多巴胺改性PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥的制備與表征

閆巖

（四川大學高分子科學與工程學院，四川 成都 610065）

多巴胺改性PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥的制備與表征

閆巖

（四川大學高分子科學與工程學院，四川 成都 610065）

在摻鍶磷酸鈣骨水泥的基礎上，利用多巴胺改性PCL纖維和未改性PCL纖維對其進行增強并表征。制備摻鍶磷酸鈣骨水泥樣條，用多巴胺改性PCL纖維和未改性PCL纖維增強，制得骨水泥樣條，對樣條的凝固時間和力學性能等特征參數進行測定。結果顯示，多巴胺改性纖維增強的骨水泥凝固時間更短，力學強度更高，在一定條件下改善了傳統(tǒng)磷酸鈣骨水泥的缺點。

摻鍶磷酸鈣骨水泥；PCL纖維；多巴胺；凝固時間；力學強度

1 引言

骨缺損指骨的結構完整性被破壞，是臨床常見病。各種因素如創(chuàng)傷、感染、腫瘤、骨髓炎手術清創(chuàng)以及各種先天性疾病導致的骨缺損的修復治療一直是醫(yī)學界的難題之一[1]。在早期骨缺損的修復治療的方法主要有自體骨移植、異體骨移植等，但這些方法或因供體來源有限，并發(fā)癥多，手術時間延長，或因機體的免疫排斥反應及易導致交叉感染，已漸退出臨床。

20世紀以來，眾多學者進行了卓有成效的研究，人工骨移植的方法被臨床廣泛應用。骨水泥作為人工骨材料的一種，具有可塑性強、可根據缺損部位的形狀任意塑形、可在人體內自固化等優(yōu)點[2]。但是，骨水泥也有力學性能差、生物降解性能差的缺點。因此，對骨水泥的改性非常必要。

2 實驗部分

2.1 實驗依據。第一代骨水泥聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）類生物相容性差，在固化時會產生高溫，使骨水泥周圍組織壞死，并且在體內降解釋放對細胞有毒性的單體甲基丙烯酸甲酯。另外，它生物相容性差，骨傳導作用差，不利于骨組織的再生。

在80年代中期，由Brown和Chow研制出來了一種新型自固化型人工骨替代材料——磷酸鈣骨水泥。磷酸鈣骨水泥生物相容性良好，可根據缺損部位任意塑形，固化最終產物是羥基磷灰石，其結構與人體骨組織的無機成分相似，具有一定的傳導成骨能力[3]，因此得到廣泛地應用和研究。

但是，磷酸鈣骨水泥力學性能差，脆性大，生物降解性能差，骨傳導作用還有待提高。對于以上磷酸鈣骨水泥的缺點，學者們提出了很多對其進行改性的方法。有學者利用Ca和Sr之間原子半徑和性質的差異，在磷酸鈣骨水泥摻入Sr，使原有的晶格發(fā)生畸變，從而改變材料的結晶性和生物降解性，使骨水泥在人體內的降解加快[4]。

經過學者大量實驗，PCL（聚己內酯）纖維生物相容性好，在體內會降解成水和二氧化碳，不會產生對人體有害的物質。而且，在利用PCL纖維增強之后，本身力學強度增加較多，降解也較緩和，因此是增強磷酸鈣骨水泥較好的選擇。

然而，PCL纖維是由己內酯開環(huán)聚合得到的，碳鏈上并沒有游離的羥基等親水集團。因此，聚己內酯具有強疏水性。這會導致聚己內酯纖維與骨水泥基體難以緊密結合，對力學性能有較大的影響。所以，在本實驗之前，首先利用多巴胺對PCL纖維進行了表面改性實驗，以改善其疏水性，使其能夠和摻鍶磷酸鈣骨水泥緊密的結合[5]。

將未改性的PCL纖維和經過多巴胺改性的PCL纖維放入樣品室使用JSM-5900LV型掃描電鏡進行觀察，可以看出：涂覆前后纖維表面形貌發(fā)生了變化。在涂覆之前，纖維表面纖細光滑，可以通過電鏡分清楚每一根纖維，而且纖維之間的粘結纏繞并不是很多。而在右圖中，可以明顯看到每一根纖維的直徑明顯變大，并且在纖維交叉的地方能夠看見沉積的聚多巴胺。這說明多巴胺成功在纖維表面涂覆。

圖1 PCL纖維與多巴胺改性PCL纖維掃描電鏡圖（3000X）

2.2 PCL纖維對骨水泥理化性能的影響實驗。本實驗過程中將使用SBF模擬體液，模擬體液的配置依據相關文獻進行[6-7]。

2.2.1 摻鍶磷酸鈣水泥的制備

2.2.1.1 無定型摻鍶磷鈣粉末的制備。將二水合磷酸氫鈣，氫氧化鈣，碳酸鍶，按照理想的鈣磷之比為1.67的比值，Sr/（Sr+ Ca）摩爾比為15%的比例，在球磨機中進行球磨混合，球磨的速度為500轉/分鐘[8]。

2.2.1.2 10%摻鍶磷酸鈣骨水泥的制備。將上述無定型磷酸鈣粉末與無水磷酸氫鈣，按照質量比為2∶1的比例混合，作為固相。以2%乳酸殼聚糖溶液為液相，按照液固比為0.55m l/g，將液相與固相進行調和一分鐘，調和均勻之后將骨水泥膏體填入自制的、大小為3mm×4mm×25mm的模具中，在填充過程中進行按壓，用以排出膏體中大部分的空氣，減少空隙。填入模具之后，將模具用玻璃夾片固定，放入溫度37℃、濕度為100%的培養(yǎng)箱中進行固化24h。將固化之后的骨水泥樣條浸泡模擬體液7天。

2.2.2 PCL纖維增強骨水泥的制備過程。將未改性PCL纖維剪裁成為3mm×3mm的大小，按照纖維填入量為1%，2%，5%的比例，依照2.2.1的過程，將骨水泥粉末與乳酸殼聚糖液體混合均勻之后，按照比例加入骨水泥膏體中，混合均勻，填入條形模具中，按壓排出空氣，將模具用玻璃夾片固定，放入37℃，濕度為100%的培養(yǎng)箱中進行固化24 h。之后取出制備好的骨水泥樣條與圓片。并將骨水泥樣條浸泡模擬體液7天。

同樣的，利用多巴胺改性后的纖維和2.2.1制得的摻鍶磷酸鈣骨水泥進行復合，如上述步驟制得骨水泥樣條[9-11]。

2.2.3 測試與表征

2.2.3.1 凝固時間測定。在纖維增強之后，隨著樣條的自固化，樣條逐漸失去流動性和可塑性，最終變?yōu)楣虘B(tài)的骨水泥。在手術過程中，需要利用骨水泥進行塑性、填充等工作，凝固時間不宜過短；而在手術完成之后，則希望其迅速凝固，具有力學強度。凝固時間可以通過維卡儀來測定。

未經過纖維增強的摻鍶磷酸鈣骨水泥凝固時間在22min左右。對比未纖維增強樣品，PCL纖維增強骨水泥組的凝固時間明顯縮短。在填入纖維量為1%（質量比）時，磷酸鈣骨水泥的凝固時間降低為13min。并且隨著纖維的填入量的增加，骨水泥的凝固時間隨之降低。這是由于乳酸殼聚糖溶液滲透到纖維空隙中，間接造成液固比降低，使凝固時間降低。對比多巴胺改性前后纖維增強磷酸鈣骨水泥的凝固時間，改性之后的骨水泥凝固時間有所降低。這可能是多巴胺改變了纖維表面的疏水性，使液相更多地滲入纖維空隙中，降低骨水泥基體與固化液之間的液固比，使骨水泥凝固時間降低。

圖2 纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥的凝固時間

2.2.3.2 纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥的彎曲強度。對浸泡過SBF溶液的骨水泥樣條進行標準三點彎曲測試，并計算骨水泥樣條的彎曲強度[12]。測得彎曲強度數據。利用彎曲強度數據制圖對比，可得圖3和圖4。

圖3 PCL纖維增強骨水泥的彎曲強度

在圖3中可以看到，0%（即未使用PCL纖維增強）的摻鍶磷酸鈣骨水泥樣品的彎曲強度明顯低于加入了PCL纖維增強之后的摻鍶磷酸鈣骨水泥的彎曲強度。但是，在PCL組分從1%增加至5%時，彎曲強度反而下降。這是因為PCL的疏水性導致它與基體不能夠緊密結合，造成骨水泥內部孔隙增多。因此，在PCL纖維組分增大時，彎曲強度反而下降了。

圖4 多巴胺改性PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥彎曲強度

圖4為多巴胺改性之后PCL增強的摻鍶磷酸鈣骨水泥彎曲強度柱狀圖，依然能夠得到，在PCL纖維增強之后，摻鍶磷酸鈣骨水泥的彎曲強度增大了很多。而且在PCL組分由1%增加到5%時，彎曲強度依然在上升。這是因為多巴胺在PCL表面涂覆之后，改善了纖維表面的親水性，可以使PCL纖維與摻鍶磷酸鈣骨水泥基體緊密結合，充分發(fā)揮纖維增強的作用。同時，對比未改性PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥和多巴胺改性PCL纖維增強磷酸鈣骨水泥的彎曲強度，在1%時多巴胺改性后增大了46.2%，在2%時增大了40.7%，在5%時彎曲強度增大了92.3%。這說明，在多巴胺改性PCL纖維能夠更大程度上提高摻鍶磷酸鈣骨水泥彎曲強度。

2.2.3.3 PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥的彈性模量。在試樣上某一方向施加一個恒定的壓力，使試樣產生形變，根據應力與應變算出彈性模量[13]。測得彈性模量數據，制得圖5。

圖5 PCL纖維增強后摻鍶磷酸鈣骨水泥的彈性模量

圖5中，在PCL纖維增強之后，摻鍶磷酸鈣骨水泥的彈性模量反而下降了，這是因為在PCL纖維增強之后，由于PCL纖維的疏水性，PCL纖維與摻鍶磷酸鈣骨水泥之間有空隙，這反而降低了試樣的彈性模量。并且隨著纖維量的增加，彈性模量表現為無規(guī)狀態(tài)，這是由于PCL纖維為韌性材料，因此，彈性模量的變化不與纖維量的增加成正比。

圖6 多巴胺增強PCL纖維彈性模量

觀察圖6，可以看出在多巴胺改性之后，PCL纖維增強時摻鍶磷酸鈣骨水泥的彈性模量會大幅增加。這是因為多巴胺的粘附作用使得PCL纖維和摻鍶磷酸鈣骨水泥基體間的空隙變得很少，PCL纖維與摻鍶磷酸鈣骨水泥基體間的結合更加的緊密。對比未改性PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥和多巴胺改性PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥的彈性模量，在1%，2%，5%時，彈性模量分別增加了172%，78.5%和139.1%，這是因為多巴胺對纖維改性之后，纖維表面具有一定的親水性，從而纖維與骨水泥之間的結合更加緊密。但是隨著纖維量的增加，彈性模量同樣沒有規(guī)律的變化。

2.2.3.4 PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥的斷裂功。斷裂功是材料在斷裂破壞過程中，由于裂紋傳播而形成新的單位面積需要的能量。它是衡量材料抗應力破壞的重要標準，也是骨材料力學性能的重要參數[14]。因為在骨材料臨床使用中，會受到磕碰以及沖撞，骨材料很有可能會產生斷裂或者產生碎片，這對于植入骨材料的病患是非常不利的。而且，摻鍶磷酸鈣骨水泥本身脆性較大，是它的一個主要缺點。如果能夠使其韌性更好，會大大拓展它的應用前景。

在PCL纖維增強骨水泥復合材料中，界面結合方式主要是機械結合，這取決于纖維的表面粗糙度；當骨水泥填充纖維表面的缺損溝槽等物理缺陷時，兩者能夠進行嵌合，使得結合作用加強。

圖7顯示的是為改性PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥的斷裂功。在加入纖維增強之后材料的斷裂功上升，而且隨著PCL纖維含量的增多，斷裂功會大幅增加。如，在PCL纖維組分含量由1%增加到2%時，斷裂功增加了138.9%。這是因為，在纖維加入之后，斷裂實驗時纖維會承受的載荷，能夠分散基體的受力。從而提高斷裂功。而當纖維繼續(xù)增加時，這種分散作用就越發(fā)明顯，承重的纖維也會越來越多，從而樣品的斷裂功會大幅度上升。

圖8 多巴胺改性PCL纖維增強摻鍶磷酸鈣骨水泥斷裂功

圖8顯示了多巴胺改性PCL纖維對于骨水泥斷裂功的增強作用。與上圖相似，在加入了纖維增強之后，骨水泥的斷裂功逐漸提高。這也是由于PCL纖維對于骨水泥受到的力有分散作用，提高了斷裂功。同期對比相同含量下，多巴胺改性之后骨水泥的斷裂功都提高了一倍左右。因為多巴胺改性使纖維與基體之間更加緊密，裂紋更加不容易擴散，材料的斷裂功會更大。

3 結語

經過數據的對比研究，發(fā)現改性纖維增強的骨水泥凝固時間更短，力學強度更高，在一定條件下改善了傳統(tǒng)磷酸鈣骨水泥的缺點。同時又繼承傳統(tǒng)CPC的良好操作性、自固化性及骨傳導性等良好性能。本實驗的重要性在于：實驗過程及數據的積累為后期實驗提供了可靠依據。但本實驗并未涉及生物相容性實驗，還有待于進一步的研究及開發(fā)。

特別致謝：在實驗課題的遴選、實驗測試、論文撰寫的每個階段，得到了四川大學高分子科學與工程學院余喜訊副教授、碩士研究生黃程程的悉心指導，在此謹向他們表示衷心的感謝！

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R318.08

A

1671-0037（2014）11-100-4

閆巖（1992.7-），男，在讀本科。