稀土氧化钇改性磷酸钙骨水泥的研究*

杨高峰

(榆林化工能源学院 陕西 榆林 718100)

酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement, CPC)是20世纪90年代初研制成功的一种具有生物学活性的新型非陶瓷型羟基磷灰石类人工骨材料[1～3]。与传统的陶瓷型羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA)相比，具有制备简便(不需要烧结)、任意塑形和缓慢降解等优点。与普通骨水泥相比，生物相容性好，在固化结晶过程中不产热，这些特点适应了临床修复骨缺损的需要[4～6]。因此，CPC问世后倍受关注，成为国外近年来的一个研究热点，相关研究报道迅速增多，并已经从基础理论和动物实验逐渐开始向临床试用阶段过渡。国内有关CPC的研究刚刚起步，目前文献报道较少。

稀土掺杂羟基磷灰石，对羟基磷灰石的合成有促进作用，并且使其具有更稳定的性质。人体硬组织的无机成分除磷灰石外还有许多阴、阳离子，并且发现在生物磷酸盐化石中，稀土元素含量比较高。Y3+的原子半径与Ca2+相当，可以替代羟基磷灰石中的Ca2+。在烧结的YHA表面单位面积内，羟基的数量随着Y的增加而增加，甚至达到了10%(摩尔分数)。这个研究小组还发现，相比HA，YHA具有良好的导电性。由于钇掺杂的羟基磷灰石具有亲水性，所以已经被制成湿敏元件。因为亲水性和导电性这两个性质对骨的再生起着至关重要的作用，所以可以认为Y-HA在骨移植方面具有一定的潜力。掺杂2%(摩尔分数)Cd、Zn、Mg及Y离子的羟基磷灰石，在蛋白吸附、细胞吸附和细胞培养试验后发现，在酶解物试验中，相比于HA和掺杂Cd、Zn、Mg离子的羟基磷灰石，YHA对变性骨胶原具有最好的吸附性[7～9]。并且，YHA对于Ca2+的吸收也较其余几者强，随着Y离子含量的增加，Ca2+的吸附浓度也变大，表明Ca2+和Y3+之间有较好的相容性，这可能是由于Y3+相对于其它离子(二价离子Cd2+、Zn2+、Mg2+)而言，具有不同的电荷数和结构[10～13]。在骨粘附性方面，YHA比HA以及Cd、Zn、Mg离子掺杂羟基磷灰石的骨粘附性好。含钇离子浓度较大的的HA相比浓度较小者更能促使骨细胞贴壁生长。因此，基于YHA的一系列性质，可以认为Y-HA有望成为一种良好的骨替代材料。

钇在生物陶瓷领域也有一定的作用：

1)在钛合金表面除预置CaHPO4·2H2O、CaCO3粉末外，还加入稀土氧化物Y2O3，经激光处理后，实现了合成与涂覆同步制备含HA活性生物陶瓷涂层的复合材料。Y2O3的加入对HA的合成及其结构稳定性，生物陶瓷涂层组织细化以及力学性能均有促进和改善作用。

2)通过在钛合金表面上预涂敷一定比例的CaHPO4·2H2O-CaCO3混合粉末及相应的过渡层并进行激光熔覆处理，获得了以TC4为基材的含羟基磷灰石(HA)的生物陶瓷涂层复合材料。同时研究了稀土元素的加入对于生物陶瓷涂层组织的影响。研究表明，Y2O3不仅对涂层组织有细化作用，而且对激光合成HA有催化作用并能使HA相结构保持稳定。

3)在铁合金表面上预涂复CaHPO4·2H2O-CaCO3-Y2O3混合粉末，随后进行激光熔覆处理，获得了以TC4为基材的含HA的生物陶瓷涂层复合材料。研究了稀土元素对涂层性能的影响。研究结果表明，Y2O3能明显改善涂层材料的综合力学性能、耐蚀性能和生物性能。

到21世纪，人类在医疗方面达到一个非常高的技术水平，生物材料对于人体组织器官的替代、修复、移植方面的研究己经取得了丰硕的成果，而骨修复生物材料就是其中一个非常活跃的研究和临床应用领域[14～16]。相比之下，目前我国生物材料的研究、开发和临床应用与国外差距相当大，每年消耗的生物材料大多依靠进口，研制和开发临床需要的相关生物材料是我们面临的重要课题。如前所述，20世纪90年代新型的自固化骨修复生物活性材料——磷酸钙骨水泥的发明为诸多类型的骨缺损的修复治疗提供了一种非常有效的措施，在修复非负重或低负重部位的骨缺损和牙周治疗中获得满意的临床应用效果。而对磷酸钙骨水泥的深入研究和性能的改善提高，将有助于CPC在骨外科、整形外科及口腔科等领域获得更为广泛的应用[17]。尽管CPC作为骨修复的生物材料具有上述的许多优点，但CPC同时存在固化时间长、粘结性能差、机械性能不足、降解缓慢、初凝阶段接触体液易崩解等缺点，又使其应用受到一定程度的限制[18]。因此，笔者选择这一新型的骨修复生物材料——磷酸钙骨水泥CPC作为改性研究的对象。本课题的研究目标主要有以下几个方面：

1)原料不变，在其中加入氧化钇和没加入氧化钇在烧结温度和时间都相同的情况下合成无定型磷酸四钙，无定型磷酸四钙与磷酸氢钙混合水化得到磷酸钙骨水泥，讨论掺杂氧化钇和未掺杂氧化钇对生成羟基磷灰石的影响。

2)改变氧化钇的含量，做出四组对照试验。

3)采用 XRD、SEM、EDS 等技术对水化后的试样进行表征，根据大量的试验数据来分析计算掺杂氧化钇对水化合成磷酸钙骨水泥性能的影响。笔者所完成的主要研究内容有以下几个方面：

1)分析并理解磷酸钙生物陶瓷目前掺杂改性的主要理论依据和研究成果。

2)设计一套完整的实验方案，以讨论氧化钇加入的方法及整个实验过程。先选择实验方法以及实验仪器，再选择并确定反应后物相和分析元素扩散情况的测试设备。

3)实验方案确定后，进行试探性实验，以确定选择氧化钇加入的方式、烧结实验所选用的炉子类型、粉末混合方式和压制方法、氧化钇的选用量以及烧结温度和保温时间。通过试探性实验后，采用不锈钢模具进行水化压制成形，合成CPC的前驱体，采用与磷酸四钙CaHPO4·2H2O，Y2O3的掺杂量分别为0%、0.5%、1%、1.5%、2%，烧结温度为460 ℃，保温时间为120 min，选用管式炉进行烧结。

4)采用 X 射线衍射分析(XRD)进行物相检测。

5)试样的横截面形貌和元素的扩散情况采用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)进行表征。

6)结合物相分析、横截面形貌以及能谱分析结果，确定掺杂氧化钇的最佳含量，由此分析掺杂氧化钇对水化合成磷酸钙骨水泥性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验所用药品

主要实验所用药品见表1。

表1 实验所用药品

续表1

1.2 实验所用仪器

实验所用主要仪器见表2。

表2 实验所用仪器

1.3 实验方法

磷酸钙骨水泥又称羟基磷灰石，羟基磷灰石粉体材料的合成方法主要有干法(固相反应)、水热法、湿法(包括液相合成法，溶胶-凝胶法等)。本实验所用的方法主要是共沉淀法和固相法。

1.4 实验过程

1)先称量43 g的硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O和1 g氯化镁(MgCl2·6H2O)，分别加入(0、0.5%、1%、1.5%、2%)氧化钇，混合后放入500 mL的烧杯中，向烧杯中加入500 mL去离子水，放在磁力搅拌机上搅拌均匀，设为A料，放置备用；

2)称量55 g的磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)、50 g氢氧化钠(NaOH)、2 g碳酸氢钠(NaHCO3)、2 g焦磷酸钠，把称量好的药品放入2 000 mL的烧杯中，向烧杯中加入1 300 mL去离子水，用磁力搅拌机搅拌均匀，设为B料，放置备用；

3)先称量B料，搅拌溶解，再称量A料，溶于烧杯中，A料以200 mL/min的速度倒入B中，搅拌30 min。静置使其沉淀，沉淀取出后在50 ℃的干燥箱中干燥，干燥后取出，放入研钵中研磨成细粉，放置备用；

4)把细粉放入坩埚中，在120～200 min升温到460 ℃，在460 ℃保温120 min，然后自然冷却，取出备用；

5)把制备好ACP与二水磷酸氢钙以质量比1∶1混合，以固液比为5∶1的比例加入去离子水，调和均匀，放入不锈钢模具中，室温下自然固化。

1.5 工艺流程图

1.5.1 磷酸四钙的制备

图1磷酸四钙制备工艺流程图

1.5.2 无水磷酸氢钙的制备

图2无水磷酸氢钙制备工艺流程图

1.5.3 CPC粉末的制备

图3CPC粉末制备的工艺流程图

1.5.4 CPC固化体制备

图4CPC固化体制备工艺流程图

1.6 实验检测方法

1.6.1 凝结时间的测定

将CPC粉末和固化液按液固质量比(L/P)=0.2的比例均匀调和，在室温的环境中逐渐固化；将维氏针(质量为300 g，针端直径为1 mm、长为50 mm)垂直放在骨水泥表面，并停留5 s，每隔30 s重复一次；在骨水泥接近初凝时，每隔10 s重复一次，直至针头不能在骨水泥表面留下圆形痕迹。从开始计时到式样表面留下一个不超过3 mm深的痕迹的这段时间即为凝结时间。

1.6.2 可注射性的测试

注射率是从注射器中挤出的CPC浆体质量占注射前注射中CPC浆体总质量的百分比。采用体积为10 mL的注射器，先称量注射器，再将骨水泥混合后置于注射器中，再称量注射器和骨水泥总质量，2 min后以恒定速率15 mm/min挤出CPC浆体，待到注射不出时停止，称量剩下浆体和注射器的总质量。

1.6.3 X射线衍射分析和原子能谱分析

X射线衍射(XRD)是固质体物结构分析的重要工具。将压碎的固化体粉末在研钵中研磨，干燥后，进行X射线衍射分析和原子能谱分析。

1.6.4 扫描电镜进行材料表面的形貌分析

扫描电镜(SEM)主要是用来观察材料的形貌特征和表面特征。将材料的端面进行表面镀膜喷金处理后进行扫描电镜观察其表面形貌。

1.7 CPC固化体的制备

称量2 g无定形磷酸四钙和2 g二水磷酸氢钙置于研钵中混合均匀。以固液比5∶1的比例加入去离子水在研钵中混合均匀，得到糊状混合物，迅速填入不锈钢模具(内径为6 mm，高度为15 mm)中，用力压实，5 min后从模具中取出，放在空气中干燥。

2 实验结果与讨论

2.1 凝结时间分析

表3为钇羟基磷灰石(不同固化液)的凝结时间测定值。

图5为氧化钇含量-凝结时间图，横坐标为氧化钇的质量百分含量，纵坐标为凝结时间值。其中T1、T2代表水为固化液时CPC的初、终凝结时间。T3、T4代表壳聚糖溶液为固化液时CPC的初、终凝结时间。

图5 氧化钇百分含量对凝结时间的影响

从图5可以看出，随着氧化钇含量的增加，凝结时间值T1、T2、T3、T4都总体是呈上升趋势。分别用相同的水和壳聚糖溶液作固化液时，用水的凝结时间比用壳聚糖溶液的时间短，可能是因为当骨水泥中加入相同体积的固化液时，壳聚糖溶液比水粘稠，要使骨水泥粉末达到相同水化程度要比水加的少一些，壳聚糖溶液过量，所以才使磷酸钙骨水泥的凝结时间变长[19～22]。当氧化钇含量>0.5%时，骨水泥的凝结时间没有明显的变化，同时磷酸钙骨水泥的凝结时间>45 min，明显超出了临床可操作时间范围。可能是因为钇离子的加入抑制了磷酸钙骨水泥的水化反应，使得凝结时间变长[23]。虽然本实验磷酸钙骨水泥的凝结时间超出了范围，但也可以更加方便地应用于临床医学。在应用时先配制出磷酸钙骨水泥粉末，用真空包装保存起来，可以随时取出应用。

2.2 可注射性分析

表4与表5分别是磷酸钙骨水泥中加入水和壳聚糖溶液(固液比为0.2 mL/g)配制的骨水泥浆体在室温下测定的注射率值。

表4 磷酸钙骨水泥的注射率(0.8 mL去离子水)

表5 磷酸钙骨水泥的注射率(0.8 mL壳聚糖溶液)

图6为氧化钇质量百分含量-注射率图。1代表水为固化液时磷酸钙骨水泥的注射率，2代表壳聚糖溶液为固化液时磷酸钙骨水泥的注释率。

从图6可以看出，2的注射率大于1的。当骨水泥中加入相同体积的固化液时，壳聚糖溶液比水粘稠，要使骨水泥粉末达到相同水化程度要比水加的少一些，壳聚糖溶液过量，使得加入壳聚糖溶液的骨水泥的注射性比水的大。从图6中还可以看出骨水泥浆体可注射性都有所提高，并随着氧化钇含量增大而增大。当Y2O3含量在1.5%时壳聚糖溶液的骨水泥浆体的可注射性明显大于水的骨水泥的可注射性。当Y2O3含量在2%时，骨水泥浆体的可注射性都有所降低，可能是因为Y2O3含量过大导致水化反应变慢，注射出去的大部分都是水。

图6 氧化钇含量对注射率的影响

2.3 X射线衍射分析

图7、图8是固相合成的羟基磷灰石与掺钇的羟基磷灰石对比的XRD图谱，同时也存在少量其它杂质的谱线。2个图是干燥后的纯a-CPC、b-0.5%Y2O3的CPC、 c-1%Y2O3的CPC、d-1%Y2O3的CPC、e-1.5%Y2O3的CPC粉末的X射线衍射图谱。a、b、c是水作为固化液时固化体的图谱，d、e是壳聚糖溶液为固化液时固化体的图谱。通过分析可以发现5种产物的图谱中的衍射峰都与羟基磷灰石的衍射峰相符，说明通过上述方案制备的样品都为羟基磷灰石。图7与图8中的1代表羟基磷灰石，2代表磷酸氢钙。

图7 0%、0.5%、1%Y2O3固化体(固化液为水)的XRD图

图80%、1%、1.5%Y2O3固化体(固化液为壳聚糖)的XRD图

由图7、图8可以看出，在骨水泥固化体中，HA的特征衍射峰具有较高强度而加入钇离子的特征衍射峰较弱，说明固化体粉末中HAP晶相占有很大的比例，同时还含有少量未反应的DCPA晶相，这证实ACP、DCPA、Y2O3系统确实具有水化和凝固，并逐渐向HA转变的特性，说明3种物质反应可以生成羟基磷灰石[24～25]。

2.4 扫描电镜分析

图9、图10、图11、图12的CPC固化体的微结构是由固相体和空隙组成。孔隙主要有CO2伴生的气孔形成的大孔和浆体水化空间形成的毛细孔。在高放大倍数下CPC样品表现为无定形态，但在低放大倍数下观察，无定形物质是由针状或棒状结晶组成，针状晶是CPC的水化产物HA也是水化导致颗粒间相互粘结的主要原因[26]。CPC主要由细小的针状晶和融合成棒状的棒状晶组成，在孔隙区域形成的针状晶体一般生长较快并且相互缠绕，呈放射状[27]。

图9与图10相比较可以看出，晶粒之间的孔隙变大了，由紧密的结晶形态变成棒状或柱状的结晶；图9与图11相比较，结晶形态没有发生太大的变化，但晶粒之间的孔隙变小了；图9与12比较，结晶形态由紧密型变成了松散型，孔隙变大。

图9 含0%Y2O3骨水泥固化体不同放大倍数的SEM图

图10 含0.5%Y2O3骨水泥固化体不同放大倍数的SEM图

图11 含1%Y2O3固化体不同放大倍数的SEM图

从以上研究可以看出，在骨水泥中加入不同量的钇，改变了骨水泥的结晶形态，使晶粒之间的孔隙变大，经稀土钇改性后的骨水泥的水化产物的结构和形态具有优异的生物性能；微观上低结晶度的数百纳米的羟基磷灰石针状结晶和宏观无定形磷灰石区域的存在促进了骨水泥材料在生理系统中的可降解性，而骨水泥的多孔性能使细胞渗透并进入材料内以及物质扩散到基质内部和由基质内部扩散出来均较容易[29]。我们通过扫描电子显微镜观察的CPC固化体的结构与形态是在微区中观察到的，没有代表性。

2.5 原子能谱分析

图13为含0.5%Y2O3羟基磷灰石的原子能谱图。

图12 含1%Y2O3固化体不同放大倍数的SEM图(壳聚糖溶液)

图13 含0.5%Y2O3羟基磷灰石的原子能谱图

从图13可以计算出钙/磷原子比为0.88，这明显小于正常的钙/磷比1.67。从图13还可以看出，钠的含量比较高，本应该没有钠离子的或少到忽略不计，钠离子出现异常。这可能是因为在反应过程中有反应物没有反应完全或是沉淀没有清洗干净，杂质太多。从图13还可以看出,钇的含量为0，可能是因为钇的掺入量非常少，没有检测出来。

2.6 孔隙率

表6为CPC固化体的密度值。

表6 Y2O3百分含量对CPC固化体的密度的影响

续表6

表7为水和壳聚糖溶液作为固化液时羟基磷灰石的密度。

表7 Y2O3百分含量对孔隙率的影响

续表7

图14是氧化钇百分含量-孔隙率图(p1代表水为固化液测得的孔隙率，p2代表壳聚糖溶液为固化液的孔隙率)。

图14 Y2O3百分含量对孔隙率的影响图

通过Ptotal=(dHA-dmeasured)/dHA公式和dHA=3.14 g/cm-3来计算孔隙率，如表7所示。

从图14可以看出，用水作为固化液比用壳聚糖溶液作固化液的孔隙率小，这就导致了羟基磷灰石的强度不同，用水做固化液的比较大。从图14可以看出，两条线都是先增大后减小再增大。在0.5%Y2O3百分含量时出现孔隙率的最大值，在1%Y2O3百分含量时出现孔隙率的最小值。总体上来说，孔隙率是变大的，可能是应为钇离子的加入，直接导致了晶体之间的联系不在紧密，使得孔隙的增加[30]。通过SEM图也可以看出，无氧化钇到0.5%时，孔隙率变大了，再到1%时，孔隙率又变小，这正与图14相符，说明计算出的孔隙率比较准确。钇离子的加入使得孔隙增加，这使得磷酸钙骨水泥具有优异的生物相容性和生物活性，更有利于磷酸钙骨水泥的降解[31]。

3 结论

笔者利用硝酸钙、氯化镁、氧化钇、磷酸氢二钠、氢氧化钠、碳酸氢钠、焦磷酸钠为原料先制得磷酸四钙(ACP)，再用制得的ACP与DCPA按质量比1∶1混合得到CPC粉末。将制得的CPC粉末以固液比5∶1,加入去离子水，在空气中干燥后得到CPC粉末的固化体，即钇羟基磷灰石。对所得到产物进行分析，得到如下结论：

1)随着Y2O3含量的增大，凝结时间逐渐增大；

2)随着Y2O3含量的增大，可注射性变大；

3)通过XRD分析，验证了利用自制含钇离子的磷酸四钙(TTCP)、二水磷酸氢钙(DCPD)可以生成羟基磷灰石；

4)通过SEM分析，CPC水化产物为片状或针状HA相互交错呈连续分布的网状结构，这种结构有利于材料强度的提高，同时材料有孔隙存在；

5)随着Y2O3含量的增大，孔隙率先变大再变小再变大；

6)通过原子能谱分析得到了钙/磷原子比为0.88，可能是原料中磷酸氢钙没有反应完全；出现了钠离子异常增多，可能是因为固化体中含有磷酸氢钠。

综上所述，制备的CPC固化体(水为固化液)中氧化钇含量在0.5%时凝结时间最佳，初凝时间为27 min、终凝时间为70 min；用水为固化液的CPC粉末的可注射性为30%左右，用壳聚糖溶液为固化液的可注射性为40%左右。从衍射峰中可以看出，出现了异常的衍射峰，可能是在生成的羟基磷灰石中含有杂质磷酸氢钙和磷酸氢钠。孔隙率为40%左右，这些孔隙的存在使得固化体的密度减小但有利于液相的渗入，使水化反应充分进行，最终使得CPC固体粉末转化为HA。孔隙率大有利于CPC固化体的降解性能的提高。