不同质量比N，O－CMC/n－β－TCP复合材料在模拟体液中的降解性能

刘玉艳，储顺礼，李男男，包幸福，高 尚，沙 莉，胡 敏，蒋引珊

(1.吉林大学口腔医院，长春130041;2.吉林大学材料科学与工程学院，长春130022)

羧甲基壳聚糖(N，O－CMC)及n－β－磷酸三钙(n－β－TCP)是骨修复和支架材料的研究热点［1－5］，但二者不同质量比复合后的降解性能尚未见报道，因此，对不同质量比的二者复合材料进行了体外降解实验，以期为进一步的体内实验提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

3种不同质量比的N，O－羧甲基壳聚糖(N，O－carboxymethyl chitosan，N，O－CMC)/纳米β－磷酸三钙(Nano－β－tricalcium phosphate，n－β－TCP)多孔复合材料为吉林大学实验室合成［6］。

1.2 体外浸泡实验

模拟体液(Simulated body fluid，SBF)的配制: SBF参考Kokubo［7］的方法进行配制，具体步骤如下:将 7.995 g NaCl、0.353 g NaHCO3、0.224 g KCl、0.071 g Na2SO4、0.305 g MgCl2· 6H2O、0.228 g K2HPO4·3H2O和0.277 g CaCl2依次溶于900 mL蒸馏水中;将40 mL、1 mol/L的HCl缓慢加入到上述溶液中;在搅拌状态下将6. 118 g(CH2OH3)3CNH2缓慢加入到上述溶液中，待其全部溶解后，搅拌均匀;用上述1 mol/L的HCl调节溶液pH为7.4，并定容1000 mL。现用现配并经过滤除菌、4℃冰箱保存备用。

首先将制备的复合材料块体置于干净的聚乙烯塑料瓶中，按照块体质量和SBF体积比为1 g/ 60 mL的比例，添加新配制的SBF溶液，再将聚乙烯瓶加盖密封，置于37℃恒温水浴锅中，分别浸泡7 d、14 d、21 d、28 d。为保证模拟环境的离子浓度不变，一周换一次SBF溶液。浸泡结束后取出，用去离子水洗净，60℃真空烘干后以备测试用。

1.3 复合材料浸泡后的性能表征和检测

(1)SBF溶液pH值的测定

采用国产雷磁PHS－3C型数显pH计测量不同浸泡时间、不同比例N，O－CMC/n－β－TCP复合材料降解液的pH值。各测试点分别取出3个平行样，取平均值。

(2)浸泡前后复合材料质量测试

将不同浸泡时间的多孔试样取出，经去离子水反复浸泡、洗涤干燥后，用高精密电子天平称重，并按公式δ=(m－m0)/m0×100%计算其重量变化，其中m0和m分别为浸泡前后的质量。若计算结果为正，说明浸泡后增重，用增重率表示;若计算结果为负，说明浸泡后失重，用失重率表示。各测试点分别取3个平行样，取平均值。

(3)浸泡后复合材料的X射线衍射仪(XRD)测试

采用丹东方圆仪器有限公司的DX－2700 X射线粉末衍射仪对降解后样品的表面相结构进行分析。采用Cu Kα(λ=0.15406 nm)射线，管电压为35 kV，管电流为25 mA，扫描范围为10°～60°，扫描步宽为0.03°/s，采样时间为0.5 s。

(4)浸泡后复合材料的FTIR测试

采用美国Nicolet公司的Nexus670傅里叶变换红外光谱仪对降解后的样品进行官能团结构分析测试，KBr压片法，测量范围为 400～4000 cm－1，分辨率为1 cm－1。

(5)不同浸泡时间复合材料钙、磷离子浓度测试

使用美国PE公司的电感耦合等离子体发射光谱仪(型号:Optima 2100DV)，测试条件如下:等离子体气为15 L/min，辅助气为0.2 L/min，雾化气为0.80 L/min，发射功率为1300 W，进样速度为 1.50 mL/min。(参考方法为 BS EN ISO11885:2009电感耦合等离子体发射光谱法测水中33种元素)

2 结果

不同质量比复合材料在模拟体液中浸泡28 d内的pH值及质量变化见图1和图2。从图1可知，不同质量比复合材料的pH值呈现相似的变化趋势，既浸入SBF后，pH值在前5 d内迅速降低，6～14 d开始缓慢上升，随后pH值基本处于稳定状态。由图2可知，不同质量比复合材料浸泡28 d后质量均有所增加。大致规律是随着nβ－TCP的增加，复合材料质量先增大后减小，当二者的质量比为1∶1时，其质量比浸泡前明显增大，增重率达到4.45%。

图1 SBF浸泡液的的pH值随时间变化曲线Fig.1 Variation of pH value of SBF solution due to soaking time

不同质量比复合材料降解28 d后的XRD及 FTIR测试结果见图3及图4，从图3中可以看出:不同质量比复合材料的物相组成没有明显变化，但与浸泡前复合材料的XRD图谱比对，可观察到类骨羟基磷灰石的弱衍射峰。从图4中可以看到，550 cm－1和607 cm－1对应P的υ4振动吸收峰，961 cm－1对应P的υ1振动吸收峰;在1042 cm－1、1462 cm－1等附近出现的吸收峰对应的是碳酸根(酯)基团的吸收峰，它们是代替 P的C产生的振动带［8］。

图2 N，O-CMC/n-β-TCP复合材料在SBF中浸泡28 d后的质量变化Fig.2 Mass variation of N，O-CMC/n-β-TCP composites after soaked in SBF solution for 28 d

图3 N，O-CMC/n-β-TCP复合材料在SBF中浸泡后的XRD图谱Fig.3 XRD patterns of N，O-CMC/n-β-TCP com posites after soaked in SBF solution

图4 N，O-CMC/n-β-TCP复合材料在模拟体液中浸泡后的FTIR图谱Fig.4 FTIR spectra of N，O-CMC/n-β-TCP com posites after soaked in SBF solution

不同质量比复合材料在SBF浸泡液中钙、磷离子浓度随时间变化如图5所示，既材料浸入溶液中的第1周，溶液中的钙、磷离子浓度下降较快;之后的2周，钙离子浓度在此水平缓慢上升;第4周时，钙离子浓度又缓慢下降。N，O－CMC/β－TCP质量比为1∶2的磷离子浓度在此后的两周持续呈小幅下降趋势，至最后1周趋于平稳，其他组磷离子浓度在此后的3周均在此水平小幅波动并趋于平稳。

图5 复合材料浸泡不同时间后SBF溶液中Ca、P离子浓度变化Fig.5 Variation of Ca and Pelemental concentration of SBF solution due to soaking time

3 讨论

3.1 SBF溶液pH值变化的分析

如果复合材料在模拟体液浸泡过程中发生降解，体液pH值就会出现相应的变化。浸泡初期体液pH值急剧下降的原因可能是n－β－TCP和壳聚糖的降解与类骨磷灰石的生长使体液中存在着大量的Ca2+、P和C离子，其中Ca2+离子沉积在试样表面，使体液中剩余了大量的P和 C离子，因此模拟体液的pH值急剧下降。随着时间的延长，体液的pH值逐渐回升，至第二周时基本处于稳定;这可能是材料的降解速率与磷灰石的沉积速率由不平衡的波动达到平衡的动态变化过程，既磷灰石及壳聚糖的降解与类骨磷灰石的生长在第二周时基本处于稳定状态，体液的pH值变化不大。实验中不同比例复合材料降解过程中pH值变化均较小且在近中性状态，如:N，O－CMC/β－TCP质量比为1∶2时，pH值处于6. 855～7.40;质量比为2∶1时，pH值处于6.80～7.40，尤其是当二者质量比为1∶1时，pH值处于7.0～7.4，这样的复合材料在植入生物体后应有助于使周围的pH值稳定在中性偏碱的状态，从而减少无菌性炎症的发生，使材料的生物相容性得到提高。

3.2 浸泡后复合材料的质量变化分析

不同质量比复合材料在模拟体液中浸泡28 d后的质量均增加，说明溶液中的某些离子已沉积到复合材料中。XRD分析(见图3)表明，复合材料表面有类骨磷灰石相生成，说明复合材料质量的增加是因为材料表面沉积了类骨磷灰石。同时也表明，实验所制备的N，O－CMC/n－β－TCP复合材料具有良好的生物活性，具有诱导材料表面形成类骨磷灰石的潜能。

3.3 浸泡后复合材料的XRD分析

为了更好地研究复合材料在模拟体液中的降解情况，对降解28 d后的试样进行XRD表征结果显示:不同质量比复合材料的物相组成没有明显变化，但与各自材料浸泡前XRD图谱对照，可观察到类骨羟基磷灰石的弱衍射峰，并且由于类骨羟基磷灰石结晶较弱，从而使浸泡后复合材料的衍射峰略有宽化。其成因可能是在SBF溶液中，同时含有钙、磷、碳酸根离子及其他微量元素;其中，钙、磷离子自身具有成核作用，而溶液中的碳酸根离子和其它金属离子也可沉积并进入晶格中，从而形成碳酸化的羟基磷灰石结构，即类骨羟基磷灰石。类骨磷灰石具有与骨磷灰石相似的组成和结构，易被内源性生长因子，蛋白质分子和骨组织细胞识别为骨矿物，进而有利于新骨形成，是评价材料具有诱导成骨作用的要素［8］。

3.4 浸泡后复合材料的FTIR分析

XRD测试只能提供材料晶相变化信息，无法了解在整个复合材料的浸泡过程中某些离子或基团是否发生变化，因此对降解后复合材料进行FTIR测试十分必要。图4中可以明显看到由C替代P产生的振动带，这表明复合材料的降解产物不仅是单纯的羟基磷灰石，而且是含有一定B型碳酸磷灰石的类骨型磷灰石(HCA)。HCA是人体骨组织的主要无机盐，N，O－CMC/nβ－TCP复合材料表面在SBF中形成类骨的HCA微晶，说明材料对生理环境具有响应特性和生物活性，具有促进新骨形成的功能［8］。

3.5 不同浸泡时间复合材料钙、磷离子浓度变化分析

从图5中可知，浸泡的第一周，由于SBF溶液中的钙离子、磷酸根离子浓度较高，且溶液中还含有碳酸根等离子，这些离子在样品表面快速形成类骨羟基磷灰石沉积物，消耗了大量钙、磷离子，因而使SBF溶液中的钙、磷离子浓度下降较快。随着浸泡时间的延长，溶液中钙离子又在材料表面沉积，同时磷酸三钙的降解使溶液中的钙、磷离子增加，这种沉积与降解过程的不平衡导致浸泡液中的钙、磷离子浓度波动变化，并逐渐由不平衡达到动态平衡，最终使溶液中的钙、磷离子浓度基本保持恒定。其中N，O－CMC/n－β－TCP质量比为1∶1的钙、磷离子浓度波动幅度较小，说明该材料在SBF浸泡液中的降解与沉积趋势较适宜，具有较好的力学支撑。

4 结束语

不同质量比N，O－CMC/n－β－TCP复合材料在模拟体液中降解性能的检测结果表明:不同质量比复合材料降解液的pH值为6.9～7.4;材料的质量随降解时间呈增加趋势;材料表面均有类骨羟基磷灰石生成。总之，三种比例复合材料在SBF中均有较好的降解性，尤以二者质量比为1∶1时性能最好。但在生物体内的性能是否如此，还需进一步的实验证实。

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