生物玻璃增強羥基磷灰石陶瓷支架性能研究

鄭衛(wèi)澳大利亞昆士蘭科技大學工程系，澳大利亞，布里斯本，4109

生物玻璃增強羥基磷灰石陶瓷支架性能研究

【作者】鄭衛(wèi)澳大利亞昆士蘭科技大學工程系，澳大利亞，布里斯本，4109

骨修復材料的選擇一直是困擾研發(fā)和臨床的新問題，主要涉及材料的堅固性以及其生物相容性。磷酸鈣陶瓷屬于生物活性陶瓷，成為人工骨替代的研究熱點，但材料本身的機械強度制約了其發(fā)展。在磷酸鈣陶瓷里加入生物玻璃不僅增強了它的堅固性，更提高了其生物活性。

生物玻璃，羥基磷灰石，支架強度

目前，越來越多的生物陶瓷被用于人體組織的置換。骨修復一直受材料學所困擾，主要涉及材料的堅固性以及其生物的相容性。磷酸鈣陶瓷屬于生物活性陶瓷，其主要成分是Ca和P。研究發(fā)現，這種材料跟人體骨組織成份的無機物質非常接近[1]，當植入人體后，在體液的作用下，鈣和磷會游離于材料表面而被機體組織所吸收，并與人體骨組織發(fā)生化學結合，生長出新的組織[2]，因而成為人工骨替代的研究熱點，但材料本身的機械強度制約了其發(fā)展。生物玻璃不僅增強了磷酸鈣陶瓷的堅固性，更提高了其生物活性。本文著重綜合分析生物玻璃含量與燒結溫度對磷酸鈣陶瓷羥基磷灰石（HA）機械強度的影響。

1 生物玻璃

生物玻璃(bioglass)是能實現特定的生物、生理功能的玻璃總稱。將生物玻璃植入人體骨缺損部位，它能與骨組織直接結合，起到修復骨組織、恢復其功能的作用。生物玻璃主要成分有Na2O、CaO、SiO2和P2O5，若添加少量其他成分，如MgO2、CaF2則可得到一系列有實用價值的生物玻璃。跟一般的玻璃不同之處就是生物玻璃降低了Si的含量（＜60%），同時增加Na跟P的含量，提高了P/Ca比例。其重要成分里含有磷元素跟鈣元素，所以也廣泛應用于骨修復[3]。生物玻璃的機械強度低，只能用于承力不大的體位，如耳小骨、指骨等的修復。目前，生物玻璃大多數涂敷于鈦合金或不銹鋼表面，結合金屬的機械強度來作骨置換。

圖1 生物玻璃的含量及溫度對磷酸鈣支架機械強度的影響Fig.1 The content of the bioglass in the Ca/P ceramic and the sintering temperature would inf l uence the scaffold's mechanical strength

2 實驗

2.1 將生物玻璃與SiO2、P2O5、Na2O、CaO混合(見圖1)，發(fā)現煅燒至1200oC時，隨著生物玻璃含量的增加，HA支架的機械強度也增強；而煅燒至1300oC時，隨著生物玻璃的含量增加，支架的機械強度反而下降[4]。

2.2 Goller等人[5]比較不同生物玻璃，結合煅燒溫度，觀察生物玻璃加入HA的不同含量對磷酸鈣陶瓷機械性能的影響。生物玻璃Ⅰ僅僅是由P2O5 和CaO 兩種氧化物在1200oC煅燒而成。生物玻璃Ⅱ則在生物玻璃Ⅰ成分的基礎上加入Na2CO3，三種氧化物在1200oC下煅燒形成。從圖2可以看到，隨著生物玻璃Ⅰ含量的增加，支架的機械強度也隨之增強；但在1200oC下煅燒形成的支架強度明顯高于在1300oC下所形成的。

圖2 生物玻璃Ⅰ的含量及溫度對磷酸鈣支架機械強度的影響Fig.2 The content of the bioglass I in the Ca/P ceramic and the sintering temperature would inf l uence the scaffold's mechanical strength.

圖3 生物玻璃II的含量及溫度對磷酸鈣支架機械強度的影響Fig.3 The content of the bioglass II in the Ca/P ceramic and the sintering temperature would inf l uence the scaffold's mechanical strength.

從圖3與圖2比較發(fā)現，含有生物玻璃II的支架的機械強度明顯低于含有生物玻璃I的支架。但此實驗并不能證明，含三種氧化物的生物玻璃復合材料的機械強度就低于含二種氧化物的生物玻璃，只是加入適量的Na2CO3后所產生的結果。同時從圖3可以看出，在煅燒至1200℃時隨著生物玻璃含量的增加，支架的機械強度增強；在煅燒至1300℃的時，支架的機械強度反而下降。

2.3 Kapoor 等人[6]將CaO、P2O5、Na2O 氧化物混合制備的生物玻璃，發(fā)現在煅燒至1250oC時，發(fā)現混合支架的機械強度隨著生物玻璃含量的提高而增強見圖4。

2.4 由SiO、Na2O、CaO、Al2O3、MgO等5種氧化物材料混合制備得到的生物玻璃，被馬莉等人[7]用于增強HA燒結的高溫粘接劑。從圖5可以看出，當生物玻璃含量不變3wt.%的情況下，隨著煅燒溫度的上升（＜1200oC），支架的機械強度也相應增強。同時從圖6曲線顯示，在相同溫度下，隨著生物玻璃含量的增加，磷酸鈣支架的機械強度也相應提高。

圖4 在相同溫度下CaO-P2O5-Na2O生物玻璃的含量對磷酸鈣支架機械強度的影響Fig.4 At the condition of same temperature, the content of CaO-P2O5-Na2O bioglass in the CA/P ceramic would inf l uence the scaffold's mechanical strength

圖5 在相同含量下溫度對磷酸鈣支架機械強度的影響Fig.5 At the condition of the same bioglass content within the CA/P ceramic, the temperature would inf l uence scaffold's mechanical strength

圖6 在相同溫度下生物玻璃對磷酸鈣支架機械強度的影響Fig.6 At the condition of same temperature, the content of bioglass in the CA/P ceramic would inf l uence the scaffold's mechanical strength

3 討論

3.1燒結溫度對磷酸鈣陶瓷性能和強度的影響

在燒結初期，顆粒之間開始只有點接觸，但是隨著溫度的升高，一方面羥基磷灰石（HA）內部顆粒增大，顆粒間接觸面積擴大，并且由于表面能的作用使顆粒聚集，體積收縮，氣孔率減少，致密化程度升高；另一方面，生物玻璃在700oC時開始軟化，從玻璃固體相逐漸熔化成玻璃液相。在高溫和表面能的作用下，玻璃液相以空隙作為通道，通過表面擴散和流動等物質遷移形式，在HA顆粒或團聚體表面形成一層液相膜，促進HA顆粒及團聚體的移動和重排，以達到最密實的排布，從而使樣品體積收縮，氣孔率減少，致密化程度升高，這樣就導致了樣品強度的增強。而在1300oC時，隨著溫度的上升，部分HA與生物玻璃發(fā)生反應，致使原料中的羥基磷灰石缺鈣，而缺鈣HA由于不穩(wěn)定，部分HA逐漸轉變成β-磷酸鈣(β-TCP)相。注意到圖1實驗曲線與圖3實驗曲線所使用的生物玻璃都含有鈉的氧化物，高溫下會形成以TCP為基的鈉的化合物，此化合物的機械強度相對較差，從而影響了整個多孔材料的機械性能。同時注意到圖4實驗曲線與圖5實驗曲線同樣使用了氧化鈉作為生物玻璃的添加成分，但其燒結溫度為均為1250oC（＜1300oC），不會影響整體材料的機械性能。

3.2生物玻璃含量對多孔生物陶瓷性能和強度的影響

在燒結溫度相同的情況下，隨著生物玻璃含量的增加，多孔陶瓷樣品的收縮率逐漸減小，孔隙率逐漸減小，抗彎強度逐漸增大。這是由于添加生物玻璃會在樣品燒結時產生液相，坯體內的陶瓷顆粒會受到毛細管力的作用以及液相本身的粘性流動，使顆粒調整位置、重新分布以達到最密實的排布，故使樣品逐漸致密化，即孔隙率減小。同時，液態(tài)生物玻璃可以修復HA在風干時所形成的裂痕，從而提高多空支架的機械強度。

3.3生物玻璃成分對多孔生物陶瓷性能和強度的影響

以上6個實驗分別用6種不同的生物玻璃測試，不能得出某種生物玻璃是最適合增加機械性能的材料。但生物玻璃中所含有的成分會影響其機械性能。在圖3所示的實驗曲線中減少了CaO，增加了Na2CO3,不能得出兩種氧化物合成的生物玻璃一定比三種氧化物合成的生物玻璃具有較好的機械性能的結論，而在圖3所示的實驗曲線中可以發(fā)現，Ca的含量直接影響生物玻璃的機械性能，從而影響多孔陶瓷支架的機械強度。

4 結論

不同實驗者由于所使用的材料與支架不同，雖然最終的具體數值不存在可比性，但從他們所得到的實驗曲線趨勢可以反映溫度以及生物玻璃的含量對HA多孔陶瓷機械性能的影響。

4.1 生物陶瓷在煅燒至1200oC時，支架的機械強度隨著生物玻璃量增加而增強；而當在1300oC情況下，支架的機械強度反而因為生物玻璃量的增加而降低。

4.2 生物玻璃含量對多孔生物陶瓷的物相組成也有一定的影響，但影響較小。此外，生物玻璃的加入使樣品的機械性能強度明顯提高。

4.3 生物玻璃的組成成分對多孔陶瓷性能跟其含有的成分有較大影響。

[1] Suchanek W, Yoshimura M; Processing and properties of hydroxyapatite- based biomaterials for use as hard tissue replacement implants [J]. Mater Res. 1998. 13: 94–117.

[2] 張愛娟. 模擬體液中類骨羥基磷灰石的合成[J]. 山東大學學報, 2010, 40(3) :86-89.

[3] Shi DL. Biomaterial and Tissue Engineering [M]. Springer. New York. 2004.

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[7] 馬莉, 周科朝, 李志友, 等. 生物玻璃增強多孔羥基磷灰石生物陶瓷的制備及其性能[J]. 中國有色金屬學報, 2008, 18(10): 1886-1892.

高效肝臟細胞培育技術

日本東京工業(yè)大學應用胚胎干細胞高效培育肝臟細胞的技術，能夠使90%的小鼠胚胎干細胞發(fā)育成肝臟細胞，效率比先前的方法提高了9倍。

原來的培養(yǎng)方法，胚胎干細胞往往容易黏結成團塊狀，影響培養(yǎng)效率。如果用藥物將團塊分散開，容易損傷細胞。新技術的是利用特殊的培養(yǎng)基，使胚胎干細胞在互相分離、不黏結的狀態(tài)下有效培育出均一的肝臟細胞。

培養(yǎng)基是利用能把細胞黏結在一起的“E鈣粘蛋白”，與特殊的抗體組合來制作的。細胞很容易附著在這種培養(yǎng)基上，而細胞之間難以結合在一起。將小鼠的胚胎干細胞均勻分布在培養(yǎng)基上，并添加促進其分化成肝臟細胞的生理活性物質，可以均勻地接觸到每個胚胎干細胞，從而大幅提高了效率。一般培養(yǎng)約20天后，有93%的胚胎干細胞發(fā)育成了肝臟細胞。

（本刊訊）

Research in the Performance of the HA Ceramic Scaffold Added with Bioglass

【Writer 】Zheng Wei Engineering Department, Queensland University of technology, Brisbane, Australia 4109

Bioglass, HA, scaffold mechanical strength

R318.01；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2011.02.007

1671-7104(2011)02-0100-03

2010-09-14

鄭衛(wèi)，E-mail: 13905862362@163.com

【 Abstract 】Selecting appropriate bone repair materials has been an issue in the area of research and development as well as clinical applications. The main concerns are the mechanical strength of the material as well as the biocompatibility of the material. Ca/P(calcium phosphate) ceramic belongs to the group of bioactive ceramic. It has become the central focus of alternative arti fi cial bone research. However, the mechanical strength of Ca/P ceramic has limited its further development. Adding bioglass to Ca/P ceramic has not only increased its mechanical strength, but also improved its bioactivity.