不同質(zhì)量比N，O－CMC/n－β－TCP復(fù)合材料在模擬體液中的降解性能

劉玉艷，儲順禮，李男男，包幸福，高 尚，沙 莉，胡 敏，蔣引珊

(1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院，長春130041;2.吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長春130022)

羧甲基殼聚糖(N，O－CMC)及n－β－磷酸三鈣(n－β－TCP)是骨修復(fù)和支架材料的研究熱點(diǎn)［1－5］，但二者不同質(zhì)量比復(fù)合后的降解性能尚未見報道，因此，對不同質(zhì)量比的二者復(fù)合材料進(jìn)行了體外降解實(shí)驗(yàn)，以期為進(jìn)一步的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

3種不同質(zhì)量比的N，O－羧甲基殼聚糖(N，O－carboxymethyl chitosan，N，O－CMC)/納米β－磷酸三鈣(Nano－β－tricalcium phosphate，n－β－TCP)多孔復(fù)合材料為吉林大學(xué)實(shí)驗(yàn)室合成［6］。

1.2 體外浸泡實(shí)驗(yàn)

模擬體液(Simulated body fluid，SBF)的配制: SBF參考Kokubo［7］的方法進(jìn)行配制，具體步驟如下:將 7.995 g NaCl、0.353 g NaHCO3、0.224 g KCl、0.071 g Na2SO4、0.305 g MgCl2· 6H2O、0.228 g K2HPO4·3H2O和0.277 g CaCl2依次溶于900 mL蒸餾水中;將40 mL、1 mol/L的HCl緩慢加入到上述溶液中;在攪拌狀態(tài)下將6. 118 g(CH2OH3)3CNH2緩慢加入到上述溶液中，待其全部溶解后，攪拌均勻;用上述1 mol/L的HCl調(diào)節(jié)溶液pH為7.4，并定容1000 mL?，F(xiàn)用現(xiàn)配并經(jīng)過濾除菌、4℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

首先將制備的復(fù)合材料塊體置于干凈的聚乙烯塑料瓶中，按照塊體質(zhì)量和SBF體積比為1 g/ 60 mL的比例，添加新配制的SBF溶液，再將聚乙烯瓶加蓋密封，置于37℃恒溫水浴鍋中，分別浸泡7 d、14 d、21 d、28 d。為保證模擬環(huán)境的離子濃度不變，一周換一次SBF溶液。浸泡結(jié)束后取出，用去離子水洗凈，60℃真空烘干后以備測試用。

1.3 復(fù)合材料浸泡后的性能表征和檢測

(1)SBF溶液pH值的測定

采用國產(chǎn)雷磁PHS－3C型數(shù)顯pH計測量不同浸泡時間、不同比例N，O－CMC/n－β－TCP復(fù)合材料降解液的pH值。各測試點(diǎn)分別取出3個平行樣，取平均值。

(2)浸泡前后復(fù)合材料質(zhì)量測試

將不同浸泡時間的多孔試樣取出，經(jīng)去離子水反復(fù)浸泡、洗滌干燥后，用高精密電子天平稱重，并按公式δ=(m－m0)/m0×100%計算其重量變化，其中m0和m分別為浸泡前后的質(zhì)量。若計算結(jié)果為正，說明浸泡后增重，用增重率表示;若計算結(jié)果為負(fù)，說明浸泡后失重，用失重率表示。各測試點(diǎn)分別取3個平行樣，取平均值。

(3)浸泡后復(fù)合材料的X射線衍射儀(XRD)測試

采用丹東方圓儀器有限公司的DX－2700 X射線粉末衍射儀對降解后樣品的表面相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。采用Cu Kα(λ=0.15406 nm)射線，管電壓為35 kV，管電流為25 mA，掃描范圍為10°～60°，掃描步寬為0.03°/s，采樣時間為0.5 s。

(4)浸泡后復(fù)合材料的FTIR測試

采用美國Nicolet公司的Nexus670傅里葉變換紅外光譜儀對降解后的樣品進(jìn)行官能團(tuán)結(jié)構(gòu)分析測試，KBr壓片法，測量范圍為 400～4000 cm－1，分辨率為1 cm－1。

(5)不同浸泡時間復(fù)合材料鈣、磷離子濃度測試

使用美國PE公司的電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(型號:Optima 2100DV)，測試條件如下:等離子體氣為15 L/min，輔助氣為0.2 L/min，霧化氣為0.80 L/min，發(fā)射功率為1300 W，進(jìn)樣速度為 1.50 mL/min。(參考方法為 BS EN ISO11885:2009電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測水中33種元素)

2 結(jié)果

不同質(zhì)量比復(fù)合材料在模擬體液中浸泡28 d內(nèi)的pH值及質(zhì)量變化見圖1和圖2。從圖1可知，不同質(zhì)量比復(fù)合材料的pH值呈現(xiàn)相似的變化趨勢，既浸入SBF后，pH值在前5 d內(nèi)迅速降低，6～14 d開始緩慢上升，隨后pH值基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。由圖2可知，不同質(zhì)量比復(fù)合材料浸泡28 d后質(zhì)量均有所增加。大致規(guī)律是隨著nβ－TCP的增加，復(fù)合材料質(zhì)量先增大后減小，當(dāng)二者的質(zhì)量比為1∶1時，其質(zhì)量比浸泡前明顯增大，增重率達(dá)到4.45%。

圖1 SBF浸泡液的的pH值隨時間變化曲線Fig.1 Variation of pH value of SBF solution due to soaking time

不同質(zhì)量比復(fù)合材料降解28 d后的XRD及 FTIR測試結(jié)果見圖3及圖4，從圖3中可以看出:不同質(zhì)量比復(fù)合材料的物相組成沒有明顯變化，但與浸泡前復(fù)合材料的XRD圖譜比對，可觀察到類骨羥基磷灰石的弱衍射峰。從圖4中可以看到，550 cm－1和607 cm－1對應(yīng)P的υ4振動吸收峰，961 cm－1對應(yīng)P的υ1振動吸收峰;在1042 cm－1、1462 cm－1等附近出現(xiàn)的吸收峰對應(yīng)的是碳酸根(酯)基團(tuán)的吸收峰，它們是代替 P的C產(chǎn)生的振動帶［8］。

圖2 N，O-CMC/n-β-TCP復(fù)合材料在SBF中浸泡28 d后的質(zhì)量變化Fig.2 Mass variation of N，O-CMC/n-β-TCP composites after soaked in SBF solution for 28 d

圖3 N，O-CMC/n-β-TCP復(fù)合材料在SBF中浸泡后的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of N，O-CMC/n-β-TCP com posites after soaked in SBF solution

圖4 N，O-CMC/n-β-TCP復(fù)合材料在模擬體液中浸泡后的FTIR圖譜Fig.4 FTIR spectra of N，O-CMC/n-β-TCP com posites after soaked in SBF solution

不同質(zhì)量比復(fù)合材料在SBF浸泡液中鈣、磷離子濃度隨時間變化如圖5所示，既材料浸入溶液中的第1周，溶液中的鈣、磷離子濃度下降較快;之后的2周，鈣離子濃度在此水平緩慢上升;第4周時，鈣離子濃度又緩慢下降。N，O－CMC/β－TCP質(zhì)量比為1∶2的磷離子濃度在此后的兩周持續(xù)呈小幅下降趨勢，至最后1周趨于平穩(wěn)，其他組磷離子濃度在此后的3周均在此水平小幅波動并趨于平穩(wěn)。

圖5 復(fù)合材料浸泡不同時間后SBF溶液中Ca、P離子濃度變化Fig.5 Variation of Ca and Pelemental concentration of SBF solution due to soaking time

3 討論

3.1 SBF溶液pH值變化的分析

如果復(fù)合材料在模擬體液浸泡過程中發(fā)生降解，體液pH值就會出現(xiàn)相應(yīng)的變化。浸泡初期體液pH值急劇下降的原因可能是n－β－TCP和殼聚糖的降解與類骨磷灰石的生長使體液中存在著大量的Ca2+、P和C離子，其中Ca2+離子沉積在試樣表面，使體液中剩余了大量的P和 C離子，因此模擬體液的pH值急劇下降。隨著時間的延長，體液的pH值逐漸回升，至第二周時基本處于穩(wěn)定;這可能是材料的降解速率與磷灰石的沉積速率由不平衡的波動達(dá)到平衡的動態(tài)變化過程，既磷灰石及殼聚糖的降解與類骨磷灰石的生長在第二周時基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，體液的pH值變化不大。實(shí)驗(yàn)中不同比例復(fù)合材料降解過程中pH值變化均較小且在近中性狀態(tài)，如:N，O－CMC/β－TCP質(zhì)量比為1∶2時，pH值處于6. 855～7.40;質(zhì)量比為2∶1時，pH值處于6.80～7.40，尤其是當(dāng)二者質(zhì)量比為1∶1時，pH值處于7.0～7.4，這樣的復(fù)合材料在植入生物體后應(yīng)有助于使周圍的pH值穩(wěn)定在中性偏堿的狀態(tài)，從而減少無菌性炎癥的發(fā)生，使材料的生物相容性得到提高。

3.2 浸泡后復(fù)合材料的質(zhì)量變化分析

不同質(zhì)量比復(fù)合材料在模擬體液中浸泡28 d后的質(zhì)量均增加，說明溶液中的某些離子已沉積到復(fù)合材料中。XRD分析(見圖3)表明，復(fù)合材料表面有類骨磷灰石相生成，說明復(fù)合材料質(zhì)量的增加是因?yàn)椴牧媳砻娉练e了類骨磷灰石。同時也表明，實(shí)驗(yàn)所制備的N，O－CMC/n－β－TCP復(fù)合材料具有良好的生物活性，具有誘導(dǎo)材料表面形成類骨磷灰石的潛能。

3.3 浸泡后復(fù)合材料的XRD分析

為了更好地研究復(fù)合材料在模擬體液中的降解情況，對降解28 d后的試樣進(jìn)行XRD表征結(jié)果顯示:不同質(zhì)量比復(fù)合材料的物相組成沒有明顯變化，但與各自材料浸泡前XRD圖譜對照，可觀察到類骨羥基磷灰石的弱衍射峰，并且由于類骨羥基磷灰石結(jié)晶較弱，從而使浸泡后復(fù)合材料的衍射峰略有寬化。其成因可能是在SBF溶液中，同時含有鈣、磷、碳酸根離子及其他微量元素;其中，鈣、磷離子自身具有成核作用，而溶液中的碳酸根離子和其它金屬離子也可沉積并進(jìn)入晶格中，從而形成碳酸化的羥基磷灰石結(jié)構(gòu)，即類骨羥基磷灰石。類骨磷灰石具有與骨磷灰石相似的組成和結(jié)構(gòu)，易被內(nèi)源性生長因子，蛋白質(zhì)分子和骨組織細(xì)胞識別為骨礦物，進(jìn)而有利于新骨形成，是評價材料具有誘導(dǎo)成骨作用的要素［8］。

3.4 浸泡后復(fù)合材料的FTIR分析

XRD測試只能提供材料晶相變化信息，無法了解在整個復(fù)合材料的浸泡過程中某些離子或基團(tuán)是否發(fā)生變化，因此對降解后復(fù)合材料進(jìn)行FTIR測試十分必要。圖4中可以明顯看到由C替代P產(chǎn)生的振動帶，這表明復(fù)合材料的降解產(chǎn)物不僅是單純的羥基磷灰石，而且是含有一定B型碳酸磷灰石的類骨型磷灰石(HCA)。HCA是人體骨組織的主要無機(jī)鹽，N，O－CMC/nβ－TCP復(fù)合材料表面在SBF中形成類骨的HCA微晶，說明材料對生理環(huán)境具有響應(yīng)特性和生物活性，具有促進(jìn)新骨形成的功能［8］。

3.5 不同浸泡時間復(fù)合材料鈣、磷離子濃度變化分析

從圖5中可知，浸泡的第一周，由于SBF溶液中的鈣離子、磷酸根離子濃度較高，且溶液中還含有碳酸根等離子，這些離子在樣品表面快速形成類骨羥基磷灰石沉積物，消耗了大量鈣、磷離子，因而使SBF溶液中的鈣、磷離子濃度下降較快。隨著浸泡時間的延長，溶液中鈣離子又在材料表面沉積，同時磷酸三鈣的降解使溶液中的鈣、磷離子增加，這種沉積與降解過程的不平衡導(dǎo)致浸泡液中的鈣、磷離子濃度波動變化，并逐漸由不平衡達(dá)到動態(tài)平衡，最終使溶液中的鈣、磷離子濃度基本保持恒定。其中N，O－CMC/n－β－TCP質(zhì)量比為1∶1的鈣、磷離子濃度波動幅度較小，說明該材料在SBF浸泡液中的降解與沉積趨勢較適宜，具有較好的力學(xué)支撐。

4 結(jié)束語

不同質(zhì)量比N，O－CMC/n－β－TCP復(fù)合材料在模擬體液中降解性能的檢測結(jié)果表明:不同質(zhì)量比復(fù)合材料降解液的pH值為6.9～7.4;材料的質(zhì)量隨降解時間呈增加趨勢;材料表面均有類骨羥基磷灰石生成?？傊?，三種比例復(fù)合材料在SBF中均有較好的降解性，尤以二者質(zhì)量比為1∶1時性能最好。但在生物體內(nèi)的性能是否如此，還需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

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