磷灰石骨水泥材料的物性研究
作者：陈德敏
单位：陈德敏(上海第二医科大学附属九院 上海生物材料研究测试中心，上海 200023)
关键词：骨水泥；磷酸钙；羟磷灰石
生物医学工程学杂志000104 摘 要：为探讨自行研制的磷灰石骨水泥材料作为生物材料应用的可能性，采用磷酸钙、碳酸钙和磷酸氢钙为起始原料，经高温固相反应合成制得仅含有羟磷灰石和α-磷酸三钙两晶相组成的粉剂，以柠檬酸水溶液为基本组成配制若干种固化液。结果显示，当固化液采用单一柠檬酸时，30%(w/w)浓度水溶液的压缩强度为24.96 MPa，凝固时间为6分钟，水中溶解率为1.40%；当液剂中添加钾或钠盐时，可使固化体的压缩强度增强；当添加丙烯酸-衣康酸共聚液时，可使强度成倍提高，但凝固时间缩短。表明本粉液双组份体系作为医用骨水泥材料具有良好的应用前景。
Physical Properties of Apatite Bone Cement
, 百拇医药
Chen Demin
(Shanghai Biomaterial Research & Test Center, Shanghai 200023)
Abstract：Some properties of the apatite bone cement which is composed of α-tricalcium phosphate and hydroxyapatite for use as a biomaterial were investigated. The powder of cement was synthesized from calcium phosphate, calcium carbonate and dicalcium phosphate by solid reaction. Several kinds of citric acid solutions were used for hardening. When the liquid for hardening was 30%(w/w) citric acid solution, the setting time was about six minutes, the compressive strength of hardened bodies was 24.96 MPa, and the solubility was about 1.4 wt%. The compressive strength was increased by the addition of Na or K salt. Especially, when copolymer of acrylic acid/itaconic acid was added to the liquied, the strength was increased about three times, but the setting time was significantly shortened. The results of this study indicate that the apatite bone cement is a potentially highly useful biomaterial for dental and medical applications.
, 百拇医药
Key words：Bone cement Calcium phosphate Hydroxyapatite▲
磷酸钙类材料具有与人体硬组织相似的化学成份，并具有良好的生物相容性和组织结合性，因此已受到医学界高度的关注，其中羟磷灰石材料已作为一种优良的人工骨置换材料在临床得到大量应用[1]。但由于羟磷灰石材料缺乏可塑性和粘结性，因此在临床应用方面受到一定局限。人们已经知道一些磷酸钙类化合物，如α-磷酸三钙、磷酸四钙、磷酸二氢钙以及它们的混合物具有水和凝固并逐步向羟磷灰石晶相转化的特性[2]。对于如何利用此特性，研究开发出一种与传统丙烯酸酯骨水泥在化学成份上完全不同的新型骨水泥材料已成为不少国家生物材料工作者当前研究的一个重要内容[3～5]。笔者也开展了这方面的探索，现报告如下初步结果。
1 材料和方法
1.1 材料合成与制备
, 百拇医药
采用磷酸钙、碳酸钙和磷酸氢钙三种化学试剂作为起始原料，按一定配比充分混合后，在1400 ℃高温，10 h烧成，快速冷却至室温，球磨粉碎，过200目筛。通过粉末X射线衍射法测定粉末中物相组成。粉末置干燥瓶中保存待用。
液剂组成以柠檬酸为主，适量添加其它元素，用蒸馏水调制成各种水溶液作为固化液(表1)。
粉剂和固化液按重量比3∶1称取，在清洁干燥的玻璃板上用不锈钢调拌刀调和，环境温度控制在23 ℃左右，调和时间60～90 s。调和物参照ISO标准进行凝固时间、压缩强度和溶解度测定[6，7]。
表1 各种固化液组成
Table 1 The composition of solutions for hardening 编号
组成(Wt%)
, http://www.100md.com
A
柠酸酸 30%
水 70%
B
柠檬酸 23%
水 70%
柠檬酸钾 7%
C
柠檬酸 25%
水 70%
柠檬酸钾 5%
D
柠檬酸 27%
, 百拇医药
水 70%
柠檬酸钾 3%
E
柠檬酸 25%
水 70%
柠檬酸三钠 5%
F
丙烯酸-衣康酸共聚液(上海青浦齿科材料厂)
G
C液 50%
F液 50%
H
, 百拇医药 C液 75%
F液 25%
I
水 50%
F液 50%
1.2 凝固时间测定
凝固时间测定用模具为一个内径10 mm，高度5 mm的金属模板，调和物填充至水准面。从调和结束后第1分钟时，把模板放入37 ℃，相对湿度大于90%的恒温箱中，箱内放置一台压头直径为1 mm，压头重量为400 g的针戳计。每隔30 s小心地把压头垂直降落到调和物表面，停留5 s，直至表面不能观察到圆形压痕。从调和结束至调和物表面无圆形压痕的这段时间定为凝固时间。
1.3 压缩强度测定
, 百拇医药
调和物填入内径为4 mm，高度为6 mm的不锈钢模具中，模具两面通过金属平板和一个C形夹具夹紧，放入37 ℃，相对湿度大于30%的恒温箱中。1 h后脱膜，试样即刻浸入37 ℃蒸馏水中，恒温保持23 h。然后通过LT-500型材料试验机测定试样的压缩强度。加载时，试样上下两面各用一张湿的薄滤纸铺垫，压头速度6 mm/min，每组测5个试样。
1.4 水中溶解度测定
调和物填入内径20 mm，高1.5 mm的不锈钢开口环中，在开口环缝隙处引入一根直径0.2 mm的不锈钢丝，试样两面用塑料薄膜和玻璃平板压紧。调和开始后第3分钟，试样放入37 ℃，相对湿度大于95%的恒温箱中。1 h后脱膜，两个试样通过不锈钢丝系在已注入50 ml蒸馏水的称量瓶中，使试样悬空浸没于水，在37 ℃静置23 h，到时取出试样，称量瓶放入100 ℃烘箱，使水蒸发。然后升温至150 ℃，使称量干燥至衡重，放入干燥皿中冷却到室温。称量瓶前后重量之差除以试样浸渍前重量即得到溶解率。本试验选择了三组试样进行测定。
, 百拇医药
2 结 果
图1是粉剂的X衍射曲线，通过与JCPDF标准卡片对照，显示粉剂中仅存在两个晶相：羟磷灰石(HAp)和高温型磷酸三钙(α-TCP)。图2是用G液调和的固化体经37 ℃生理盐水浸渍2个月后的X衍射曲线。采用不同固化液调和的固化体的凝固时间、压缩强度和溶解度的测定结果见表2。
表2 各种固化体的物理性能测定值
Table 2 The physical properties of hardened bodies 固化液
凝固时间(min)
压缩强度(MPa)
溶解率(%)
A
, http://www.100md.com
6
24.96
1.40
B
6
26.44
-
C
5.5
35.60
2.68
D
6
, http://www.100md.com 24.57
-
E
5.5
33.41
-
F
2.5
-
-
G
4
84.33
2.30
, 百拇医药
H
4.5
52.72
-
I
5.5
39.75
-
图1 粉剂的X衍射曲线
Fig 1 The X-ray diffraction curve of powder
, http://www.100md.com
图2 经37 ℃生理盐水浸渍2个月后的固化体X衍射曲线
Fig 2 The X-ray diffraction curve of hardened bodies after immersed in saline solution at 37 ℃ for 2 months
3 讨 论
HAp和α-TCP材料都是具有良好生物相容性和骨结合性的人工骨置换材料，临床应用已有十多年的历史。HAp属于一种非吸收性生物材料，而α-TCP则是一种生物可降解材料，能在生物体内逐步降解，并被生物体组织吸收和取代[8]。作为医用骨水泥材料，具有与骨组织相近的化学成份和一定的生物降解性。对于促进新骨生成，加速骨愈合是十分有利的。
根据图1和图2两张X射线衍射图谱可以明显看出：材料在固化前，α-TCP的特征衍射峰具有较高强度，说明粉剂中α-TCP晶相占有很大比例。而经过固化，并在模拟生理环境，37 ℃生理盐水中浸渍2个月后，α-TCP含量明显减少，HAp晶相大量增加，无新的结晶相生成。这证实α-TCP确实具有水和凝固，并能逐步向HAp晶相转化的特性。人体骨组织的主要无机成份是HAp，因此α-TCP的这种晶相转化特性从提高组织相容性角度也是希望的。在晶相转化过程中，HAp微细结晶会在粉粒表面不断析出生长。微晶与微晶之间互相形成缠绕结合。固化体的凝固反应正是基于α-TCP这一特性[9]。Fukase Y在其实验中也证实：磷酸钙向HAp的转化和固化体压缩强度的增加在固化反应前期是与时间呈直线关系，并且HAp的形成和强度之间存在紧密相关性[3]。
, http://www.100md.com
笔者以前的研究结果表明：采用单一的柠檬酸固化液时，30%(w/w)浓度的水溶液显示较高强度，压缩强度达24.96 MPa[10]。在柠檬酸水溶液中加入适量的钾或钠盐时，可提高强度，但增加幅度有限。有人用稀磷酸加少量氟化钠作为固化液，固化体压缩强度也仅维持在49 MPa左右[11]。因此要较大幅度提高固化体的机械强度，采用聚合酸是一条途径。固化液中添加了聚羧酸后，粉剂中的部分钙离子可与羧基发生络合交联，生成聚羧酸盐，从而加速固化反应的完成，使凝固时间缩短，同时使强度得到一定提高。实验中由于F液的粘度较大，采用单一的F液调和时，固化时间很短，难以形成可操作性骨水泥，所以没有测定其压缩强度。
对固化体溶解率的测定参照了齿科用水门汀标准进行，仅仅测取了材料在37 ℃蒸馏水中浸渍23 h后的溶出量。与常用齿科水门汀相比，溶解量较大，但由于骨水泥的应用部位和所处的生理环境与口腔环境不同，因此此溶解率数值的临床意义目前还无法判定，必须结合固化体在模拟生理介质中溶解率的经时变化以及动物体内植入试验的观察结果综合加以评判。
, http://www.100md.com
有关固化体材料的短期生物学性能试验及动物体内骨种植试验也已基本完成，证实磷灰石骨水泥具有良好生物相容性和骨组织结合性，不失为一种很有应用前景的新型骨水泥材料[12]。
参考文献：
[1]青木秀希，丹波滋郎.バイオセテミツクスの开 と临床，东京：クインラツセンス出版社，1989∶138
[2]Yoshimine Y, Akamine A, Mukai M et al. Biocompatibility of tetracalcium phosphate cement when used as a bone substitute.Biomaterials, 1993; 14(6)∶403
[3]Fukase Y, Eanes ED, Takagi S et al. Setting reactions and compressive strengths of calcium phosphate cements. J Dent Res, 1990; 69(12)∶1852
, http://www.100md.com
[4]菅原明喜，草
熏，西村敏.カルシウムフオスフエイトセメントの骨补填ヘの
用に
する基
的研究.
科材料器械，1993；12(6)∶691
[5]Bermudez O, Boltong MG, Driessens FCM et al. Development of some calcium phosphate cement from combinations of a-TCP, MCPM and CaO. J Mater Sci:Materials in medicine, 1994; 5∶160
, 百拇医药
[6]ISO 3824:1984, Dental silicophosphate cement
[7]ISO 9917:1991, Dental water-based cement
[8]青木秀希.バイオセラミツクス.生体材料，1989；7(1)∶24
[9]饭岛智彦，大森良幸，奥隆司.α型リン酸三カルシウム一リン酸四カルシウム系アハ°タイトセメントの特性.Gypsum & lime,1992;238∶159
[10]陈德敏.磷灰石骨水泥材料研究初探.口腔材料器械杂志，1995；4(3)∶109
[11]Yoko Matsuya, Antonucci JM, Shigeki Matsuya et al. Polymeric calcium phosphate cements derived from poly(methyl vinyl ether-maleic acid). Dent Mater, 1996; 12∶3
[12]陈德敏，施琥，薛淼等.磷灰石骨水泥材料的生物学性能评价.中国口腔种植学杂志，1997；2(2)∶72
收稿日期：1998-09-08
修改日期：1999-01-07, http://www.100md.com
单位：陈德敏(上海第二医科大学附属九院 上海生物材料研究测试中心，上海 200023)
关键词：骨水泥；磷酸钙；羟磷灰石
生物医学工程学杂志000104 摘 要：为探讨自行研制的磷灰石骨水泥材料作为生物材料应用的可能性，采用磷酸钙、碳酸钙和磷酸氢钙为起始原料，经高温固相反应合成制得仅含有羟磷灰石和α-磷酸三钙两晶相组成的粉剂，以柠檬酸水溶液为基本组成配制若干种固化液。结果显示，当固化液采用单一柠檬酸时，30%(w/w)浓度水溶液的压缩强度为24.96 MPa，凝固时间为6分钟，水中溶解率为1.40%；当液剂中添加钾或钠盐时，可使固化体的压缩强度增强；当添加丙烯酸-衣康酸共聚液时，可使强度成倍提高，但凝固时间缩短。表明本粉液双组份体系作为医用骨水泥材料具有良好的应用前景。
Physical Properties of Apatite Bone Cement
, 百拇医药
Chen Demin
(Shanghai Biomaterial Research & Test Center, Shanghai 200023)
Abstract：Some properties of the apatite bone cement which is composed of α-tricalcium phosphate and hydroxyapatite for use as a biomaterial were investigated. The powder of cement was synthesized from calcium phosphate, calcium carbonate and dicalcium phosphate by solid reaction. Several kinds of citric acid solutions were used for hardening. When the liquid for hardening was 30%(w/w) citric acid solution, the setting time was about six minutes, the compressive strength of hardened bodies was 24.96 MPa, and the solubility was about 1.4 wt%. The compressive strength was increased by the addition of Na or K salt. Especially, when copolymer of acrylic acid/itaconic acid was added to the liquied, the strength was increased about three times, but the setting time was significantly shortened. The results of this study indicate that the apatite bone cement is a potentially highly useful biomaterial for dental and medical applications.
, 百拇医药
Key words：Bone cement Calcium phosphate Hydroxyapatite▲
磷酸钙类材料具有与人体硬组织相似的化学成份，并具有良好的生物相容性和组织结合性，因此已受到医学界高度的关注，其中羟磷灰石材料已作为一种优良的人工骨置换材料在临床得到大量应用[1]。但由于羟磷灰石材料缺乏可塑性和粘结性，因此在临床应用方面受到一定局限。人们已经知道一些磷酸钙类化合物，如α-磷酸三钙、磷酸四钙、磷酸二氢钙以及它们的混合物具有水和凝固并逐步向羟磷灰石晶相转化的特性[2]。对于如何利用此特性，研究开发出一种与传统丙烯酸酯骨水泥在化学成份上完全不同的新型骨水泥材料已成为不少国家生物材料工作者当前研究的一个重要内容[3～5]。笔者也开展了这方面的探索，现报告如下初步结果。
1 材料和方法
1.1 材料合成与制备
, 百拇医药
采用磷酸钙、碳酸钙和磷酸氢钙三种化学试剂作为起始原料，按一定配比充分混合后，在1400 ℃高温，10 h烧成，快速冷却至室温，球磨粉碎，过200目筛。通过粉末X射线衍射法测定粉末中物相组成。粉末置干燥瓶中保存待用。
液剂组成以柠檬酸为主，适量添加其它元素，用蒸馏水调制成各种水溶液作为固化液(表1)。
粉剂和固化液按重量比3∶1称取，在清洁干燥的玻璃板上用不锈钢调拌刀调和，环境温度控制在23 ℃左右，调和时间60～90 s。调和物参照ISO标准进行凝固时间、压缩强度和溶解度测定[6，7]。
表1 各种固化液组成
Table 1 The composition of solutions for hardening 编号
组成(Wt%)
, http://www.100md.com
A
柠酸酸 30%
水 70%
B
柠檬酸 23%
水 70%
柠檬酸钾 7%
C
柠檬酸 25%
水 70%
柠檬酸钾 5%
D
柠檬酸 27%
, 百拇医药
水 70%
柠檬酸钾 3%
E
柠檬酸 25%
水 70%
柠檬酸三钠 5%
F
丙烯酸-衣康酸共聚液(上海青浦齿科材料厂)
G
C液 50%
F液 50%
H
, 百拇医药 C液 75%
F液 25%
I
水 50%
F液 50%
1.2 凝固时间测定
凝固时间测定用模具为一个内径10 mm，高度5 mm的金属模板，调和物填充至水准面。从调和结束后第1分钟时，把模板放入37 ℃，相对湿度大于90%的恒温箱中，箱内放置一台压头直径为1 mm，压头重量为400 g的针戳计。每隔30 s小心地把压头垂直降落到调和物表面，停留5 s，直至表面不能观察到圆形压痕。从调和结束至调和物表面无圆形压痕的这段时间定为凝固时间。
1.3 压缩强度测定
, 百拇医药
调和物填入内径为4 mm，高度为6 mm的不锈钢模具中，模具两面通过金属平板和一个C形夹具夹紧，放入37 ℃，相对湿度大于30%的恒温箱中。1 h后脱膜，试样即刻浸入37 ℃蒸馏水中，恒温保持23 h。然后通过LT-500型材料试验机测定试样的压缩强度。加载时，试样上下两面各用一张湿的薄滤纸铺垫，压头速度6 mm/min，每组测5个试样。
1.4 水中溶解度测定
调和物填入内径20 mm，高1.5 mm的不锈钢开口环中，在开口环缝隙处引入一根直径0.2 mm的不锈钢丝，试样两面用塑料薄膜和玻璃平板压紧。调和开始后第3分钟，试样放入37 ℃，相对湿度大于95%的恒温箱中。1 h后脱膜，两个试样通过不锈钢丝系在已注入50 ml蒸馏水的称量瓶中，使试样悬空浸没于水，在37 ℃静置23 h，到时取出试样，称量瓶放入100 ℃烘箱，使水蒸发。然后升温至150 ℃，使称量干燥至衡重，放入干燥皿中冷却到室温。称量瓶前后重量之差除以试样浸渍前重量即得到溶解率。本试验选择了三组试样进行测定。
, 百拇医药
2 结 果
图1是粉剂的X衍射曲线，通过与JCPDF标准卡片对照，显示粉剂中仅存在两个晶相：羟磷灰石(HAp)和高温型磷酸三钙(α-TCP)。图2是用G液调和的固化体经37 ℃生理盐水浸渍2个月后的X衍射曲线。采用不同固化液调和的固化体的凝固时间、压缩强度和溶解度的测定结果见表2。
表2 各种固化体的物理性能测定值
Table 2 The physical properties of hardened bodies 固化液
凝固时间(min)
压缩强度(MPa)
溶解率(%)
A
, http://www.100md.com
6
24.96
1.40
B
6
26.44
-
C
5.5
35.60
2.68
D
6
, http://www.100md.com 24.57
-
E
5.5
33.41
-
F
2.5
-
-
G
4
84.33
2.30
, 百拇医药
H
4.5
52.72
-
I
5.5
39.75
-
图1 粉剂的X衍射曲线
Fig 1 The X-ray diffraction curve of powder
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图2 经37 ℃生理盐水浸渍2个月后的固化体X衍射曲线
Fig 2 The X-ray diffraction curve of hardened bodies after immersed in saline solution at 37 ℃ for 2 months
3 讨 论
HAp和α-TCP材料都是具有良好生物相容性和骨结合性的人工骨置换材料，临床应用已有十多年的历史。HAp属于一种非吸收性生物材料，而α-TCP则是一种生物可降解材料，能在生物体内逐步降解，并被生物体组织吸收和取代[8]。作为医用骨水泥材料，具有与骨组织相近的化学成份和一定的生物降解性。对于促进新骨生成，加速骨愈合是十分有利的。
根据图1和图2两张X射线衍射图谱可以明显看出：材料在固化前，α-TCP的特征衍射峰具有较高强度，说明粉剂中α-TCP晶相占有很大比例。而经过固化，并在模拟生理环境，37 ℃生理盐水中浸渍2个月后，α-TCP含量明显减少，HAp晶相大量增加，无新的结晶相生成。这证实α-TCP确实具有水和凝固，并能逐步向HAp晶相转化的特性。人体骨组织的主要无机成份是HAp，因此α-TCP的这种晶相转化特性从提高组织相容性角度也是希望的。在晶相转化过程中，HAp微细结晶会在粉粒表面不断析出生长。微晶与微晶之间互相形成缠绕结合。固化体的凝固反应正是基于α-TCP这一特性[9]。Fukase Y在其实验中也证实：磷酸钙向HAp的转化和固化体压缩强度的增加在固化反应前期是与时间呈直线关系，并且HAp的形成和强度之间存在紧密相关性[3]。
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笔者以前的研究结果表明：采用单一的柠檬酸固化液时，30%(w/w)浓度的水溶液显示较高强度，压缩强度达24.96 MPa[10]。在柠檬酸水溶液中加入适量的钾或钠盐时，可提高强度，但增加幅度有限。有人用稀磷酸加少量氟化钠作为固化液，固化体压缩强度也仅维持在49 MPa左右[11]。因此要较大幅度提高固化体的机械强度，采用聚合酸是一条途径。固化液中添加了聚羧酸后，粉剂中的部分钙离子可与羧基发生络合交联，生成聚羧酸盐，从而加速固化反应的完成，使凝固时间缩短，同时使强度得到一定提高。实验中由于F液的粘度较大，采用单一的F液调和时，固化时间很短，难以形成可操作性骨水泥，所以没有测定其压缩强度。
对固化体溶解率的测定参照了齿科用水门汀标准进行，仅仅测取了材料在37 ℃蒸馏水中浸渍23 h后的溶出量。与常用齿科水门汀相比，溶解量较大，但由于骨水泥的应用部位和所处的生理环境与口腔环境不同，因此此溶解率数值的临床意义目前还无法判定，必须结合固化体在模拟生理介质中溶解率的经时变化以及动物体内植入试验的观察结果综合加以评判。
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有关固化体材料的短期生物学性能试验及动物体内骨种植试验也已基本完成，证实磷灰石骨水泥具有良好生物相容性和骨组织结合性，不失为一种很有应用前景的新型骨水泥材料[12]。
参考文献：
[1]青木秀希，丹波滋郎.バイオセテミツクスの开 と临床，东京：クインラツセンス出版社，1989∶138
[2]Yoshimine Y, Akamine A, Mukai M et al. Biocompatibility of tetracalcium phosphate cement when used as a bone substitute.Biomaterials, 1993; 14(6)∶403
[3]Fukase Y, Eanes ED, Takagi S et al. Setting reactions and compressive strengths of calcium phosphate cements. J Dent Res, 1990; 69(12)∶1852
, http://www.100md.com
[4]菅原明喜，草
熏，西村敏.カルシウムフオスフエイトセメントの骨补填ヘの用にする基的研究.科材料器械，1993；12(6)∶691[5]Bermudez O, Boltong MG, Driessens FCM et al. Development of some calcium phosphate cement from combinations of a-TCP, MCPM and CaO. J Mater Sci:Materials in medicine, 1994; 5∶160
, 百拇医药
[6]ISO 3824:1984, Dental silicophosphate cement
[7]ISO 9917:1991, Dental water-based cement
[8]青木秀希.バイオセラミツクス.生体材料，1989；7(1)∶24
[9]饭岛智彦，大森良幸，奥隆司.α型リン酸三カルシウム一リン酸四カルシウム系アハ°タイトセメントの特性.Gypsum & lime,1992;238∶159
[10]陈德敏.磷灰石骨水泥材料研究初探.口腔材料器械杂志，1995；4(3)∶109
[11]Yoko Matsuya, Antonucci JM, Shigeki Matsuya et al. Polymeric calcium phosphate cements derived from poly(methyl vinyl ether-maleic acid). Dent Mater, 1996; 12∶3
[12]陈德敏，施琥，薛淼等.磷灰石骨水泥材料的生物学性能评价.中国口腔种植学杂志，1997；2(2)∶72
收稿日期：1998-09-08
修改日期：1999-01-07, http://www.100md.com