祝芳芳，張 杰,2，遲艷俠，趙 越，郭曉玲，張向宇

(1.黑龍江省藥學研究所，佳木斯大學藥學院，黑龍江 佳木斯 154007; 2 哈爾濱醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院，黑龍江 哈爾濱 150081; 3佳木斯大學口腔醫(yī)學院，黑龍江 佳木斯 154007)

復合載藥CNTs磷酸鈣骨水泥的制備及性能研究①

祝芳芳1，張 杰1,2，遲艷俠3，趙 越1，郭曉玲1，張向宇1

(1.黑龍江省藥學研究所，佳木斯大學藥學院，黑龍江 佳木斯 154007; 2 哈爾濱醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院，黑龍江 哈爾濱 150081; 3佳木斯大學口腔醫(yī)學院，黑龍江 佳木斯 154007)

目的：制備復合載藥CNTs磷酸鈣骨水泥，研究其抗壓強度、釋藥性能和體外生物活性。方法：采用化學法制備磷酸鈣骨水泥，利用萬能試驗機測試其載荷強度；采用UV測試磷酸鈣骨水泥中慶大霉素釋放曲線；利用IR、XRD和SEM研究磷酸鈣骨水泥的體外生物活性、化學成分和微觀形貌。結果：與磷酸鈣骨水泥基體材料相比，復合載藥CNTs磷酸鈣骨水泥抗壓強度提高三倍左右，其中慶大霉素的釋放時間增加一倍，體外生物活性提高。結論：CNTs的加入有效提高了磷酸鈣骨水泥基體材料的抗壓強度、延長了材料中藥物釋放時間、提高了材料的體外生物活性。

磷酸鈣骨水泥；CNTs；慶大霉素；載荷強度

伴隨中國社會的不斷發(fā)展和人民生活水平的提高，國內(nèi)骨材料的需要持續(xù)增長，主要表現(xiàn)為骨折、骨組織壞死、骨癌變等疾病[1，2]。盡管人體骨組織自身具有較強的再生能力，但其自我修復功能只能在小面積、小范圍起修復作用，這樣一來就帶來了對骨修復材料市場的巨大需求?，F(xiàn)在臨床使用的骨修復材料大致分為：自體骨、異種骨和人工骨移植材料。其中20世紀80年代中期美國發(fā)明了一種新型的自固化生物活性骨缺損修復材料-磷酸鈣骨水泥(CPC)，是具有代表的人工無機骨移植材料，磷酸鈣骨水泥在成分上做到了對天然骨的仿生，所以發(fā)現(xiàn)后頓時引起社會的廣泛關注[3，4]。碳納米管(以下簡稱CNTs)是一種重要的組織工程學材料，力學性能特別優(yōu)異，有較大的強度和韌性。例如，由一層碳原子的六邊形網(wǎng)格卷曲而成的理想的單壁納米碳管的強度約為鋼的100倍，而比重只有鋼的1/6。對于CNTs的細胞毒性，雖然仍有爭議，但是CNTs對骨細胞是生物相容的、對骨組織沒有任何毒性[5，6]?；诖?，本文采用化學法先合成磷酸鈣骨水泥基體材料，通過在材料中添加CNTs制備復合載藥CNTs磷酸鈣骨水泥，從而提高磷酸鈣骨水泥的力學性能、生物活性和釋藥性能。

1 材料和試劑

磷酸三鈣，濃硝酸，磷酸二氫鈣，碳酸鈣，檸檬酸，過氧化氫，氯化鈉，氯化鉀，磷酸二氫鈉，磷酸二氫鉀，鹽酸，均為分析純；碳納米管；硫酸慶大霉素注射液；自制圓柱型模具(h=3cm，d=2cm)。

2 實驗方法

2.1 磷酸鈣骨水泥基體材料的制備

固相配制：將磷酸三鈣(TCP)、磷酸二氫鈣(MPCP)和碳酸鈣(CC)按照1:1:1比例稱料，充分混合得到固相材料Ⅰ，共6.00g。液相配制：將檸檬酸與蒸餾水按濃度為5wt%進行配制，得到溶液a；再將磷酸氫二鈉與蒸餾水按濃度為12wt%進行配制，得到溶液b；混合溶液a和溶液b得到液相Ⅱ。用調和刀將液相Ⅱ與固相Ⅰ充分混合后，將其注入模具。使用封口膜將模具封口，放置在恒溫、干燥處避光保存。

對磷酸鈣骨水泥基體材料進行工藝優(yōu)化，分別考察pH值、液固比和固化時間對抗壓強度的影響。其中，pH值:液相Ⅱ的pH值分別為3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、7.0，液固比(mL/g): 液固比為0.3、0.35、0.4、0.45、0.5，固化時間: 2d、8d、16d、30d、60d。

2.2 復合型磷酸鈣骨水泥的制備

CNTs羧基化：精確稱取50mgCNTs置于100mL燒杯，加入60mL濃硝酸，用封口膜封住，超聲30min。加熱至100℃，攪拌5h，冷卻至室溫，再放入75℃烘箱，烘干12h。研磨后密封保存，備用。

CNTs負載慶大霉素：硫酸慶大霉素注射液與CNTs按照30mL:1g比例進行混合，加水稀釋至一定體積，在室溫下攪拌4h，抽濾干燥(溫度80℃)，得到載藥CNTs。

復合載藥CNTs磷酸鈣骨水泥：按照固相Ⅰ質量的0.3%稱取載藥CNTs，兩者均勻混合后放入模具中，保持液固比為0.4mL/g，再加入液相Ⅱ。pH值為4.5，固化時間分別為5d、10d、20d、30d、60d。注入模具，干燥密封保存，得到復合載藥CNTs磷酸鈣骨水泥。

負載慶大霉素磷酸鈣骨水泥：精確量取硫酸慶大霉素注射液的量分別為0.2、0.4、0.8、1.2、1.6和2.0mL；液相Ⅱ的量分別為2.2、2.0、1.6、1.2、0.8和0.4mL。將硫酸慶大霉素注射液與液相Ⅱ混合，再加入到固相Ⅰ中，得到混合料漿，注入模具，干燥密封保存。

2.3 磷酸鈣骨水泥體外生物活性

將所制備的磷酸鈣骨水泥基體材料和復合載藥CNTs磷酸鈣骨水泥分別放入盛有250mLPBS的錐形瓶中，浸泡4周。

2.4 磷酸鈣骨水泥體外釋藥實驗

將負載慶大霉素磷酸鈣骨水泥和復合載藥CNTs的磷酸鈣骨水泥浸泡于PBS中，分別在5h、12h、24h、36h、48h時取PBS浸泡液測試吸光度，記為A1i、A2i。得到負載慶大霉素磷酸鈣骨水泥和復合載藥CNTs磷酸鈣骨水泥在PBS中的藥物釋放曲線。

2.5 磷酸鈣骨水泥測試表征

采用XRD射線衍射和紅外光譜對磷酸鈣骨水泥化學成分進行分析。采用掃描電鏡SEM觀察磷酸鈣骨水泥微觀形貌。

3 實驗結果與討論

3.1 不同條件下磷酸鈣骨水泥基體材料抗壓測試結果

不同pH值條件下所制備的磷酸鈣骨水泥載荷強度見圖1。

圖1 不同pH值條件下磷酸鈣骨水泥載荷強度

通過圖1分析可知，當pH值﹤4.5時，磷酸鈣骨水泥載荷強度隨pH值的增大而增大；當pH值>4.5時，載荷強度隨pH值增大而減小；當pH值為4.5時載荷強度達到最大，約為1.7MPa左右。不同液固比條件下所制備的的磷酸鈣骨水泥載荷強度見圖2。

圖2 不同液固比條件下磷酸鈣骨水泥載荷強度

通過圖2分析可知，當液固比<0.4時，磷酸鈣骨水泥載荷強度隨液固比增大而增大；當液固比>0.4時，載荷強度隨液固比增大而減小；當液固比為0.4時載荷強度達到最大，達到2.5Mpa左右。

不同固化時間條件下磷酸鈣骨水泥載荷強度見圖3。

圖3 不同固化時間條件下磷酸鈣骨水泥載荷強度

通過圖3分析可知，當固化時間<30d時，磷酸鈣骨水泥載荷強度隨固化時間增大而增加；當固化時間達到30d時，載荷強度達到最大，約3MPa。

由圖1、2、3可知，當pH值為4.5、液固比為0.4mL/g、固化時間為30d時，磷酸鈣骨水泥載荷強度達到最大，說明抗壓性能達到最佳。在該最佳條件下制備復合載藥CNTs的磷酸鈣骨水泥，進行以下實驗。

3.2 復合載藥CNTs磷酸鈣骨水泥抗壓性能測試結果

復合載藥CNTs磷酸鈣骨水泥的載荷強度變化曲線見圖4。

圖4 復合載藥CNTs磷酸鈣骨水泥載荷強度隨固化時間的變化

通過圖4分析可知，當固化時間<30d時，復合載藥CNTs的磷酸鈣骨水泥的載荷強度隨固化時間增加而增加；固化時間達到為30d時，其載荷強度達最大，為10MPa左右。與磷酸鈣骨水泥基體材料相比，復合載藥CNTs的磷酸鈣骨水泥的載荷強度提高近3倍。所以，CNTs的加入有效提高了磷酸鈣骨水泥材料的抗壓性能。

3.3 復合載藥CNTs的磷酸鈣骨水泥的釋藥性能

通過圖5分析可知，對于負載慶大霉素磷酸鈣骨水泥，藥物釋放速度較快，12h時藥物基本釋放完全；對于復合載藥CNTs的磷酸鈣骨水泥，藥物釋放速度明顯減慢，24h時藥物釋放濃度達最大。也就是說，與負載慶大霉素磷酸鈣骨水泥材料相比，復合載藥CNTs磷酸鈣骨水泥釋藥時間延長了1倍，即磷酸鈣骨水泥中添加CNTs可有效降低藥物釋放速度。

圖5 負載慶大霉素磷酸鈣骨水泥(a)復合載藥CNTs的磷酸鈣骨水泥(b)中慶大霉素吸光度隨時間的變化曲線

3.4 復合載藥CNTs的磷酸鈣骨水泥的體外生物活性

載藥CNTs磷酸鈣骨水泥和磷酸鈣基體材料分別在PBS中浸泡4周時的紅外光譜見圖6。

通過圖6可知：載藥CNTs磷酸鈣骨水泥(b)在513和1053cm-1左右處有PO43-吸收峰， 1535cm-1處出現(xiàn)吸收峰屬于CO32-，3489cm-1附近出現(xiàn)寬吸收帶屬于締合OH-。與磷酸鈣骨水泥基體材料(a)相比，載藥CNTs的磷酸鈣骨水泥(b)在513、1053、1535和3489cm-1處的峰面積變寬，吸光強度變大，

說明載藥CNTs磷酸鈣骨水泥中類骨磷灰石的含量高于負載慶大霉素磷酸鈣骨水泥，即CNTs的加入提高了磷酸鈣骨水泥的生物活性。

圖6 磷酸鈣骨水泥基體材料(a)載藥CNTs磷酸鈣骨水泥(b)在PBS中浸泡4周的紅外譜圖

3.5 復合載藥CNTs磷酸鈣骨水泥化學成分和表面形貌

載藥CNTs磷酸鈣骨水泥的表征如圖7所示。通過圖7(a)可知，載藥CNTs的磷酸鈣骨水泥材料(a)中主要化學成分為CaHPO4·2H2O，還有少量的Ca10(PO4)6(OH)2。其中，CaHPO4·2H2O的存在有利于誘導新骨的生成。由圖7(b)，載藥CNTs磷酸鈣骨水泥微觀形貌呈鱗片狀結構。

圖7 載藥CNTs磷酸鈣骨水泥的XRD(a)和SEM(b)

4 結論

本實驗采用化學法制備了磷酸鈣骨水泥材料，最佳制備條件為在pH值4.5、液固比0.4、固化時間30d；磷酸鈣骨水泥中添加CNTs后，其抗壓強度提高3倍，藥物釋放時間延長1倍，體外生物活性提高；載藥CNTs磷酸鈣骨水泥化學成分為CaHPO4·2H2O和Ca10(PO4)6(OH)2，并且為鱗片狀結構。

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1.國家自然科學基金青年基金項目，編號：81601616；2.黑龍江省博士后基金項目，編號：LBH-Z15164；3.黑龍江省科學基金項目，編號：H2016086；4.佳木斯大學大學生科技創(chuàng)新項目，編號：2015xj23。

祝芳芳(1993～)女，黑龍江佳木斯人，在讀碩士研究生。

張杰(1979～)女，黑龍江嫩江人，博士，講師。E-mail：zjie612@163.com。

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1008-0104(2017)01-0003-03

2016-11-12)