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【摘要】 研究造孔剂蔗糖对磷酸钙骨水泥性能的影响。［方法］根据蔗糖的比例(蔗糖／(蔗糖+CPC粉末)0%、10%、20%、30%、40%共分5组，从力学强度、水化反应、物相晶体组成及微观结构、体内降解，分析其性能。［结果］随造孔剂蔗糖比例的增加，材料的力学性能下降，大孔率和总孔率增加，各组间有显著差异(P<0.01)。30%CPC总孔率、大孔率为62.9%、22.8%，而40%组各为70.3%和39.7%，但其抗压强度从5.4 MPa降至2.6 MPa。XRD提示造孔剂可促进样品羟基磷灰石的转化率。体内降解试验表明：在1个月、3个月，30%CPC的降解率与0%CPC存在明显差异(P<0.01)。提示大孔CPC可加快其降解和吸收。［结论］30%CPC具有适当的大孔率、总孔率和力学强度，能加快材料的降解，因此，30%CPC可用于非负重部位骨缺损的修复。
【关键词】 磷酸钙骨水泥 大孔 降解
Macroporous, quik degradatable calcium phosphate cement∥WU Fei-yan, LIU Xing-yan, GHEN Ke-ming，et al.Lanzhou University ,Lanzhou 730000, China
Abstract: ［Objective］To investigate the effect of an effervescent-sucrose on the properties of calcium phosphate cement. ［Method］The sucrose particles were mixed with CPC powder at sucrose/(sucrose+CPC powder) mass percentage of 0%, 10%,20%, 30%, 40%.The samples were characterized by compressive strength, X-ray diffraction, SEM techniques and degradation in vivo.［Result］The samples decreased on the mechanical properties and increased on the rate of macropore and total porosity, they were effected significantly among groups by added effervescent(P< 0.01) .The rate of macropore and total porosity of 30%CPC had 22.8%, 62.9%,respectively;40%CPC had 39.7%,70.3%,respectively, however, it' s compressive strength significantly decreased from 5.4MPa to 2.6MPa. XRD indicated the transformation of apatite was promote by increasing the effervescent.The biodegradation of samples had significant difference between 0%CPC and 30%CPC(P<0.01),it demonstrated the CPC with macropore can promote degradation and resorption.［Conclusion］30%CPC has proper compressive strength, the rate of macropore and total porosity, and accelerates biodegradation and resorption, therefore, 30%CPC could be novel biomaterials as an endo steal implant.
Key words：calcium phosphate cement； macropore； degradation
磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement CPC)自1986年问世以来，因其具有良好的生物相容性、优良的骨传导性，能被新生骨组织替代，可自行固化和任意塑形等优点于1996年被FAD批准临床应用。随后在骨组织领域得到广泛的推广和应用。然而CPC植入机体后，降解缓慢，骨替代和再吸收时间长，影响了机体骨组织再生，国内外已在制作有孔CPC以促进其降解方面作了一些尝试［1～4］。本实验用蔗糖为造孔剂，制作了一种大孔径骨水泥。这种大孔能促进骨水泥在体内的降解和吸收，促进骨组织向骨水泥内部生长，加快新骨的替代过程。现报道如下。
1 材料与方法
1.1 材料及仪器设备
磷酸钙骨水泥(CPC)和固化液(上海瑞邦生物材料有限公司馈赠)
蔗糖(上海健倍思基因技术公司)，
扫描电镜JSM-5600LV
X线衍射仪 (Philips X”Pert)，
AG-IS型万能材料试验机(SHIMADZU公司、日本)
AE200分析天平(METTLE公司)
1.2 CPC泥浆的制备
将蔗糖晶体过筛，取粒径300～500 μm颗粒，与磷酸钙骨水泥(CPC)固体粉末分别按0%、10%、20%、30%、40%质量比［蔗糖%二蔗糖／(蔗糖+CPC)］混合，固化液与固体粉末按液固比0.25 ml／g在室温下混合，充分搅拌后，把骨水泥泥浆置入直径0.44 cm,高1.0 cm的圆柱体模具内，两端抹平密封。放入37℃相对湿度100的恒温箱内孵化4 h后，脱模，样品浸入模拟体液（模拟体液的配制见表1）以溶出蔗糖。
表1成分NaCINaCO3CaCI6H2OKCI去离子水含量（g）9.00.20.250.41 000ml
1.3 性能测试
1.3.1 密度总孔隙率大孔率测定
取浸入模拟体液1 d的各组样品各5个，在60℃干燥箱内24 h烘干，测得每个样品的质量和体积(V=πr2h)根据计算公式β测=M测／V测计算出每个样品的密度，总孔隙率%=(1-β测/βHA)100%(βHA为羟基磷灰石的密度3.14 g／cm3,β测为样品的密度)；大孔率%=(1-β测／β0)100%(β0为没混合蔗糖CPC样品的密度)。
1.3.2 抗压强度
取浸入模拟体液1 d的各组样品各4个，用滤纸吸干水分后，样品两端打磨平，制成直径0.44 cm、高0.8 cm试样，在万能材料试验机上测试样品的抗压强度，加压速率为1 mm／min，抗压强度计算公式P=F／πr2(F为破坏负荷)
1.3.3 样品物相分析
分别取浸入模拟体液1 d和5 d的各组样品各一个，烘干压成粉末，在Philips X”Pert X线衍射仪上采用Cu靶Ka射线、电压40 V、电流300 mA对粉末样品进行物相分析。
1.3.4 显微结构
把样品脱模后，浸入模拟体液中1 d，使蔗糖从CPC中溶出，取出样品，烘干，取新鲜断面，喷金，采用日本JSM-5600 LV扫描电镜(SEM)观察分析样品的微观结构。
1.3.5 降解率的测定
试验分二组：对照组，0%CPC；试验组，30%CPC。把浸入模拟体液1 d、融出蔗糖形成大孔的含蔗糖30%样品取出，制成直径0.44 cm、高0.4 cm的圆柱体，烘干称重记为Mo，高压蒸气消毒备用。取12只健康、体重3.0～3.5 kg新西兰大白兔，速眠新麻醉后，大腿内侧去毛，消毒、铺巾，做长约1.5 cm切口，分离组织及肌肉，样品植入肌肉后依次缝合组织及皮肤；0%CPC按同样的方法操作和植入试验动物的对侧大腿，单笼饲养。1个月、3个月后各处死半数动物，取出样品，小心剥离干净周围组织，烘干后称重分别记为M1、M3。 1个月、3个月CPC降解率%=(1-M1或3／M0)100%。
1.3.6 数据用SPSS 13.0统计软件处理。力学及大孔率采用多个均数比较，行方差分析，降解率行独立t检验，可信区间95%。
2 结果
2.1 力学试验
各组样品的抗压强度（见表2）：抗压强度随造孔剂比例的增加而减小，各组间有显著差别(P<0.01)。30%CPC与40%CPC的抗压强度下降最明显，从5.4 MPa降至2.6 MPa。表2 不同比例造孔剂样品浸入模拟体液1 d的力学强度、总孔率和大孔率蔗糖含量
2.2 电镜扫描
0%、20%、30%、40%样品的微观结构见图1。大孔在未添加蔗糖的CPC没有被观察到，只有小孔，小孔孔径大小在2～20 μm之间；20%、30%CPC可见大孔，大孔数随蔗糖比例的增加而增多，大孔长约350 μm，宽约200 μm；各组CPC大孔在孔径大小和形状方面没有显著的区别，均为蔗糖晶体溶出后形成的孔隙；各组样品的羟基磷灰石均为针柱状晶体结构(图1d）。
2.3 XRD分析
XRD对浸入模拟体液1 d、5 d的各组CPC晶体结构分析见图2。在图2a中，各组样品的XRD的图形都相类似；但是样品浸入模拟体液5 d后（图2b），原材料向磷灰石晶体发生了显著的转化，磷灰石晶体成为样品的主要成分。也就是说，制孔剂蔗糖加入CPC后，加快了原材料的水化反应。
2.4 大孔率及总孔率
如表2所示：各组CPC的大孔率及总孔率随造孔剂蔗糖比例的增加而增加，大孔率和总孔率在各组间有统计学意义(One-wayANOVA P<0.01)。结果表明添加30%的蔗糖可以在CPC内形成22.8%的大孔率和62.9%的总孔率。
2.5 降解率测定
二组CPC在体内1个月、3个月的降解率见表3；各组CPC随着在体内时间的增加，各自的降解率显著的增加；在0%和30%CPC组间，1个月和3个月，30%组的降解率与0%组的降解率有明显的统计学意义(t检验P<0.01)，30%CPC降解率在3个月内为38.42%，0%CPC为14.35%，二者有显著差别；30%CPC能促进CPC在体内的降解。
表3 0%CPC和30%CPC体内1个月、3个月降解率CPC的降解率（%）植入体内1个月植入体内3个月0%CPC组3.07±00.7414.35±2.4030%CPC组8.93±1.9138.42±3.01 图1不同蔗糖比例CPC的电镜扫描图像（SEM） 图1a0%CPC电镜扫描图像 图1b20%CPC电镜扫描图像 图1c30%CPC电镜扫描图像 图1d样品羟基磷灰石高倍图像 图2a浸入模拟体液 1 d各组CPC的XRD图像 图2b浸入模拟体液5 d各组CPC的XRD图像3 讨论
磷酸钙骨水泥(CPC)降解慢限制了其在临床的使用。国内外许多实验已在促进磷酸钙骨水泥生物降解方面作了许多尝试［5、6］，大孔径骨水泥就是其一。大孔径骨水泥被期望用来增加骨水泥的骨传导性和生物降解性。现有的试验证明：直径大于150 μm的大孔骨水泥有利于组织细胞的粘附，血管、神经、骨组织向骨水泥内部生长，促进骨水泥的重吸收，从而加快了骨组织对骨水泥的替代过程［7～9］。
本试验用蔗糖晶体为造孔剂。蔗糖无毒，具有立体晶体结构，在体内吸收入血后，以原料形式随尿液排除体外。蔗糖具有很好的水溶性，与骨水泥混合固化后，在液体环境中，蔗糖晶体可溶出，在骨水泥内形成孔洞。由于蔗糖有很好的水溶性，在液固混合时，蔗糖晶体会部分溶解改变晶体的大小而影响骨水泥内孔径的大小。因此，适当减小液固比和增加蔗糖晶体粒径大小对最终形成大孔的孔径有重要作用。实验表明蔗糖能在骨水泥内形成约300 μm直径的大孔。孔径大小、形状在各组间无差别。孔径小于蔗糖晶体的粒径，孔边缘呈弧行，均说明蔗糖在液固混合时发生了部分溶解。骨水泥内的大孔均是蔗糖在CPC凝固后溶出留下的空隙。表2所示：含30%蔗糖的CPC可形成适宜的孔隙率；62.9%的总孔率和22.8%的大孔率，力学强度达到了5.4 MPa。虽然含40%蔗糖的CPC在大孔率和总孔率上有明显的增加(配对t检验、P<0.01)，但其力学性能则从5.4 MPa降至2.6 MPa。这种随孔隙率的增加其力学强度下降的现象与国内外许多实验结果是一致的［10～12］。
磷酸钙骨水泥最终转化为羟基磷灰石。磷酸钙骨水泥的降解开始于材料的化学溶解和侵蚀分解，降解产物为HA颗粒。磷酸钙骨水泥在体内的降解有二种途径：(1)在体液中的溶解；(2)巨噬细胞和破骨细胞对材料的吞噬和消化作用。表3表明：材料植入兔体肌肉后，含30%蔗糖CPC的生物降解率在1个月、3个月各为14.2%和36.3%，分别与无蔗糖CPC(对照组)在1个月、3个月的降解率有显著的差异(配对t检验P<0.000)，提示CPC内大孔可促进材料降解过程。大孔CPC的快降解率可能有以下几个因素：(1)由于孔洞的存在，有孔CPC表面积增大，与体液的接触面增大，加速了CPC在体液中的溶解；(2)表面积增大的有孔CPC可为更多的巨噬细胞粘附提供一个立体空间；(3)孔洞使CPC呈多方位、立体式降解，随着降解的进行，CPC在立体结构上暴露的表面积进一步增大，从而促进(1)、(2)过程。本实验降解率与Del Real实验有很大的差异，其3个月的降解率为81%，提示破骨细胞可能对CPC的降解起主导作用。但大孔CPC在降解过程中孔洞的塌陷会降低骨细胞的活性［13］，结论正确与否有待于进一步实验证明。因此，大孔径内部具有网状可吸收纤维加固，大孔相互连通的磷酸钙骨水泥可能是新的发展方向。
总之，蔗糖能在CPC内创造大孔径，30%CPC有恰当的总孔率和大孔率，具有一定的强度，能促进材料在体内的降解，在骨缺损的治疗上有广阔的前景。
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作者单位：兰州大学，兰州 730000