張伊驍　許晨陽(yáng)

摘 要：對(duì)牛骨轉(zhuǎn)化雙相磷酸鈣生物陶瓷的制備方法進(jìn)行了研究，通過(guò)控制前處理方法、煅燒過(guò)程條件成功制備出孔徑連通、孔隙率85%、孔徑大小100μm-700μm、力學(xué)性能優(yōu)于世面上大部分骨修復(fù)材料產(chǎn)品的條狀、顆粒狀多孔雙相磷酸鈣材料。通過(guò)XRD實(shí)驗(yàn)分析物相得到HA/β-TCP兩相比，通過(guò)SEM實(shí)驗(yàn)觀察材料的表面形貌，綜合分析結(jié)果認(rèn)為此方法制備的BCP材料具有骨誘導(dǎo)性。

關(guān)鍵詞：煅燒牛骨；雙相磷酸鈣；生物降解性、骨誘導(dǎo)性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.025

1 引言

多孔雙相磷酸鈣（BCP），即羥基磷灰石/β-磷酸三鈣復(fù)合材料，由于其具有優(yōu)異的生物相容性、生物可降解性、骨傳導(dǎo)性及骨誘導(dǎo)性，一直是被人們視為是骨組織工程支架材料的良好選擇，并得到了廣泛的研究。具有適當(dāng)可降解性和骨誘導(dǎo)性的多孔BCP材料，在植入人體后可以達(dá)到降解和成骨的動(dòng)態(tài)平衡，最終和組織融為一體[1]。因此，可降解性和骨誘導(dǎo)性這兩個(gè)條件就成了制備多孔BCP材料時(shí)最應(yīng)關(guān)注的問(wèn)題。

制備多孔BCP材料的方法大致分為兩類，一類是人工合成的方法，先制備出HA/β-TCP粉末，再以有機(jī)泡沫浸漬法、添加造孔劑法、發(fā)泡法等方法制備成多孔體[2]。但有時(shí)存在諸如成本高、步驟復(fù)雜、孔徑不聯(lián)通不均勻等問(wèn)題，制約了這一類方法的應(yīng)用。還有一類是通過(guò)煅燒天然生物陶瓷，保留其原有結(jié)構(gòu)，制得多孔BCP材料。楊耀武等[3]將鴕鳥骨初步煅燒制得多孔HA，進(jìn)一步浸泡在焦磷酸鈉溶液中浸泡再次煅燒至1100℃，得到多孔BCP材料。本文采用高溫煅燒牛骨法將牛骨煅燒至1300℃以上直接制得到多孔BCP材料，國(guó)內(nèi)外對(duì)于此類方法的研究及應(yīng)用都很少，因此對(duì)這種制備方法的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。

2 機(jī)理

煅燒異種骨制備多孔雙相磷酸鈣的過(guò)程中最主要的機(jī)理是羥基磷灰石在大氣環(huán)境下煅燒會(huì)逐步分解，最終形成HA/β-TCP復(fù)合材料。首先，HA從800℃逐漸開(kāi)始脫水轉(zhuǎn)換成缺氧磷灰石OHA，缺氧羥基磷灰石OHA從1200℃開(kāi)始分解為磷酸三鈣TCP和磷酸四鈣TTCP，在降溫的過(guò)程中，一部分的TCP和TTCP會(huì)會(huì)結(jié)合水蒸氣還原為羥基磷灰石。

在煅燒過(guò)程中，磷酸三鈣TCP自己也在發(fā)生著晶型的變化。在高溫條件下TCP會(huì)呈現(xiàn)α-TCP的晶型，而隨著緩慢的冷卻過(guò)程，α-TCP會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?TCP，這便是我們調(diào)整冷卻速度的另一依據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 制備多孔BCP

取成年牛股骨切削成塊后，浸泡在60℃NaOH中4h，無(wú)水乙醇脫水2h，90℃干燥1d，以2℃/min升至500℃，待殘余有機(jī)相燃盡后，以10℃/min升至T，持續(xù)t后控制降溫速率冷卻至室溫。所給出的實(shí)驗(yàn)路線是經(jīng)過(guò)多次摸索后慎重得出的。T取1000℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃，t取2h、4h、12h、24h。對(duì)不同煅燒條件得到的多孔BCP材料的性能進(jìn)行表征。

3.2 材料性能表征

測(cè)量得到不同部位的線收縮率在25%～45%，孔隙率為85%，孔徑大小為100μm～700μm。牛骨內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)具有方向性，對(duì)材料截取不當(dāng)使得塊體材料的抗壓強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果分散于1MPa～15MPa，以相似部位不同煅燒條件的試樣進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)在合理的煅燒條件之間材料的抗壓強(qiáng)度變化不大。

XRD結(jié)果（如圖1所示）表明材料主要是由HA及β-TCP組成，查找兩物相的合理K值，由RIR法帶入強(qiáng)峰面積計(jì)算得出HA/β-TCP的比。發(fā)現(xiàn)材料兩相比即HA的分解程度是可受煅燒條件控制的，但在1400℃煅燒12h及1300℃以上煅燒24h得到的材料分解過(guò)度，不再具備基本的強(qiáng)度，這也使得通過(guò)本方法制得BCP中β-TCP的比例受到了限制。SEM結(jié)果（如圖1所示）表明，不同煅燒條件下制備的多孔材料表面皆具有10μm左右的微孔，這說(shuō)明這種微孔是牛骨本身具備的。同時(shí)，隨著溫度的升高，材料發(fā)生了更大的線性收縮，降低了裂紋的開(kāi)裂程度，材料的抗壓強(qiáng)度得到了保障。另外，取自某些特定區(qū)域的原材料得到的煅燒件表面存在著10μm～20μm的微小顆粒，這是骨中某些區(qū)域富集其他離子的一種表現(xiàn)。

4 結(jié)論

（1）控制煅燒的升溫速率使殘余有機(jī)物充分燃盡可以有效的避免灰化現(xiàn)象，控制煅燒的降溫過(guò)程可以降低多孔體的裂紋產(chǎn)生以及保證α-TCP向β-TCP轉(zhuǎn)化過(guò)程的進(jìn)行。隨著在合理范圍內(nèi)持續(xù)煅燒溫度的升高、煅燒時(shí)間的增加，材料中HA/β-TCP的比例會(huì)降低，材料的生物降解性得到加強(qiáng)。

（2）以煅燒異種動(dòng)物骨的方法制備的多孔BCP材料中晶體的排列保留了自然骨中羥基磷灰石納米晶體與膠原纖維的排列方向，這賦予了材料優(yōu)異的生物力學(xué)性能，是人工合成方法無(wú)法比擬的。保留了自然骨的大孔及微孔的獨(dú)特結(jié)構(gòu)不禁為了骨長(zhǎng)入過(guò)程提供了可能，還會(huì)富集體液中流通的促進(jìn)成骨的因子、細(xì)胞從而加速了骨重塑過(guò)程，同時(shí)β-TCP的降解過(guò)程增加了材料表面CHA的沉積，CHA的存在會(huì)增強(qiáng)細(xì)胞的粘附、增殖、分化過(guò)程，進(jìn)一步加快了骨重塑過(guò)程。因此，我們認(rèn)為通過(guò)高溫煅燒牛骨法制備出的多孔BCP材料具有優(yōu)異的骨誘導(dǎo)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟磊，甄平，梁曉燕等.結(jié)構(gòu)特征對(duì)磷酸鈣陶瓷骨誘導(dǎo)活性的影響[J].中國(guó)組織工程研究，2015，19（43）：7010-7016.

[2]劉朝紅，董寅生，林萍華等.β-磷酸鈣多孔生物陶瓷支架的制備及生物相容性[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，34（05）：665-668.

[3]楊耀武.鴕鳥骨轉(zhuǎn)化多相鈣磷陶瓷制備及用于骨組織工程支架材料基礎(chǔ)研究[D].第四軍醫(yī)大學(xué)，2004.