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影响.doc

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影响 　　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