明胶/硼酸盐玻璃基复合材料体系中固相粒度对骨水泥性能的影响

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摘 要：采用液相-气体复合发泡的方法，制备了可注射的多孔明胶/硼酸盐玻璃基骨水泥（GBBGC），重点探索固相粉体粒度变化对骨水泥性能的影响。研究表明：随着固相中颗粒度的减小，骨水泥的注射率基本不变，均在90%以上，但骨水泥的注射压力却随之增大，注射难度增加。四组GBBGC样品的抗压强度均大于2MPa，介于松质骨强度2～12MPa范围内。且随着颗粒度的减小，GBBGC的抗压强度增大，凝结时间缩短，抗溃散性能得到改善。其中，S3样品的注射率可达95%，开口孔隙30%，抗压强度为4.28±1.05MPa，性能较为理想，值得进一步的探索。

关键词：硼酸盐玻璃基骨水泥；注射性；抗溃散性；抗压强度；孔隙率

1 概述

硼酸盐生物玻璃是一类新近研发的生物玻璃，具有优异的生物活性、生物降解性和骨传导性。研究表明，硼酸盐生物玻璃能够和体液发生反应，生成羟基磷灰石（HA），修复骨缺损。目前，硼酸盐生物玻璃的主要应用领域是组织工程支架，涂层及药物载体[1-3]，作为骨水泥[4]的应用研究则疏有报道。其次，原料组成、形貌、粒度大小、液固比等是影响骨水泥性能的重要因素，其中原料粒度大小对材料性能的影响是最直接的。据文献报道，适宜的原料粒度有利于提高磷酸钙骨水泥的注射性能、抗压强度，加快水化反应，改善降解率等[5]。但是，有别于磷酸钙骨水泥[6-8]，硼酸盐生物玻璃的无规则的网状结构决定了其高的化学反应活性，因而粒度变化对以硼酸盐玻璃为基质的多孔骨水泥性能的影响是更为灵敏的。目前关于原料粒度大小对硼酸盐骨水泥性能影响的研究仍较少涉及，因此，本实验以硼酸盐生物玻璃为固相，明胶作为固化液和液相发泡剂，按照不同的颗粒级配，制备可注射的多孔的明胶/硼酸盐玻璃基骨水泥（gelatin/borate bioactive glass cement， GBBGC），探究固相粒度大小对GBBGC的可注射性，抗溃散性，凝结时间，孔隙率和抗压强度等性能的影响。

2 实验材料及方法

2.1 GBBGC的制备

熔融法制备硼酸盐生物玻璃，其摩尔组成如下：6Na2O・8K2O・8MgO・22CaO・54B2O3・2P2O5（mol%），制备方法参照文献[2]。可注射的GBBGC包含了固相和液相，具体配方见表1。其中粗粉（Corse Particle）的平均粒径为18.76 um，细粉（Fine Particle）的平均粒径为4.55 um，粗粉与细粉的质量比简称C：F。液相分别为10wt%的明胶溶液（记为Liq G）和5%的柠檬酸溶液（记为Liq A）。量取1.6 ml的Liq G，以6000 rpm的速率搅拌2-3min后，与固相均匀混合后，滴加Liq A，制备多孔浆料。

2.2 GBBGC的性能测试

2.2.1 可注射性

骨水泥的液固两相均匀混合1～1.5min后，转移至5ml的医用注射器中，固定注射器至万能试验机上，以15mm/min的速度挤出浆料，其中，针头直径1.7mm。利用公式（1）计算GBBGC的注射率，每组实验重复4次。

式中，M为注射器的重量；M0为骨水泥和注射器总重量；M1为注射后，剩余浆体和注射器的重量。

2.2.2 初始凝结时间

凝结时间的测试标准采用ISO9917-1。每组测试5个样品。

2.2.3 抗溃散性

将制备好的骨水泥圆柱样品（6mm×12mm）放在37℃、99%湿度的水浴箱中养护2h，取样，称重，以0.02g/ml的比例浸泡在磷酸盐缓冲液（PBS）（pH=7.4±0.1；PO43-浓度0.1M）中。恒温摇床的振荡速率为180rpm，并于2h，5h，12h和24h的时间点取样，干燥、称重。每组实验重复4次，计算平均值和标准差（SD）。利用公式（2）测量抗溃散性能：

式中，W1为测试前样品的干重，W2为测试后样品干重。

2.2.4 抗压强度

万能试验机探头的加载速度为0.5mm/min。骨水泥样品的尺寸为？I6mm×12mm，每组实验重复4次，计算平均值和标准差（SD）。

2.2.5 孔隙率的测定

利用公式（3）测试骨水泥的密度：

式中，M为样品质量，V为样品体积；

采用介质浸泡法测骨水泥的开口孔隙率，因为水是骨水泥液相溶剂，所以采用乙醇作为溶剂，测试骨水泥的开口孔隙率。计算公式（4）如下。

式中，P0为开口孔隙，m1和V分别为浸泡前样品的干重和体积，m2为样品完全浸透后样品的质量，ρ为乙醇的密度。

3 结果与讨论

图1显示了四组GBBGC样品的注射性能。图1（a）显示，随着GBBGC固相中原料粒度的减小，注射所需的压力逐渐增加。图1（b）中，骨水泥的注射率并没有发生太大的变化，均大于90%，表明随着固相中细颗粒比例的增加，骨水泥固相的体积增加，比表面积增大，固体表面反应加剧，消耗的液相增多，因而注射压力增大。

预成型的GBBGC的机械性能如表2所示。由表可知，随着固相中原料粒度的减小，骨水泥的密度增加，抗压强度增强，开口孔隙率有所下降。其中，四组骨水泥样品的抗压强度均大于2MPa，介于人体小梁骨的抗压强度范围内（2-12MPa），可应用于非承重部位的组织工程修复。样品S2的骨水泥的抗压强度偏低，这与材料孔隙分布不均有关。颗粒堆垛的过程中，粗颗粒间的间隙被小颗粒填充，极大地降低了S2的孔隙率，但仍有部分间隙未被填充，孔隙分布不均，抗压强度下降。此外，随着固相粒度的减小，骨水泥的初始凝结时间大大下降，从262min下降到68min，这与粒度减小，比表面积增大，固化反应加剧有关。

图2为GBBGC固化1d后的断面形貌。从图2a，c中可以看出，S1样品结构松散，100 um以下的孔隙几乎遍及整个截面。而S3样品结构紧凑，100 um以下的孔隙明显较少。这与固相粉体的体积、比表面积大小有关，比表面积小，固化反应慢，浆料水分含量较高，流动性好，泡沫被破坏的几率小，因而骨水泥结构松散，孔隙率高。从图2b，d中可知，颗粒间堆垛形成的小孔也是形成开口孔隙的重要因素。

抗溃散性是骨水泥的一个重要性能指标。浆料注射进人体后，会受到体液或血液的冲刷，如果材料表面有颗粒脱落，则易引发炎症，损害患者身体。图3，4为不同粒度分布的GBBGC的抗溃散性测试结果。图3表明，随着固相中原料粒度的减小，骨水泥的抗溃散性能逐渐增强。由图4可知，四组GBBGC样品经过24h的振荡后，骨水泥样品的完整性良好，浸泡液清澈，并无明显的大颗粒脱落的痕迹。因此，GBBGC将近30%的失重不可能完全是样品溃散造成的。查阅文献可知，硼酸盐生物玻璃具有高的反应活性，与含磷溶液接触后，硼酸盐玻璃网络结构中的硼，钠，钙等会以离子的形式析出，导致硼酸盐生物玻璃材料逐渐降解并失重[2，4]。

4 结束语

采用液相-气体复合发泡的方法制备了可注射的多孔明胶/硼酸盐玻璃基骨水泥（GBBGC），探究了粒度变化对骨水泥机械性能的影响。结果表明：（1）随着原料粒度的减小，骨水泥的注射率基本不变，均保持在90%以上，但骨水泥的注射压力却随之增大，注射难度增加；同时，原料粒度减小，骨水泥的抗压强度增大，凝结时间缩短，抗溃散性能提高。且四组骨水泥样品的抗压强度均大于2MPa，介于松质骨强度2～12 MPa范围内。（2）当配比C：F为1.0：2.0时，骨水泥的注射率为95%，开口孔隙达30%，抗压强度为4.28±1.05MPa，性能较为理想，值得进一步的探索。

参考文献

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