組織工程用磷酸鈣漿料的制備及其粘度研究*

胡新廣，張欣悅，馬文有，李福海，楊保鍵

(1.五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門 529000；2.廣東省科學(xué)院新材料研究所 現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510000)

隨著組織工程概念的提出，越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注其在骨移植替代物中的應(yīng)用。它是一門綜合材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)與制造技術(shù)于一體的交叉學(xué)科[1]，其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括口腔醫(yī)學(xué)、組織再生、骨組織修復(fù)與重建和藥物緩釋載體[2]。組織工程骨能成功移植替代缺損骨組織的載體是支架，它的基本原理是融合天然或人工多孔支架、活細(xì)胞和生化活性因子為一體，并植入到體內(nèi)骨組織受損部位，從而達(dá)到對(duì)缺損部位修復(fù)與重建的目的[3]。其中，支架的作用是能為細(xì)胞的黏附、新骨細(xì)胞的長(zhǎng)入和體液的交換與運(yùn)輸提供一個(gè)穩(wěn)定的微環(huán)境，以及為骨骼生物力學(xué)傳遞提供一個(gè)機(jī)械支撐。

由于支架最終要與體內(nèi)活細(xì)胞和活性因子等直接接觸，且在伴隨新骨組織生長(zhǎng)過(guò)程中能得以生物降解，所以支架應(yīng)具備一定的生物相容性、無(wú)毒性和可生物降解性[4]。用于制備組織工程骨的支架材料眾多，主要包括金屬及其合金材料、天然或人工高分子材料、無(wú)機(jī)材料和復(fù)合材料4大類。研究至今，支架的制備方法有很多，現(xiàn)在最具發(fā)展前景的成型方法是3D打印或快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping, RP)，主要包括光固化(Stereo Lithography Appearance, SLA)、熔融沉積成型(Fused Deposition Modelling, FDM)、選區(qū)激光燒結(jié)(Selectivee Laser Sintering, SLS)、分層實(shí)體制造(Laminated Object Manufacturing, LOM)和擠出沉積成型(Extrusion Deposition Molding, EDM)技術(shù)[5]。不同的支架材料用不同的成型方法制備具備不同的性能，如孔隙率、孔隙度和表面粗糙度，而這些特性正與細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖和分化有關(guān)[6]。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

在可制備支架的無(wú)機(jī)材料中，最具研究熱度的材料當(dāng)屬生物活性陶瓷，而磷酸鈣是其中之一。雙相磷酸鈣(Biphasic Calcium Phosphate, BCP)是由磷酸鈣(Tricalcium Phosphate, TCP)和羥基磷灰石[7](Hydroxyapatite, HA)按照一定的比例混合而成，這2種組分的化學(xué)成分均與人體自然骨組織一致，因此具有天然的生物相容性優(yōu)勢(shì)。由于BCP是由TCP和HA混合而成，因此，由BCP粉末成形的支架兼具TCP和HA的特點(diǎn)，如TCP具有較好的體內(nèi)降解性能和HA具有良好的力學(xué)性能[8-11]。

制備BCP漿料的主要原材料見(jiàn)表1。其中，羥基磷灰石和磷酸鈣都為支架材料的主要成分，碳酸鈣為形成支架孔隙結(jié)構(gòu)的造孔劑，OROTAN 731A和5040為2種不同的聚羧酸鈉鹽類分散劑，丙三醇作保濕劑。

表1 原材料粉末和試劑

4種原材料粉末的電鏡圖片如圖1所示。從圖1可以看出，HA為球狀粉末，TCP為無(wú)定形粉末，形狀極不規(guī)則，低溫下為β-TCP，BCP粉體也不規(guī)則，且球狀HA粉不明顯，CaCO3形狀也不規(guī)則，為多分散粉體。4種粉末的XRD分析圖如圖2所示，磷酸鈣、羥基磷灰石和碳酸鈣的粉末粒徑分布圖如圖3所示。

a)羥基磷灰石

b)磷酸鈣

c)雙相磷酸鈣

d)碳酸鈣

1.2 試驗(yàn)方法

將HA和β-TCP粉末以質(zhì)量比為6∶4[12]的比例混合，并與氧化鋯陶瓷球以球料比為3∶1在滾筒機(jī)上攪拌混合，得到BCP粉末。通過(guò)3wt%的PVA水溶液、丙三醇(含量為0.2vol%)和原材料粉末(其中，原材料粉末中CaCO3的含量為2wt%，其余均為BCP混合粉末)分別配制固含量為36vol%、40vol%、44vol%、48vol%和52vol%的BCP漿料，并對(duì)5種不同固含量的漿料進(jìn)行動(dòng)力學(xué)粘度測(cè)試，對(duì)比分析其測(cè)試結(jié)果，得出最佳的漿料粘度值。在得出最佳漿料粘度值的基礎(chǔ)上，研究2種分散劑(OROTAN 731A和5040)分別為BCP粉末干重的0wt%、0.3wt%、0.6wt%、0.9wt%和1.2wt%時(shí)的BCP漿料流變規(guī)律，以及優(yōu)化出最佳的分散劑種類及其含量。

圖2 原材料粉末的XRD圖

圖3 原材料粉末的粒徑分布圖

2 測(cè)試與表征

2.1 固含量對(duì)BCP漿料粘度的影響

配制具有高固含量的漿料是制備高密度多孔支架的前提，高固含量的漿料不僅有利于支架后續(xù)的致密化燒結(jié)，而且還極大地減少了支架的燒結(jié)收縮，這一點(diǎn)對(duì)BCP支架在尺寸、形狀和性能上的控制極為關(guān)鍵。

BCP漿料表觀粘度隨原材料粉末含量變化的影響規(guī)律如圖4所示，從圖4中不難看出，BCP漿料的表觀粘度隨著固含量的增大而增大，漿料的粘度影響其可擠出性，粘度過(guò)大容易導(dǎo)致漿料無(wú)法擠出成型。當(dāng)固含量達(dá)到52vol%時(shí)，粘度值為40.206 2 Pa·s，手動(dòng)攪動(dòng)較為順暢，適合微擠出；而當(dāng)固含量繼續(xù)增大時(shí)，發(fā)現(xiàn)漿料無(wú)法攪動(dòng)，不適合后續(xù)支架的擠出成型。

圖4 固含量對(duì)BCP漿料粘度的影響

2.2 BCP漿料的剪切變稀特性

通過(guò)旋轉(zhuǎn)模式的動(dòng)力學(xué)粘度測(cè)試，設(shè)定剪切速率變化范圍為0.1～1 000 s-1，可得到不同固含量BCP漿料的流變曲線(見(jiàn)圖5)，根據(jù)曲線可判斷BCP漿料的流體類型。從圖5可以看出，不同固含量的BCP漿料粘度均隨剪切速率的增大而減小，表現(xiàn)出一種剪切變稀特性，因此可以判斷BCP漿料為假塑性流體。產(chǎn)生這一剪切變稀行為的原因主要是BCP漿料含有有機(jī)溶液，且羥基磷灰石和磷酸鈣的混合粉在溶液中無(wú)規(guī)則分散且發(fā)生團(tuán)聚，在剪切力作用下，BCP漿料發(fā)生流動(dòng)，隨著剪切力的不斷增大，團(tuán)簇的BCP粉發(fā)生松動(dòng)，因而導(dǎo)致流動(dòng)阻力逐漸減小，所以會(huì)導(dǎo)致BCP漿料的粘度不斷下降。

圖5 不同固含量BCP漿料的流變曲線

2.3 分散劑對(duì)BCP漿料粘度的影響

分散劑對(duì)BCP漿料粘度的影響如圖6所示。根據(jù)圖6的描述，可對(duì)比分析出2種分散劑(5040、OROTAN 731A)及其含量對(duì)漿料粘度的影響規(guī)律，可知2種分散劑在原材料粉末的干重為0.6wt%時(shí)，都能使BCP漿料的粘度降至最低，且5040比OROTAN 731A具有更佳的分散效果。

圖6 分散劑對(duì)BCP漿料粘度的影響

3 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)采用雙相磷酸鈣作為支架材料，著重對(duì)BCP漿料的粘度進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論。

1)當(dāng)固含量為52vol%時(shí)，手動(dòng)攪拌BCP漿料比較順暢，且不至于因?yàn)檎扯冗^(guò)高而無(wú)法后續(xù)支架的擠出成型。

2)BCP漿料隨著剪切速率的增大呈現(xiàn)出剪切變稀特性，這為漿料的擠出成型提供了一個(gè)進(jìn)一步的研究基礎(chǔ)，即擠出后剪切速率的消失，粘度就會(huì)增大，表現(xiàn)出漿料的自凝固特性。

3)2種聚羧酸鈉鹽分散劑對(duì)BCP漿料的粘度都呈現(xiàn)出相同的影響規(guī)律，而2種分散劑在原材料粉末的干重為0.6wt%時(shí)，由5040參與配制的BCP漿料比OROTAN的粘度值更低，表明5040的分散效果比OROTAN 731A更佳。