閆巖

（四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

多巴胺改性PCL纖維增強(qiáng)摻鍶磷酸鈣骨水泥的制備與表征

閆巖

（四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

在摻鍶磷酸鈣骨水泥的基礎(chǔ)上，利用多巴胺改性PCL纖維和未改性PCL纖維對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)并表征。制備摻鍶磷酸鈣骨水泥樣條，用多巴胺改性PCL纖維和未改性PCL纖維增強(qiáng)，制得骨水泥樣條，對(duì)樣條的凝固時(shí)間和力學(xué)性能等特征參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果顯示，多巴胺改性纖維增強(qiáng)的骨水泥凝固時(shí)間更短，力學(xué)強(qiáng)度更高，在一定條件下改善了傳統(tǒng)磷酸鈣骨水泥的缺點(diǎn)。

摻鍶磷酸鈣骨水泥；PCL纖維；多巴胺；凝固時(shí)間；力學(xué)強(qiáng)度

1 引言

骨缺損指骨的結(jié)構(gòu)完整性被破壞，是臨床常見病。各種因素如創(chuàng)傷、感染、腫瘤、骨髓炎手術(shù)清創(chuàng)以及各種先天性疾病導(dǎo)致的骨缺損的修復(fù)治療一直是醫(yī)學(xué)界的難題之一[1]。在早期骨缺損的修復(fù)治療的方法主要有自體骨移植、異體骨移植等，但這些方法或因供體來源有限，并發(fā)癥多，手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)，或因機(jī)體的免疫排斥反應(yīng)及易導(dǎo)致交叉感染，已漸退出臨床。

20世紀(jì)以來，眾多學(xué)者進(jìn)行了卓有成效的研究，人工骨移植的方法被臨床廣泛應(yīng)用。骨水泥作為人工骨材料的一種，具有可塑性強(qiáng)、可根據(jù)缺損部位的形狀任意塑形、可在人體內(nèi)自固化等優(yōu)點(diǎn)[2]。但是，骨水泥也有力學(xué)性能差、生物降解性能差的缺點(diǎn)。因此，對(duì)骨水泥的改性非常必要。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)依據(jù)。第一代骨水泥聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）類生物相容性差，在固化時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫，使骨水泥周圍組織壞死，并且在體內(nèi)降解釋放對(duì)細(xì)胞有毒性的單體甲基丙烯酸甲酯。另外，它生物相容性差，骨傳導(dǎo)作用差，不利于骨組織的再生。

在80年代中期，由Brown和Chow研制出來了一種新型自固化型人工骨替代材料——磷酸鈣骨水泥。磷酸鈣骨水泥生物相容性良好，可根據(jù)缺損部位任意塑形，固化最終產(chǎn)物是羥基磷灰石，其結(jié)構(gòu)與人體骨組織的無機(jī)成分相似，具有一定的傳導(dǎo)成骨能力[3]，因此得到廣泛地應(yīng)用和研究。

但是，磷酸鈣骨水泥力學(xué)性能差，脆性大，生物降解性能差，骨傳導(dǎo)作用還有待提高。對(duì)于以上磷酸鈣骨水泥的缺點(diǎn)，學(xué)者們提出了很多對(duì)其進(jìn)行改性的方法。有學(xué)者利用Ca和Sr之間原子半徑和性質(zhì)的差異，在磷酸鈣骨水泥摻入Sr，使原有的晶格發(fā)生畸變，從而改變材料的結(jié)晶性和生物降解性，使骨水泥在人體內(nèi)的降解加快[4]。

經(jīng)過學(xué)者大量實(shí)驗(yàn)，PCL（聚己內(nèi)酯）纖維生物相容性好，在體內(nèi)會(huì)降解成水和二氧化碳，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì)。而且，在利用PCL纖維增強(qiáng)之后，本身力學(xué)強(qiáng)度增加較多，降解也較緩和，因此是增強(qiáng)磷酸鈣骨水泥較好的選擇。

然而，PCL纖維是由己內(nèi)酯開環(huán)聚合得到的，碳鏈上并沒有游離的羥基等親水集團(tuán)。因此，聚己內(nèi)酯具有強(qiáng)疏水性。這會(huì)導(dǎo)致聚己內(nèi)酯纖維與骨水泥基體難以緊密結(jié)合，對(duì)力學(xué)性能有較大的影響。所以，在本實(shí)驗(yàn)之前，首先利用多巴胺對(duì)PCL纖維進(jìn)行了表面改性實(shí)驗(yàn)，以改善其疏水性，使其能夠和摻鍶磷酸鈣骨水泥緊密的結(jié)合[5]。

將未改性的PCL纖維和經(jīng)過多巴胺改性的PCL纖維放入樣品室使用JSM-5900LV型掃描電鏡進(jìn)行觀察，可以看出：涂覆前后纖維表面形貌發(fā)生了變化。在涂覆之前，纖維表面纖細(xì)光滑，可以通過電鏡分清楚每一根纖維，而且纖維之間的粘結(jié)纏繞并不是很多。而在右圖中，可以明顯看到每一根纖維的直徑明顯變大，并且在纖維交叉的地方能夠看見沉積的聚多巴胺。這說明多巴胺成功在纖維表面涂覆。

圖1 PCL纖維與多巴胺改性PCL纖維掃描電鏡圖（3000X）

2.2 PCL纖維對(duì)骨水泥理化性能的影響實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)過程中將使用SBF模擬體液，模擬體液的配置依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行[6-7]。

2.2.1 摻鍶磷酸鈣水泥的制備

2.2.1.1 無定型摻鍶磷鈣粉末的制備。將二水合磷酸氫鈣，氫氧化鈣，碳酸鍶，按照理想的鈣磷之比為1.67的比值，Sr/（Sr+ Ca）摩爾比為15%的比例，在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨混合，球磨的速度為500轉(zhuǎn)/分鐘[8]。

2.2.1.2 10%摻鍶磷酸鈣骨水泥的制備。將上述無定型磷酸鈣粉末與無水磷酸氫鈣，按照質(zhì)量比為2∶1的比例混合，作為固相。以2%乳酸殼聚糖溶液為液相，按照液固比為0.55m l/g，將液相與固相進(jìn)行調(diào)和一分鐘，調(diào)和均勻之后將骨水泥膏體填入自制的、大小為3mm×4mm×25mm的模具中，在填充過程中進(jìn)行按壓，用以排出膏體中大部分的空氣，減少空隙。填入模具之后，將模具用玻璃夾片固定，放入溫度37℃、濕度為100%的培養(yǎng)箱中進(jìn)行固化24h。將固化之后的骨水泥樣條浸泡模擬體液7天。

2.2.2 PCL纖維增強(qiáng)骨水泥的制備過程。將未改性PCL纖維剪裁成為3mm×3mm的大小，按照纖維填入量為1%，2%，5%的比例，依照2.2.1的過程，將骨水泥粉末與乳酸殼聚糖液體混合均勻之后，按照比例加入骨水泥膏體中，混合均勻，填入條形模具中，按壓排出空氣，將模具用玻璃夾片固定，放入37℃，濕度為100%的培養(yǎng)箱中進(jìn)行固化24 h。之后取出制備好的骨水泥樣條與圓片。并將骨水泥樣條浸泡模擬體液7天。

同樣的，利用多巴胺改性后的纖維和2.2.1制得的摻鍶磷酸鈣骨水泥進(jìn)行復(fù)合，如上述步驟制得骨水泥樣條[9-11]。

2.2.3 測(cè)試與表征

2.2.3.1 凝固時(shí)間測(cè)定。在纖維增強(qiáng)之后，隨著樣條的自固化，樣條逐漸失去流動(dòng)性和可塑性，最終變?yōu)楣虘B(tài)的骨水泥。在手術(shù)過程中，需要利用骨水泥進(jìn)行塑性、填充等工作，凝固時(shí)間不宜過短；而在手術(shù)完成之后，則希望其迅速凝固，具有力學(xué)強(qiáng)度。凝固時(shí)間可以通過維卡儀來測(cè)定。

未經(jīng)過纖維增強(qiáng)的摻鍶磷酸鈣骨水泥凝固時(shí)間在22min左右。對(duì)比未纖維增強(qiáng)樣品，PCL纖維增強(qiáng)骨水泥組的凝固時(shí)間明顯縮短。在填入纖維量為1%（質(zhì)量比）時(shí)，磷酸鈣骨水泥的凝固時(shí)間降低為13min。并且隨著纖維的填入量的增加，骨水泥的凝固時(shí)間隨之降低。這是由于乳酸殼聚糖溶液滲透到纖維空隙中，間接造成液固比降低，使凝固時(shí)間降低。對(duì)比多巴胺改性前后纖維增強(qiáng)磷酸鈣骨水泥的凝固時(shí)間，改性之后的骨水泥凝固時(shí)間有所降低。這可能是多巴胺改變了纖維表面的疏水性，使液相更多地滲入纖維空隙中，降低骨水泥基體與固化液之間的液固比，使骨水泥凝固時(shí)間降低。

圖2 纖維增強(qiáng)摻鍶磷酸鈣骨水泥的凝固時(shí)間

2.2.3.2 纖維增強(qiáng)摻鍶磷酸鈣骨水泥的彎曲強(qiáng)度。對(duì)浸泡過SBF溶液的骨水泥樣條進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲測(cè)試，并計(jì)算骨水泥樣條的彎曲強(qiáng)度[12]。測(cè)得彎曲強(qiáng)度數(shù)據(jù)。利用彎曲強(qiáng)度數(shù)據(jù)制圖對(duì)比，可得圖3和圖4。

圖3 PCL纖維增強(qiáng)骨水泥的彎曲強(qiáng)度

在圖3中可以看到，0%（即未使用PCL纖維增強(qiáng)）的摻鍶磷酸鈣骨水泥樣品的彎曲強(qiáng)度明顯低于加入了PCL纖維增強(qiáng)之后的摻鍶磷酸鈣骨水泥的彎曲強(qiáng)度。但是，在PCL組分從1%增加至5%時(shí)，彎曲強(qiáng)度反而下降。這是因?yàn)镻CL的疏水性導(dǎo)致它與基體不能夠緊密結(jié)合，造成骨水泥內(nèi)部孔隙增多。因此，在PCL纖維組分增大時(shí)，彎曲強(qiáng)度反而下降了。

圖4 多巴胺改性PCL纖維增強(qiáng)摻鍶磷酸鈣骨水泥彎曲強(qiáng)度

圖4為多巴胺改性之后PCL增強(qiáng)的摻鍶磷酸鈣骨水泥彎曲強(qiáng)度柱狀圖，依然能夠得到，在PCL纖維增強(qiáng)之后，摻鍶磷酸鈣骨水泥的彎曲強(qiáng)度增大了很多。而且在PCL組分由1%增加到5%時(shí)，彎曲強(qiáng)度依然在上升。這是因?yàn)槎喟桶吩赑CL表面涂覆之后，改善了纖維表面的親水性，可以使PCL纖維與摻鍶磷酸鈣骨水泥基體緊密結(jié)合，充分發(fā)揮纖維增強(qiáng)的作用。同時(shí)，對(duì)比未改性PCL纖維增強(qiáng)摻鍶磷酸鈣骨水泥和多巴胺改性PCL纖維增強(qiáng)磷酸鈣骨水泥的彎曲強(qiáng)度，在1%時(shí)多巴胺改性后增大了46.2%，在2%時(shí)增大了40.7%，在5%時(shí)彎曲強(qiáng)度增大了92.3%。這說明，在多巴胺改性PCL纖維能夠更大程度上提高摻鍶磷酸鈣骨水泥彎曲強(qiáng)度。

2.2.3.3 PCL纖維增強(qiáng)摻鍶磷酸鈣骨水泥的彈性模量。在試樣上某一方向施加一個(gè)恒定的壓力，使試樣產(chǎn)生形變，根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變算出彈性模量[13]。測(cè)得彈性模量數(shù)據(jù)，制得圖5。

圖5 PCL纖維增強(qiáng)后摻鍶磷酸鈣骨水泥的彈性模量

圖5中，在PCL纖維增強(qiáng)之后，摻鍶磷酸鈣骨水泥的彈性模量反而下降了，這是因?yàn)樵赑CL纖維增強(qiáng)之后，由于PCL纖維的疏水性，PCL纖維與摻鍶磷酸鈣骨水泥之間有空隙，這反而降低了試樣的彈性模量。并且隨著纖維量的增加，彈性模量表現(xiàn)為無規(guī)狀態(tài)，這是由于PCL纖維為韌性材料，因此，彈性模量的變化不與纖維量的增加成正比。

圖6 多巴胺增強(qiáng)PCL纖維彈性模量

觀察圖6，可以看出在多巴胺改性之后，PCL纖維增強(qiáng)時(shí)摻鍶磷酸鈣骨水泥的彈性模量會(huì)大幅增加。這是因?yàn)槎喟桶返恼掣阶饔檬沟肞CL纖維和摻鍶磷酸鈣骨水泥基體間的空隙變得很少，PCL纖維與摻鍶磷酸鈣骨水泥基體間的結(jié)合更加的緊密。對(duì)比未改性PCL纖維增強(qiáng)摻鍶磷酸鈣骨水泥和多巴胺改性PCL纖維增強(qiáng)摻鍶磷酸鈣骨水泥的彈性模量，在1%，2%，5%時(shí)，彈性模量分別增加了172%，78.5%和139.1%，這是因?yàn)槎喟桶穼?duì)纖維改性之后，纖維表面具有一定的親水性，從而纖維與骨水泥之間的結(jié)合更加緊密。但是隨著纖維量的增加，彈性模量同樣沒有規(guī)律的變化。

2.2.3.4 PCL纖維增強(qiáng)摻鍶磷酸鈣骨水泥的斷裂功。斷裂功是材料在斷裂破壞過程中，由于裂紋傳播而形成新的單位面積需要的能量。它是衡量材料抗應(yīng)力破壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是骨材料力學(xué)性能的重要參數(shù)[14]。因?yàn)樵诠遣牧吓R床使用中，會(huì)受到磕碰以及沖撞，骨材料很有可能會(huì)產(chǎn)生斷裂或者產(chǎn)生碎片，這對(duì)于植入骨材料的病患是非常不利的。而且，摻鍶磷酸鈣骨水泥本身脆性較大，是它的一個(gè)主要缺點(diǎn)。如果能夠使其韌性更好，會(huì)大大拓展它的應(yīng)用前景。

在PCL纖維增強(qiáng)骨水泥復(fù)合材料中，界面結(jié)合方式主要是機(jī)械結(jié)合，這取決于纖維的表面粗糙度；當(dāng)骨水泥填充纖維表面的缺損溝槽等物理缺陷時(shí)，兩者能夠進(jìn)行嵌合，使得結(jié)合作用加強(qiáng)。

圖7顯示的是為改性PCL纖維增強(qiáng)摻鍶磷酸鈣骨水泥的斷裂功。在加入纖維增強(qiáng)之后材料的斷裂功上升，而且隨著PCL纖維含量的增多，斷裂功會(huì)大幅增加。如，在PCL纖維組分含量由1%增加到2%時(shí)，斷裂功增加了138.9%。這是因?yàn)?，在纖維加入之后，斷裂實(shí)驗(yàn)時(shí)纖維會(huì)承受的載荷，能夠分散基體的受力。從而提高斷裂功。而當(dāng)纖維繼續(xù)增加時(shí)，這種分散作用就越發(fā)明顯，承重的纖維也會(huì)越來越多，從而樣品的斷裂功會(huì)大幅度上升。

圖8 多巴胺改性PCL纖維增強(qiáng)摻鍶磷酸鈣骨水泥斷裂功

圖8顯示了多巴胺改性PCL纖維對(duì)于骨水泥斷裂功的增強(qiáng)作用。與上圖相似，在加入了纖維增強(qiáng)之后，骨水泥的斷裂功逐漸提高。這也是由于PCL纖維對(duì)于骨水泥受到的力有分散作用，提高了斷裂功。同期對(duì)比相同含量下，多巴胺改性之后骨水泥的斷裂功都提高了一倍左右。因?yàn)槎喟桶犯男允估w維與基體之間更加緊密，裂紋更加不容易擴(kuò)散，材料的斷裂功會(huì)更大。

3 結(jié)語

經(jīng)過數(shù)據(jù)的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)改性纖維增強(qiáng)的骨水泥凝固時(shí)間更短，力學(xué)強(qiáng)度更高，在一定條件下改善了傳統(tǒng)磷酸鈣骨水泥的缺點(diǎn)。同時(shí)又繼承傳統(tǒng)CPC的良好操作性、自固化性及骨傳導(dǎo)性等良好性能。本實(shí)驗(yàn)的重要性在于：實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)的積累為后期實(shí)驗(yàn)提供了可靠依據(jù)。但本實(shí)驗(yàn)并未涉及生物相容性實(shí)驗(yàn)，還有待于進(jìn)一步的研究及開發(fā)。

特別致謝：在實(shí)驗(yàn)課題的遴選、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、論文撰寫的每個(gè)階段，得到了四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院余喜訊副教授、碩士研究生黃程程的悉心指導(dǎo)，在此謹(jǐn)向他們表示衷心的感謝！

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R318.08

A

1671-0037（2014）11-100-4

閆巖（1992.7-），男，在讀本科。