量的增大，CPC的初、终凝时间有一定的增加，但与对照组比较没有显著性差异(P＞0.05)。有文献报道，减小液固比、增大产物成核生长速率、增加产生化学键力连接时颗粒间距均可缩短CPC浆体的凝结时间[10]。CaCl2易溶于水，当CPC固相液相混合时，部分CaCl2会溶解在液相PBS中，并随CaCl2添加量增大而增加，CaCl2作为起始固相成分之一，部分溶解在PBS中，实际增大了液固比，延长了CPC凝结时间。但由于CaCl2的最大添加量仅为14.4wt%，因此没有显著改变初、终凝时间。凝结时间是CPC的重要物理性能，决 定了手术可操作性。Khairoun等研究认为[11]，对于临床应用，初凝时间在3～8 min；终凝时间应该小于 15 min。本研究中 1.50-CPC 和 1.60-CPC 的初终凝时间均符合要求，1.67-CPC 和 1.80-CPC 的初凝时间略大于8 min，但与空白实验组相比没有显著性延长。

图1 不同钙磷物质的量比CPC的初凝和终凝时间Fig.1 Initial setting time(IT)and Final setting time(FT)of CPC with different Ca/P molar ratios

2.2 模拟生理条件下CPC的性能

2.2.1 氯离子浓度

图2出示了浸泡液中氯离子累积浓度随时间的变化曲线。由图可见CaCl2在最初2 d溶解速率较快，随时间推移，浸泡液逐渐进入CPC内部使得CaCl2逐渐溶解，氯离子的浓度曲线变得平缓，说明CaCl2溶解速率降慢。同一时间，钙磷物质的量比高的CPC，由于其中添加的CaCl2较多，因此溶液中氯离子浓度较大。1.80-CPC的氯离子最大浓度为(0.02744±0.00173)mol·L-1，人体体液中的氯离子浓度为 0.103 mol·L-1,并且体液处在动态流动中[12]，所以不会形成局部氯离子浓度过高而对人体造成伤害。

图2 不同钙磷物质的量比CPC体外浸泡释放氯离子累积浓度Fig.2 Cumulative concentration of Cl-from CPC with differentCa/Pmolarratiosafterimmersed invitro

2.2.2 抗压强度

图3是CPC水化24 h以及分别浸泡3 d和7 d的抗压强度。由图可见，水化24 h后，CPC的抗压强度随CaCl2的加入而提高，并随添加量的增加而增加，1.80-CPC 和 1.67-CPC 的抗压强度较对照组有显著性提高，达到了(18.87±7.07)MPa 和(13.11±4.10)MPa。浸泡3 d后，对照组CPC抗压强度较未浸泡的提高，达到(22.86±6.11)MPa，而添加 CaCl2的3组的抗压强度不仅较对照组相比明显减小，而且较各自未浸泡的基本未变或降低，随着CaCl2添加量的增加降低愈明显。浸泡7 d后，除1.80-CPC组外，其余各组CPC的抗压强度均较各自未浸泡组有不同程度提高，1.60-CPC的抗压强度最大，为(32.40±4.72)MPa，而 最 小的1.80-CPC 也 达 到 了(12.46±3.73)MPa。由于 CaCl2的添加，其溶解产生一定的孔隙，导致材料孔隙率增加，不规则缺陷增加了，可导致材料抗压强度下降[13]。

图3 不同钙磷物质的量比CPC水化24 h(CPC-0)、分别浸泡3 d(CPC-3)和7 d(CPC-7)的抗压强度(*P＜0.05)Fig.3 Compressive strengths of CPC with different Ca/P molar ratios after 24 h of hydration(CPC-0),and soaking in PBS for 3 d(CPC-3)and 7 d(CPC-7)(*P＜0.05)

2.2.3 SEM观察

图4是不同钙磷物质的量比CPC在模拟浸泡7 d后的断面SEM照片。从图中可以发现，不同的钙磷物质的量比对CPC微观结构和晶体形貌影响明显。随着CPC钙磷物质的量比的增加，CPC的断面变得更加疏松多孔。图4(a)和(b)显示1.50-CPC和1.60-CPC的断面形貌呈相对致密的结构，没有较大孔隙。图4(c)和(d)显示1.67-CPC和1.80-CPC的表面存在着一些孔径在数10 μm的孔隙，并且表面颗粒之间相对疏松。骨组织工程支架不仅要求材料具有良好的生物相容性和可降解性，而且对多孔结构有一定的要求[14]。这种多孔的结构将有利于骨水泥的降解和新生骨组织的长入[15-16]。在图4各图右上角为相应试样的高倍SEM照片，显示了不同钙磷物质的量比CPC的晶体形貌。1.50-CPC的高倍SEM显示一些较大的颗粒，这些颗粒可能是CPC起始原料或沉积的磷酸钙。1.60-CPC的高倍SEM显示晶体形貌以细小的针状形貌为主，并且较1.50-CPC断面形貌松散，没有较大的颗粒存在，说明提高CPC的钙磷物质的量比会促进各种CPC起始原料的溶解和再沉积。1.67-CPC的高倍SEM显示晶体形貌是花瓣状和片状，并且已经均匀的分布在CPC的内部。1.80-CPC的晶体形貌为更加细小的花瓣状。

图4 不同钙磷物质的量比CPC模拟浸泡7 d后的断面微观图Fig.4 SEM images of the cross sections of CPC with different Ca/P molar ratios after soaking in PBS for 7 d

2.2.4 XRD 分析

图5(A)是CPC水化24 h后的XRD图，图5(B)和图5(C)分别是CPC模拟浸泡3 d和7 d后的XRD图。由图可见，水化24 h后各种CPC的主要成分为未转化的α-TCP和DCPA以及新形成的HA，未见CaCl2和CaCO3的衍射峰，这是由于CaCl2和CaCO3的加入量少，并且在CPC的固液相混合、水化过程逐渐被溶解。随着CPC钙磷物质的量比增大，CPC的α-TCP和DCPA主极大衍射强度逐渐减弱，表明加入CaCl2导致CPC钙磷物质的量比提高，可能加速α-TCP和DCPA向最终相HA转化或溶解。

图5 不同钙磷物质的量比CPC的XRD图Fig.5 XRD patterns of CPC with different Ca/P molar ratios

CPC 模拟浸泡 3 d 后，1.50-CPC 和 1.60-CPC 的XRD图中仍然存在未转化的α-TCP和DCPA的尖锐的衍射峰，新形成HA的衍射峰较宽；而1.67-CPC和1.80-CPC的XRD衍射图谱以新形成HA较宽的衍射峰为主，1.67-CPC尚存在少量α-TCP的衍射峰 (如 2θ=34.2°和 30.7°)。CPC 浸泡 7 d 后，1.50-CPC和1.60-CPC的XRD衍射图谱中α-TCP的衍射峰强度变弱，HA衍射峰强度增大，CPC成分逐渐向 HA 转变；1.80-CPC 和 1.67-CPC的XRD 衍射图谱中主要为HA较宽的衍射峰，和图5(B)相比，HA的衍射峰(211)逐渐消失形成弥散的衍射峰，表明CPC结晶度进一步降低。由于CaCl2的加入，提高CPC的钙磷物质的量比，高的钙磷物质的量比利于CPC中α-TCP等原料向最终相低结晶度HA转化。尤其体外模拟浸泡后，高的钙磷物质的量比显著促进磷酸钙骨水泥向终产物羟基磷灰石转化。根据文献和推测，加入CaCl2的CPC在水化和模拟生理条件浸泡过程中，CPC各组分可能发生以下反应[17]：

表1是根据各种CPC的XRD图通过软件MDI Jade 5.0计算得到的CPC结晶度。水化24 h后，4组CPC的结晶度都为85%左右。体外模拟浸泡后，在同一时间点，随着钙磷物质的量比的增加，CPC的结晶度降低。随着浸泡时间的延长，1.80-CPC和1.67-CPC的结晶度进一步下降，而 1.50-CPC和1.60-CPC结晶度略有增加。模拟浸泡7 d后，1.50-CPC 至 1.80-CPC 的结晶度分别为 74.57%、75.95%、52.18%和 45.17%，因此，体外模拟浸泡后，高的钙磷物质的量比显著降低磷酸钙骨水泥的结晶度，与人体骨结晶度(33%～37%)[5]接近。

表1 不同钙磷物质的量比CPC的结晶度Table 1 Crystallinity of CPC with different Ca/P molar ratios

根据文献报道[18-20]，体外模拟浸泡后的1.67-CPC和1.80-CPC的XRD图和自然骨的非常相似，均以弱结晶HA为主，在化学组成完全相同的情况下，无定形和低结晶材料具有更大的能量和反应活性，更容易降解、具有更好的生物活性。因此，推测这种在结构、结晶度等与自然骨的无机相成分类似的CPC的终产物可能具有较高生物活性和更容易降解。

XRD分析结果显示，由于加入CaCl2，在CPC水化和体外浸泡过程中均可提供较多的Ca2+，根据上述化学反应方程式，当存在较多的Ca2+将促进CPC的起始原料DCPA和α-TCP的向CPC的终相HA转化，并且随着钙磷物质的量比的增大，这种作用更加明显。钙离子和磷酸根离子聚集在材料表面使相应的离子浓度达到成核阈值，在位点形成晶核，随后溶液中的钙、磷酸根等离子在晶核上沉积使晶体长大[21]。钙磷物质的量比越高，越容易达到成核阈值，形成更多的成核位点，促进HA形成。然而由于给予晶体生长的时间较短，晶体没有充分在各个晶面长大，导致结晶度降低。随着DCPA和α-TCP的溶解或转化，导致各种钙磷离子重新沉积，改变CPC晶体结构，将松散的CPC固相中的钙磷盐通过钙磷离子的流动和沉积被紧密的束缚到一起，类似于“胶水”作用。因此可显著的提高CPC抗压强度。1.67-CPC和1.80-CPC水化后拥有较高的抗压强度，利于植入初期提供适当的支撑作用，而在体外模拟浸泡后，形成与自然骨组织无机质类似的低结晶度的HA。同时，随着加入CaCl2的溶出，在CPC中产生一定的孔隙，虽然导致其抗压强度下降，但是利于新生组织的长入。

3 结 论

(1)通过添加不同质量比例CaCl2可以制备出具有不同钙磷物质的量比的CPC，CaCl2的加入不会显著的改变各CPC的初、终凝时间。模拟体外释放的氯离子的浓度处于正常生理的范围。

(2)随着钙磷物质的量比的增加，水化后的CPC的抗压强度显著提高。体外模拟浸泡之后，随着CPC中的CaCl2溶出，钙磷物质的量比为1.67和1.80的CPC的抗压强度显著降低。

(3)较高的钙磷物质的量比会促进CPC的起始原料DCPA和α-TCP的溶解或向热力学稳定的终相HA转化，并且随着钙磷物质的量比的增大，这种作用更加明显。体外模拟浸泡后，较高的钙磷物质的量比显著地影响CPC的相成分和降低其结晶度，形成以类骨弱结晶磷灰石结构为主的终产物。随着CaCl2的逐渐溶出，在CPC内部形成了孔径大约在数10 μm的孔隙，并且表面变得更加疏松。这种相成分和微观形貌结构使CPC具有快速降解和优良生物相容性的特点。

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Influence of Ca/P Molar Ratio on Performance of Calcium Phosphate Cement

ZHANG Tao GAO Jie-WeiQU Shu-Xin＊LI Mao-Hong WENG Jie
(Key Lab of Advanced Technologies of Materials,Ministry of Education,School of Material Science and Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031)

The aim of this study is to investigate calcium phosphate cement(CPC)with different Ca/P molar ratios prepared by adding different amounts of calcium chloride (CaCl2).The initial setting time (IT)and final setting time (FT)were studied.X-ray diffraction (XRD),mechanical testing,and scanning electron microscope(SEM)were used to characterize the phase composition,compressive strength and the morphology of the fracture surface of CPC with different Ca/P molar ratios after soaking in phosphate buffer solution (PBS)for 3 days and 7 days,respectively.The chloride concentration in PBS was determined by Chemical titration to characterize the dissolution rate of calcium chloride.Results showed that the IT and FT of CPC were not improved significantly with the increase of the Ca/P molar ratios.The chloride ion in PBS was in the normal physiological range.The compressive strength was improved after hydration with increasing Ca/P molar ratios,and the compressive strength of CPC which Ca/P molar ratios were 1.67 and 1.80 decreased significantly after soaking in PBS.CPC with high Ca/P molar ratios formed the poor crystalline apatite with porous microstructure similar to those of the inorganic composition of bone.

calcium phosphate cement;calcium chloride;molar ratio of nCa/nP

TB321；O613.62;O614.23+1

A

1001-4861(2010)06-0957-06

2010-01-18。收修改稿日期：2010-03-17。

国家自然科学基金项目(No.30470484，50975239)；教育部新世纪人才基金项目(No.NCET-05-0797)资助。

＊通讯联系人。E-mail：qushuxin@home.swjtu.edu.cn

张 涛，男，25岁，硕士研究生；研究方向：磷酸钙骨水泥。