磷酸钙骨水泥的改性增强研究进展

廖建国，刘 琼

(河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作 454000)

0 引言

磷酸钙骨水泥(CPC)是一种能产生骨再生效果的骨修复材料，具有优良的生物相容性和骨传导性，在制备工艺上可注射成型并快速固化，在固化过程中释放热量少，因而在骨修复领域有广阔的应用前景.但由于CPC固化后生成的微晶体会形成“缠绕"结构，这在赋予CPC一定机械强度的同时也造成骨水泥结构中较高的气孔率，导致其力学性能较低［1－2］，使得CPC的基本物理性能与临床要求之间存在一定的差距，严重限制了其临床应用范围.近年来，国内外科研人员在系统研究CPC理化性能的基础上对其改性增强做了大量的研究工作，本文将相关的研究进展综述如下.

1 优化CPC的制备条件

固化体的抗压强度和凝结时间是CPC最重要的2个理化性能指标.提高CPC的抗压强度，调节适宜的凝结时间是CPC制备工艺条件优化研究的主要内容.目前，许多科研人员在对CPC的研究中，通过改善固化液的组成、颗粒粒度以及工艺过程等制备条件来对CPC进行改性，以提高其理化性能.

沈卫等［3］研究了固化环境、液固比、固化液等制备工艺条件对CPC抗压强度的影响规律，结果表明，改变制备工艺条件，可以控制浆体微结构的特征，使大孔的尺寸和数量减小，颗粒间的结合强度提高，从而提高CPC固化体的抗压强度.陈德敏［4］使用柠檬酸为基本组成配制了若干种CPC固化液，结果显示，其抗压强度最大可达84.33 MPa.徐立新等［5］用化学沉淀法合成HA(羟基磷灰石)粉末与用固相反应得到的α-TCP(α-磷酸三钙)粉末按一定比例混合均匀制得CPC粉料，然后用固化液(25%柠檬酸+70%去离子水+5%柠檬酸钾)调和制得凝固体，当α-TCP含量为50%时CPC强度最高，抗压强度可达47 MPa左右.Xu等［6］在制备TTCP/DCPA(磷酸四钙/无水磷酸氢钙)快凝CPC多孔支架时，向固化液中加入15%的壳聚糖(CS)，当固液比为3.5时，CPC的抗弯强度达到25.3±2.9 MPa.

此外，毛克亚等［7］研究了不同粉体粒径对碳酸化羟基磷灰石水泥(CHC)的固化时间与压缩强度的影响，结果表明，在37℃、100%湿度条件下CHC固化时间随粉体粒径减小而缩短，而固化后的抗压强度随粉体粒径缩小而升高，超细粉体CHC初凝时间为3 min，终凝时间为8 min，最终固化后的抗压强度可达51±3.73 MPa.Ginebra等［8］从控制原始粉料颗粒大小的角度出发，来控制固化后CPC的显微结构和气孔率，从而改善了CPC的力学性能.叶建东等［9－11］以等质量的部分结晶磷酸钙(PCCP)和DCPA混合组成的CPC粉体作为研究对象，研究了PCCP和DCPA粒度变化对CPC抗压强度等性能的影响，利用该体系制备新型可注射CPC的可注射性为45%时，其抗压强度最大可达37.5 MPa.Zhang等［12］采用甘露醇粒子作为造孔剂，研究了粒子尺寸、液固比、孔的形态和数量对α-TCP力学性能的影响，结果表明，CPC凝固体的临界裂纹尺寸随着孔隙率增加而增加，通过控制微结构可以提高其力学性能.历孟［13］等探讨了20 wt%甘露醇、5 wt%碳酸氢钠及5 wt%明胶微球分别与CPC粉末混合固化制备多孔CPC的理化特性、生物相容性及强度的差异，结果显示，以明胶微球制备的多孔CPC具有较高的初始强度及较好的生物相容性.史雪婷等［14］研究了不同质量比α-TCP/β-TCP粉末对两相CPC凝固时间和抗压强度的影响，得到最大抗压强度为52.98 MPa的两相 CPC.Panzavolta等［15］研究了加入不同量的DCPD(CaHPO4·2H2O)对仿生α-TCP骨水泥性能的影响，结果表明，当DCPD的加入量为10 wt%时，α-TCP骨水泥的初凝、终凝时间均明显增加，当DCPD的含量为15 wt%时，α-TCP骨水泥无法固化，同时，DCPD的存在阻止了α-TCP骨水泥中明胶的释放，明胶与DCPD的存在共同影响磷灰石孔隙的形成率，从而使α-TCP骨水泥的机械性能显著提高，抗压强度最高可达35 MPa.张涛［16］等通过在CPC固相配方中添加不同量的氯化钙(CaCl2)，研究了不同钙磷物质的量比对CPC性能的影响，结果表明，提高钙磷物质的量比不会显著增加CPC凝结时间，但随钙磷物质的量比的增加，水化后CPC的抗压强度显著提高.刘文斌［17］等研究了温度控制及骨粉掺入量对CPC抗压强度的影响，结果表明，以鱼骨粉以及磷酸三钙和磷酸氢钙等为原料，通过高温烧结法可制备出性能较高的磷酸钙基生物骨水泥，制备过程中温度控制及骨粉掺入量对CPC抗压强度有着较为显著的影响，控制合理的温度控制和骨粉掺入量可适当提高CPC的抗压强度.Mestres［18］等将MgO与NaH2PO4或NH4H2PO4进行混合制成MPC(磷酸镁骨水泥)，结果显示，这种MPC体系的早期抗压强度比单纯CPC明显增强，且含Na离子的MPC对链球菌有很好的抗菌活性.

2 CPC的复合增强

研究发现，通过添加一些无机、有机颗粒或纤维等对CPC进行复合增强可以改善CPC的理化性能和生物学性能，进而缩短固化时间，提高抗压强度.

2.1 在CPC中添加无机成分

据统计，人体骨骼中含有60%～70%的无机物，组成骨的无机盐有羟基磷灰石、碳酸钙、氟化钙、氯化钙等，其中羟基磷灰石是其主要的矿物质.因此，许多科研人员在对CPC的研究中，通过在CPC的合成过程中加入一种或多种无机盐，合成出不同类型的磷灰石，利用各种离子的自身特点对CPC进行改性，从而提高其性能.

李成海等［19］将无水硫酸钙加入CPC中，发现无水硫酸钙的加入量为34.14%时CPC的抗压强度达到最大值26 MPa，以后随无水硫酸钙的加入，抗压强度却迅速降低.Van den Vreken等［20］将ACP(无定形磷酸钙)加入α-TCP/MCPM(α-磷酸三钙/一水合磷酸二氢钙)或者TTCP/MCPM骨水泥中，得到的骨水泥具有较好的凝结时间及与非承重骨匹配的抗压强度，且磷酸盐最终全部转化为缺钙磷灰石，而单纯α-TCP/MCPM基的骨水泥虽然抗压强度较高，转化成缺钙磷灰石的比率也较高，然凝结时间较长，骨水泥虽然凝结时间可接受，但其抗压强度和缺钙磷灰石转化率较低.胡继林等［21］研究了超细无定形CaSiO3的加入量对CPC性能的影响，结果表明，在CPC中添加超细无定形CaSiO3可以促进CPC的固化，提高其硬化物的抗压强度，在所设计的CPC配方中添加5%的超细无定形CaSiO3时，CPC的性能达到最佳，抗压强度可达50.44 MPa.Roemhildt等［22］在CPC中加入铝酸钙，发现其流动性、可塑性大大提高.王志强等［23］研究了针状硅灰石对CPC性能的影响，结果表明，在CPC中添加针状硅灰石可以缩短凝结时间，提高抗压强度，当针状硅灰石的添加量为3%时，CPC性能达到最佳.Wang等［24］研究发现，为可注射性CPC中加入8 wt%的β-硅酸二钙(β-C2S)后能显著提高其抗压强度(26.5～47.5 MPa)，而不影响CPC的生物降解性、固化时间、可注射性及CPC的微观结构.Wu等［25］采用磷酸镁水泥(MPC)和CPC混合制备钙—镁磷酸盐水泥(CMPC)，当磷酸钙、镁水泥重量比1∶1时，终凝时间为6 min左右，24 h后，CMPC的抗压强度最高达到91 MPa.

此外，用弥散的颗粒和晶须作为增强相加入CPC基体中，也可有效地提高CPC的力学性能.Xu等［26］对碳化硅和氮化硅晶须增强CPC进行了研究，发现用双酚-A-甘油-甲基丙烯酸酯将晶须和CPC按不同比例混合后，其强度增加了3倍，刚度增加了5倍，弹性模量增加了2倍.Takahashi等［27］将 7.5 wt%氧化锆、氧化铝和二氧化硅颗粒加入α-TCP骨水泥后，其抗压强度从42 MPa分别提高到48 Mpa、64 Mpa、67 MPa，并且发现，复合CPC抗压强度的大小与增强颗粒的分散程度和CPC的晶粒大小有关，与氧化锆等的相变无关.

2.2 CPC与纤维复合

根据材料的复合原理，在CPC与纤维复合制成的增强CPC体系中，纤维承受大部分荷载，在基体和纤维之间起到桥梁的作用，并且当基体在纤维与基体界面产生断裂时，纤维可以阻止裂纹扩展或使断裂发生偏转，从而达到调整界面应力，提高材料的机械性能.

吴文进等［28］将表面改性后的碳纤维(CF)与α-TCP粉复合，制备成α-TCP/CF复合增强CPC，结果显示，当CF的加入重量百分数为0.5时，复合材料的抗压强度达到46.7 MPa，比单纯的α-TCP材料抗压强度提高了22%.Pan等［29］研究证实，CPC中含30%的壳聚糖纤维，5%的胶原时可获得最大的抗弯强度.Gorst等［30］研究发现，增强纤维的结构对强度和弹性模量也有重要影响.李娟莹等［31］以碳纤维为增强相，含硅羟基磷灰石为基体，用丙烯酸/衣康酸的缓冲液为固化液，制备了碳纤维增强含硅羟基磷灰石骨水泥，并研究了工艺因素对其抗折强度的影响，结果表明，随碳纤维体积含量、硅烷偶联剂KH-550和柠檬酸钠含量的增加，骨水泥的抗折强度均呈现先增大后减小的趋势，骨水泥的抗折强度最大值为43.8 MPa.Canal等［32］用CPC与不同类型的聚合物或陶瓷纤维进行复合，结果表明，增加CPC与纤维间的附着力可以提高CPC的机械性能.

此外，孙晓宁等［33］采用壳聚糖(CS)对纳米碳管/磷酸钙骨水泥进行增强，结果表明，当CS含量0.5%且直接混合于纳米碳管/磷酸钙骨水泥粉体中能够得到一个较短的凝固时间和较高的抗弯强度(13 MPa).Low等［34，35］采用多壁碳纳米管及牛血清蛋白增强β-磷酸三钙/无水磷酸氢钙(β-TCP/DCPA)骨水泥，结果显示，牛血清蛋白和多壁碳纳米管的存在影响骨水泥中形成的HA晶体形态，从而得到最大抗压强度为14 MPa的骨水泥.董伟强［36］等研究了纳米碳管处理的CPC材料的生物相容性和体外生物力学性能，结果表明，以纳米碳管处理的CPC材料生物相容性符合国际规定的体内植入物的生物学评价标准，其强度和韧性较普通骨水泥有较大的提高.

2.3 CPC与有机物复合

骨骼中除了含有部分无机物外，还有少量的有机物，将这些有机物与CPC进行复合，既可以改善CPC的表面活性，又可以提高CPC的机械强度.

Ishikawa等［37］通过在固化液中加入藻酸钠，在FSCPC基础上制备了不溃散且快速固化型的CPC，调和后立即放入水中也不会溃散，并能正常固化，而常规的CPC调和后立即放入水中，在1min内即溃散，并证实藻酸钠的加入，对固化过程和时间无影响，而且在一定浓度范围内，随着藻酸钠的增加，CPC的强度很快上升.Link等［38］在磷酸钙中复合乳酸—乙醇酸共聚物(PLGA)，使短期内骨水泥的强度和性能有了很大的提高，但在8周后，骨水泥的强度对于承重的目的来说还是不足.Chang等［39］采用聚富马酸丙二醇酯增强CPC用于治疗股骨头坏死，结果表明，随着CPC比例的提高，复合CPC的抗压强度提高，交联温度和复合CPC的体积变化率降低.Lin等［40］发现多肽共聚物胶粒复合CPC后，其抗压强度、抗弯强度都较单纯CPC的高，分析认为是因为多肽共聚物有很多的亲水侧链与孔壳胶粒能加强CPC的强度所致.

3 CPC中添加晶种

研究发现，在CPC中，固化产物的结晶形态会对CPC的强度产生一定的影响，随着HA所占比例的增大，CPC的强度将得到一定程度的提高.

邵慧芳等［41］以D-山梨醇为调节剂制备的针状HA作为晶种应用于CPC的原位增强中，使水化产物晶体之间定向生长和排列，从而达到对CPC进行增强的目的，结果表明，该方法可使CPC的抗压强度达到76.1 MPa，径向抗拉强度达到24.5 MPa.Yang等［42］研究了磷酸二氢钙(MCP)-氢氧化钙(Ca (OH)2)体系CPC随HA晶种的增加，抗压强度先增加后降低，但具体机理仍不清楚.蔡舒等［43］以α-TCP为基材，探讨了不同结晶程度的HA晶种对抗压强度的影响，结果表明，一定量晶种的加入，可有效促进HA成核，抑制HA晶粒的长大，从而提高CPC的抗压强度.Dos Santos［44］等的研究表明，α-TCP的抗压强度随着HA晶种的加入量的增加先升高后下降，存在一个最大值，即晶种的含量存在一个最佳值.李东旭等［45］将3种不同形貌的HA晶种添加到CPC中，研究了其形貌对CPC增强效果的影响，结果发现，晶种的形貌对CPC水化产物晶相没有明显影响，对CPC的抗压强度影响明显，大尺寸的HA晶种能更好地起到增强效果，HA晶种添加量为3 wt%时，其抗压强度由初始的9.0 MPa增加到36.9 MPa，增幅达310%，最佳晶种添加量为2 wt%～4 wt%.

4 结语

目前，CPC凭借其良好的生物相容性和骨传导性，在修复骨缺损、人工关节植入固定等骨科临床上显示出良好的治疗效果，受到了国内外科研人员的广泛关注.然而，由于CPC存在力学性能不足、固化时间长等缺点，所以国内外研究者采取了不同的措施对其进行改性增强，但是其整体力学性能提高并不大.此外，随着体系中高分子相的添加，CPC的凝固时间明显增加，不能满足临床条件下对CPC快速固化的要求，这也使得改性无机CPC只能用在低/非承重部位.随着医学和材料学技术的不断发展，迫切需要研制出一种新型骨水泥材料，既具有较高的力学性能，同时又继承传统CPC的良好操作性、自固化性及骨传导性.

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