多孔磷酸钙生物材料的制备及表征

【摘要】 目的 制备适合新骨长入的孔隙率、孔隙尺寸和结构的多孔磷酸钙组织工程支架材料。方法 通过湿法共沉淀法合成羟基磷灰石（HA）/磷酸三钙（TCP）双相粉末，采用有机泡沫浸浆法和适当的致孔剂，分别制备多孔磷酸钙陶瓷和多孔磷酸钙骨水泥。采用扫描电镜观测试样的孔隙结构，测量其孔隙率，利用X射线衍射分析其相成分。结果 多孔磷酸钙陶瓷和磷酸钙骨水泥的孔隙率分别为72％和67％；孔隙尺寸分布在200μm和280μm左右；孔壁上分别存在大量孔径为数微米至数十微米的微孔；X射线衍射结果证明多孔磷酸钙陶瓷的组成包括HA和βTCP ，骨水泥的成分为HA，αTCP and βTCP。结论 试验制备的多孔磷酸钙生物材料具有适合新骨长入的孔隙直径、孔隙率和良好的生物相容性。

【关键词】 多孔磷酸钙陶瓷; 骨水泥; 微孔; 生物相容性

Preparation and Characteration of Porous Calcium Phosphate Bioactive Material for Bone Tissue Engineering

【Abstract】 Objective To prepare the adaptive porous calcium phosphate bioactive material. Methods The hydroxyapatite/tricalcium phosphate biphasic powder was synthesized by the wet coprecipitation method. Then polymer sponge immersion method and appropriate progeny were used to prepare porous calcium phosphate (CaP) .The morphology and structure of CaP ceramics and CPC were observed by scanning electronic microscopy (SEM).Their phase composition were analyzed by Xray diffraction(XRD). Results The porosities of CaP ceramics and CPC were 72% and 67% respectively. Their pore sizes were 200 to 280 μm. The results of XRD showed that CaP ceramics composed of HA and βTcp， CPC composed of HA， βTCP. Conclusion The preparation by the experiment has appropriate pore size and porosity and excellent biocompatibility which are suitable to the bone ingrowth.

【Key words】 porous calcium phosphate (CaP) ceramics; cement; micropore; biocompatibility

1 前 言

磷酸钙生物材料由于具有与自然骨组织相似的无机成分，因此表现出优良的生物相容性，植入体内后能够与骨组织形成骨键合，被称为生物或材料，并已经成功地被应用于临床骨缺损的修复和填充［1］。但是，临床常常会遇到病理情况下的骨缺损，如骨质疏松导致的骨缺损，患者的骨密度低，骨修复能力差；或者大体积的骨缺损。由于无机的磷酸钙生物材料缺乏生长因子、蛋白质等，引导新骨长入磷酸钙生物材料的能力有限，上述原因常常导致临床不愈合或延迟愈合。因此，有研究提出通过体外培养细胞或在磷酸钙生物材料中添加一定的生物因子，如骨形态发生蛋白［2］（BMP），转移生长因子［3］（TGFβ）等，或者在生物材料体外培养细胞，通过添加生长因子或细胞赋予生物材料诱导组织再生的能力［4］ ，有巨大的发展前景。因此，如何制备模仿自然骨组织的孔隙结构，尤其是适合细胞长入的孔隙结构，包括适当的孔隙尺寸、以及孔隙的贯通性等，是当前骨组织工程研究的热点［5］。

2 材料制备和方法

2.1 双相磷酸钙粉末合成

本研究采用Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4作为起始原料湿法合成混合均匀的羟基磷灰石（hydroxyapatite， HA）/磷酸三钙(Tricalcium Phosphate， TCP)。通过控制反应液中的pH值和Ca/P原子比可以制备不同HA/βTCP比例的共沉淀粉体。化学反应方程式如下：

Ca(NO3)2+(NH4)2HPO4+NH4OH→ Ca5(OH)(PO4)3↓+ Ca3(PO4)2↓＋NH4NO3（式－1）

经老化，将沉淀过滤并用蒸馏水反复清洗至pH 7，烘干，球磨机研磨成粉末备用。

2.2 磷酸钙多孔支架的制备

磷酸钙陶瓷多孔支架材料采用有机泡沫浸浆法，将上述合成的磷酸钙粉料加入蒸馏水调制成磷酸钙浆料，浸渍有机泡沫，干燥，然后经过1 250℃的高温烧结，去除有机泡沫，即可制备多孔磷酸钙陶瓷。

根据文献［6］，多孔磷酸钙骨水泥粉末由αTCP（αCa3(PO4)2）、DCPD（CaHPO4.2H2O）、HA（Ca5(PO4)3OH）、CaCO3按58∶25∶8.5∶8.5的质量比混合而成。采用NaCl颗粒作为致孔剂，致孔剂占70 wt ％，其中60％的致孔剂的粒径小于200 μm，剩下的40％分布在200～450 μm之间。采用磷酸缓冲液作为液相，将粉相和液相混合后，磷酸钙骨水泥发生固化。在蒸馏水中将易溶造孔剂溶解，即形成多孔磷酸钙骨水泥。

2.3 磷酸钙多孔组织工程多孔材料的表征

2.3.1 孔隙率的测定 本研究采用直接称重体积计算法测定多孔磷酸钙陶瓷的孔隙率。先切取形状规则且大小合适的多孔材料样品，注意切割试样时尽量不要使材料的原始孔隙结构产生变形，且试样形状应便于测量和进行体积计算。利用天平称出试样质量，利用游标卡尺进行样品的尺寸测量，并计算其体积，根据公式得出孔率［7，8］。

本实验中制备的骨水泥样品，每个质量都为1g。凝固后形状为圆柱状，测得直径为15 mm，高3 mm.本实验采用的NaCl的密度为2.16 g/cm3.

2.3.2 形貌观察 采用扫描电镜观察了组织工程多孔支架材料的高倍形貌。分别取两种多孔磷酸钙生物材料，镀金，利用扫描电镜（FEI，Quta 200）观察多孔磷酸钙生物材料的孔隙结构和形貌。

2.3.3 成分分析 采用X射线衍射测定两种组织工程支架材料的相组成，测试条件采用X射线衍射仪（Philip，Xpert）对样品粉末进行分析，选择铜靶在35 mA、45 kV的测试条件［9］。

3 结果

3.1 磷酸钙多孔材料的孔隙率

多孔材料的孔率（又称孔隙率或孔隙度），是指多孔体中孔隙所占体积与多孔体总体积之比，一般以百分数来表示，该指标是多孔材料中的最基本的参数之一，也是决定多孔材料的其它性能的关键因素。多孔材料的孔隙包括贯通孔、半通孔和闭合孔3种，这3种孔率的总和就是总孔率［10］。

本研究所制备多孔磷酸钙陶瓷的孔隙率约为72％；多孔磷酸钙骨水泥的孔隙率约为67％.

3.2 形貌观察

采用扫描电镜观察了多孔磷酸钙陶瓷和磷酸钙骨水泥的形貌，如图2所示。从图中可以观察到，在两种多孔支架材料大孔的孔壁上均有大量孔径在几个至数十微米的微孔，尤其是磷酸钙多孔陶瓷。

3.3 成分分析

X射线衍射结果如图3所示。从图中可分析磷酸钙陶瓷中主要相成分为羟基磷灰石（HA），此外还含有少量的磷酸三钙（βTCP）。磷酸钙骨水泥粉末主要为磷酸三钙，其中主要包括β相的磷酸三钙（βTCP）和少量的β相磷酸三钙（βTCP）。磷酸钙粉相和液相混合固化后，主要成分为HA、βTCP和βTCP，经过蒸馏水的浸泡后，其中的βTCP、βTCP的含量下降，尤其是βTCP的衍射峰基本消失，而HA的含量明显增加［11］。

磷酸钙骨水泥能够自行硬化并转化为羟基磷灰石的原理基于不同磷酸钙盐在水中的溶解度的差异。由于在pH 4.2～11范围内，羟基磷灰石在水中的溶解度是最小的，因而在热力学上是最稳定的。其它磷酸钙盐在水中会向HA转化，因此，本实验制备的磷酸钙骨水泥随着固化以及在蒸馏水中浸泡后，HA的含量明显增加，而磷酸钙骨水泥粉相中的αTCP等，溶解或转化成HA。虽然自然骨中无机相主要为HA，但也有少量的TCP，因此HA、αTCP和βTCP三种磷酸钙盐均具有优良的生物相容性，已成功地被应用于临床［12］。

4 讨论

通过体外培养细胞或在磷酸钙生物材料中添加一定的生物因子，如骨形态发生蛋白（BMP），转移生长因子（TGFβ）等，或者在生物材料体外培养细胞，通过添加生长因子或细胞赋予生物材料诱导组织再生的能力，这种在体外构建组织的方法被称为“组织工程”，是目前研究的方向［13］。根据ASTM标准其定义为：“在体内和体外应用科学原理和方法构建组织工程医疗产品，用于医学诊断和治疗。各种原理和技术是工程学和生物医学基本的实践和方法，例如：制造传统医疗器械和生物制品的细胞、基因，或药物治疗，胚胎学或其他形式的发育学和生物学，外科修复方法和技术等。组织工程也可用于生产非人体用产品。”，根据ISO标准，其定义为：“指制造一类医疗产品的技术和工艺，这类医疗产品中活组织或细胞应能修复、改善或再生受者细胞、组织和器官和/或其结果和功能”。

组织工程的三大要素分别为：细胞、细胞生长因子和细胞载体材料。由于分离的细胞自身不能形成组织，它们需要特殊的环境，通常包括细胞生长临时的支架材料。这种三维支架材料常常模拟其自然对应物——体内的细胞外基质，既起物理支架的作用，又是细胞在体外培养和后期植入的粘附物质。运用于骨组织工程的支架材料主要有无机材料和生物可吸收高分子材料或它们的复合物，无机材料主要包括羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）、磷酸三钙（Tricalcium phosphate， TCP）以及它们组成的双相磷酸钙材料等［14］。但如何制备模仿自然骨组织的孔隙结构，尤其是适合细胞长入的孔隙结构，包括适当的孔隙尺寸、以及孔隙的贯通性等，是当前骨组织工程研究的难点和热点。

贯穿式多孔结构有利于组织液的渗入，使组织液能够进入材料内部，材料与组织液接触面积增加，有利于材料的生物降解［15］。为了适应新生骨组织长入材料的要求，微孔的最小孔径必须大于100μm，此时，骨细胞可以在孔内生长，有利于材料的血管彼此连通，以保证长入材料深部的组织有营养供给，同时种植体可以起到支架作用［16］。

作者采用有机泡沫浸渍法和加入致孔剂的方法，制备出多孔磷酸钙陶瓷和磷酸钙骨水泥，通过控制有机泡沫的孔隙率和孔隙结构，以及致孔剂的加入量和尺寸，有效控制多孔磷酸钙陶瓷和骨水泥中的孔隙率和孔隙尺寸，并分别采用扫描电镜、X射线研究分析其表面形貌和孔隙结构，测定磷酸钙陶瓷和骨水泥的孔隙率，以及相成分，证实其有利于细胞和细胞生长因子在体外构建组织，是具有适合新骨长入的孔隙率、孔隙尺寸和结构的多孔磷酸钙组织工程支架材料。

【