基于PPF交聯(lián)復合技術(shù)的仿生材料制備及性能測試與試驗結(jié)果

白玉飛　楊海燕

摘 要：針對傳統(tǒng)骨折用推注仿生材料存在生物力學缺陷的問題，提出一種新型聚富馬酸丙二醇酯（PPF）交聯(lián)復合仿生材料的制備。試驗結(jié)果表明：PPF交聯(lián)復合材料的優(yōu)化配比PPF為9 g，β-TCP為3 g，N-VP為4.5 mL，BP為0.09 g，DMPT為9 μL；以此條件制備的復合物交聯(lián)溫度為4.6 ℃，抗壓強度和壓縮模量分別為98 MPa和1.1 GPa；以小牛椎體為試驗對象，骨折后小牛椎體注射PPF交聯(lián)復合物后，高度恢復百分比約為60%；術(shù)后強度約為（1 848±219） N，術(shù)后剛度約為（182±15） N/mm，與術(shù)前椎體的強度較為接近，可以有效避免進入骨折椎體后因應力過大引起的相鄰椎體應力性骨折，滿足康復用仿生材料的使用需求。

關(guān)鍵詞：康復仿生材料；脊柱骨折骨水泥；生物力學性能

中圖分類號：TQ427 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0064-04

Preparation and performance testing with experimental results of biomimetic materials based on PPF crosslinking composite technology

BAI Yufei，YANG Haiyan

（Beijing Rehabilitation Hospital affiliated to Capital Medical University，Beijing 100144，China）

Abstract：In response to the biomechanical deficiencies of biomechanical defects of traditional implant bionic materials for fracture，a new type of cross-linked composite bionic material of polypropylene fumarate （PPF） was proposed. The test results showed that the optimal ratio of PPF crosslinked composite PPF was 9 g，β- TCP was 3 g，N-VP was 4.5 mL，BP was 0.09 g，DMPT was 9 μ L. The crosslinking temperature of the composite prepared under this condition was 4.6 ℃，the compressive strength and compressive modulus were 98 MPa and 1.1 GPa respectively. The calf vertebral body was taken as the test object.After fracture，the calf vertebral body was injected with PPF cross-linked compound，and the percentage of high recovery was about 60%.The postoperative strength was about 1 848±219 N，and the postoperative stiffness was about 182±15 N/mm，which was close to the preoperative strength of the vertebral body.It can effectively avoid the stress fracture of adjacent vertebral body caused by excessive stress after entering the fractured vertebral body，and meet the use demand of bionic materials for rehabilitation.

Key words：biomimetic rehabilitation materials;spinal fracture bone cement;biomechanical properties

隨著現(xiàn)代人口老齡化問題的加劇，越來越多的人受骨質(zhì)疏松癥的困擾。脊柱壓縮性骨折是骨質(zhì)疏松癥最常見并發(fā)癥之一，多表現(xiàn)為突發(fā)，持續(xù)時間長，患者需要長時間受到椎體體位變化而引起的背部疼痛。若未及時得到治療，可能導致脊柱向后凸畸形，影響胸腔容積，進而導致肺功能受損，造成嚴重的后果。為了更好的治療脊柱壓縮性骨折，部分學者也進行了很多研究，如薛廣系統(tǒng)研究了保守治療、傳統(tǒng)椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)和微創(chuàng)治療對脊柱壓縮性骨折的治療效果。試驗結(jié)果，通過往脊柱壓縮性骨折部位注射骨水泥，能有效的減緩患者的癥狀［1］。比較了經(jīng)皮椎體成形術(shù)（PVP）與球囊擴張椎體后凸成形術(shù)（PKP）用于治療脊柱壓縮性骨折的臨床效果。試驗結(jié)果表明，KPK方法可有效恢復椎體高度，減少骨水泥的滲透，是目前較為科學的治療脊柱壓縮性骨折的方法［2］。對骨水泥的灌注量進行優(yōu)化，研究了骨水泥灌注量對脊柱壓縮性骨折的治療效果。試驗結(jié)果表明，不考慮骨水泥滲漏的情況，占骨折椎體體積16%骨水泥對椎體骨折的治療效果最佳［3-4］。以上學者的研究表明，通過在脊柱壓縮性骨折部位注射骨水泥是治療脊柱壓縮性骨折的有效方法，緩解患者的癥狀。但目前所用的骨水泥存在不可避免的生物缺陷，如凝固后強度和剛度明顯高于脊柱原本的強度和剛度，這就容易造成骨水泥進入骨折椎體后因應力過大引起的相鄰椎體應力性骨折的問題。為了尋找一種安全性更高的骨水泥，本試驗以文獻［5］的研究為參考，制備了一種新型PPF交聯(lián)復合材料，為治療脊柱壓縮性骨折提供新的材料。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：富馬酸二乙酯（AR），穗華生物科技；丙二醇（AR）， 百瑞新材料；對苯二酚（AR），晶科化工；氯化鋅（AR），銘之鑫化工；二氯甲烷（AR）， 廣宇化工；乙烯基吡咯烷酮（ N-VP）（AR），裕德順化工；醫(yī)用磷酸三鈣（β-TCP）（AR），晨明生物科技；二甲基-β-丙酸噻亭（DMPT）（AR），鵬宇生物科技；磷化硼（BP）（AR），廣奧生物科技。

主要設備：R-1020型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀天辰儀器；DJ-1型智能磁力攪拌機予華儀器；DZF型真空干燥箱弘創(chuàng)干燥設備；HY-0580型生物力學試驗機，企業(yè)想檢測儀器。

1.2 試驗方法

1.2.1 聚富馬酸丙二醇酯的制備

（1）按照1∶3的摩爾比依次將富馬酸二乙酯和丙二醇放入三口燒瓶中，然后在避光條件下，按照富馬酸二乙酯∶對苯二酚∶氯化鋅=1∶0.02∶0.01的摩爾比依次放入催化劑氯化鋅和阻滯劑對苯二酚;

（2）按照3 min/℃的升溫速率將溫度提升至150 ℃后進行保溫反應，保溫時間為8 h，得到前聚體HPF和乙醇;

（3）在智能磁力攪拌機的作用下進行攪拌降溫處理，控制降溫過程為4 h將反應物溫度降至100 ℃;

（4）將真空裝置連接至三口燒瓶上，然后在真空裝置的作用下將體系壓力降至低于10 mmHg。按照5 min/℃的升溫速率體系溫度提升至150 ℃，保溫反應12 h，停止對反應物的加熱，自然降溫至100 ℃以下，開放緩沖瓶的進氣閥門，平衡反應體系的內(nèi)外壓，關(guān)閉真空泵;

（5）待反應體系降至室溫后，按照與反應物1∶1的體積比將二氯甲烷分批次緩慢的加入至反應體系內(nèi)，然后依次用濃度為1 mol/L的鹽酸和飽和氯化鈉溶液進行清洗，最后放入無水硫酸鈉干燥，干燥時間為12 h;

（6）在R-1020型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀和循環(huán)水式多用真空泵的作用下加熱減壓去除多余的二氯甲烷溶劑，加熱溫度為40 ℃。在DZF型真空干燥箱的作用下對產(chǎn)物進行干燥，產(chǎn)物為棕黃色透明粘稠液體狀的聚富馬酸丙二醇酯（PPF）。

1.2.2 PPF交聯(lián)復合物的制備

（1）將 N-VP 一分為二，其中一部分依次加入PPF、β-TCP、DMPT，震蕩使其充分溶解備用；另一部分放入BP，充分震蕩使其充分混合。將2部分 N-VP溶液混合并充分攪拌;

（2）通過5 mL注射器抽取混合物，待其充分固化后，得到乳白色圓柱形樣品，對樣品進行切割打磨。復合物配比如表1所示。

1.2.3 小牛椎體試驗

試驗選擇PMMA 骨水泥作為PPF交聯(lián)復合物人工骨仿生材料的對比進行小牛椎體試驗，確定PPF交聯(lián)復合物作為人工骨仿生材料的可行性。

（1）選擇多組經(jīng)過處理的、受力面積接近的小牛腰2、腰3錐體分為2份：一份為注射PPF交聯(lián)復合物；一份為注射PMMA 骨水泥，分別記為A組和B組；

（2）通過HY-0580型生物力學試驗機制造壓縮骨折模型，小牛椎體初始強度、剛度與壓縮后高度通過力學試驗機記錄；

（3）分別在室溫條件下注射PPF交聯(lián)復合物和PMMA 骨水泥，當注射阻力增大至無法推注，記錄每個椎體樣品的注入量。將注射有填充物的小牛椎體靜置12 h，使其充分凝固，測量并記錄椎體術(shù)后高度；

（4）通過HY-0580型生物力學試驗機再次進行力學測試，記錄術(shù)后椎體強度與剛度。

1.3 性能測試

1.3.1 力學性能測試

（1）將小牛椎體固定在生物力學試驗機上，對椎體施加100 N的力1 min，以去除椎體自身松弛、蠕變和時間效應對試驗結(jié)果的影響；

（2）以1 mm/min的速率對椎體進行垂直施壓，直至樣品坍塌，小牛椎體初始強度、剛度與壓縮后高度通過力學試驗機記錄；

（3）以同樣的方法對術(shù)后小牛椎體進行試驗，記錄術(shù)后椎體初始強度、剛度與壓縮后高度。

椎體高度恢復百分比表達式為［6-7］：

hz=（h1-h2）／（h0-h2）×100%（1）

式中：hz為術(shù)后椎體高度恢復，%；h1為椎體術(shù)后高度，cm；h2為椎體壓縮后高度，cm；h0為椎體初始高度，cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 PPF交聯(lián)復合物力學性能表征

在PPF與β-TCP、DMPT復合的過程中，通過紅外電子溫度計對各組交聯(lián)溫度進行記錄，通過生物力學機對壓縮過程中的抗壓強度和壓縮模量數(shù)據(jù)進行記錄，試驗結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在反應過程中，隨體系內(nèi)β-TCP質(zhì)量比的增加，交聯(lián)溫度、抗壓強度和壓縮模量均有一定增加。

從交聯(lián)溫度方面看，最高交聯(lián)溫度僅為47.6 ℃，明顯對于 PMMA骨水泥反應時中心最高溫度100 ℃，這就說明PPF交聯(lián)復合物作為人骨仿生材料使用時，不會因為交聯(lián)溫度過高而造成周邊組織的損傷，提升仿生材料的安全性［8-9］。

從力學性能方面看，PPF與β-TCP質(zhì)量比為3∶1時，復合物抗壓強度和壓縮模量分別為98 MPa和1.1 GPa，當PPF與β-TCP質(zhì)量比為2∶1時，復合物抗壓強度和壓縮模量分別為100 MPa和0.45 GPa，PPF與β-TCP質(zhì)量比為3∶1時的復合物抗壓強度介于人體松質(zhì)骨與皮質(zhì)骨的抗壓強度間，壓縮模量更接近于人體松質(zhì)骨壓縮模量，因此可認定，PPF與β-TCP質(zhì)量比為3∶1制備的復合物更滿足骨組織工程填充材料的力學要求［12］。在后續(xù)試驗中，選擇第3組配比繼續(xù)進行試驗，即優(yōu)化配比：PPF為9 g，β-TCP為3 g，N-VP為4.5 mL，BP為0.09 g，DMPT為9 μL。以此條件制備的復合物交聯(lián)溫度為47.6 ℃，抗壓強度和壓縮模量分別為98 MPa和1.1 GPa。

2.2 小牛椎體試驗結(jié)果

2.2.1 高度恢復情況

通過生物力學試驗機對手術(shù)前后小牛椎體高度進行測試記錄，確定不同仿生材料對椎體高度的影響，結(jié)果表2所示。

由表2可知，注射PPF交聯(lián)復合物和PMMA 骨水泥的高度恢復百分比分別約為60%和62%，兩組椎體高度恢復情況并沒有明顯的差異。以上變化就說明了，在椎體恢復高度方面，PPF交聯(lián)復合物和PMMA 骨水的作用較為類似，滿足康復用仿生材料的使用需求［13-14］。

2.2.2 生物力學表征

對手術(shù)前后的小牛椎體生物力學進行測試，結(jié)果如表3。

由表3可知，PPF交聯(lián)復合物和PMMA 骨水泥的注射量分別約為3.5、3.7 mL，注射量差異較小，因此注射量對力學性能的影響較小，幾乎可以忽略不計，因此在后續(xù)試驗中比較力學性能時，不考慮注射量對生物力學的影響［16-18］。對注射后椎體的強度進行比較可以發(fā)現(xiàn)，PPF交聯(lián)復合物和PMMA 骨水泥的術(shù)后強度分別約為（1 848±219）、（3105±452） N，骨水泥組術(shù)后強度明顯高于PPF交聯(lián)復合物組。與術(shù)前小牛椎體強度進行對比可以發(fā)現(xiàn)，PPF交聯(lián)復合物組的強度與小牛椎體初始強度較為接近，而骨水泥組的術(shù)后強度明顯高于小牛椎體的初始強度。對小牛椎體術(shù)后剛度進行統(tǒng)計，PPF交聯(lián)復合物和PMMA 骨水泥的術(shù)后剛度分別為（182±15）、（296±37） N/mm，剛度的變化術(shù)后強度的變化較為接近。以上數(shù)據(jù)變化說明，以骨水泥為仿生材料修復椎體，力學強度和剛度明顯高于小牛初始椎體，但較高的力學強度和剛度在椎體內(nèi)部可能引發(fā)諸多并發(fā)癥，造成一些不好的結(jié)果［19-20］。而PPF交聯(lián)復合物的力學強度和剛度與椎體初始強度和剛度較為接近，可以很好促進骨折后椎體的恢復，避免并發(fā)癥的發(fā)生。

3 結(jié)語

試驗制備的PPF交聯(lián)復合物仿生材料與人體骨折椎體的力學性能較為接近，達到骨修復仿生材料使用標準。

（1）PPF與β-TCP質(zhì)量比為3∶1時，交聯(lián)溫度約為46 ℃，復合物抗壓強度和壓縮模量分別為98 MPa和1.1 GPa，抗壓強度介于人體松質(zhì)骨與皮質(zhì)骨的抗壓強度間，壓縮模量更接近于人體松質(zhì)骨壓縮模量，滿足骨組織工程填充材料的力學要求；

（2）注射PPF交聯(lián)復合物高度恢復百分比約為60%，與PMMA骨水泥高度恢復并沒有明顯的差異。在椎體恢復高度方面，PPF交聯(lián)復合物和PMMA骨水的作用較為類似，滿足康復用仿生材料的使用需求；

（3）注射PPF交聯(lián)復合物的小牛椎體術(shù)后強度約為（1848±219）N，術(shù)后剛度約為（182±15）N/mm，與術(shù)前椎體的強度較為接近，可以有效避免進入骨折椎體后因應力過大引起的相鄰椎體應力性骨折。

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收稿日期：2023-02-15；修回日期：2023-05-26

作者簡介：白玉飛（1990-），女，本科，護師，研究方向：康復護理與健康管理;E-mail：13466593768@163.com。

通訊作者：楊海燕（1987-），女，本科，主管護師，研究方向：康復護理與健康管理;E-mail：13466593768@163.com。

引文格式：白玉飛 楊海燕.基于PPF交聯(lián)復合技術(shù)的仿生材料制備及性能測試與試驗結(jié)果[J].粘接，2023，50（6）：64-67.