徐曉虹　李　坤　吳建鋒　沈薇薇

摘要本文闡述了聚磷酸鈣的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，初步揭示了聚磷酸鈣生物陶瓷(CPP)的生物相容性和降解特性?，F(xiàn)有的研究表明，聚磷酸鈣的聚合度和晶型不同，降解速率也不同，為生物陶瓷可控降解提供了新的途徑。聚磷酸鈣屬直鏈狀無機聚合物，具有不完全結(jié)晶性，聚磷酸鈣材料在生物相容性、降解性和力學(xué)性方面的綜合優(yōu)勢，使其在骨修復(fù)材料領(lǐng)域格外受到青睞。

關(guān)鍵詞聚磷酸鈣，支架材料，骨修復(fù)材料，降解，研究與應(yīng)用

1前 言

每年由于各種創(chuàng)傷、感染、腫瘤或先天性疾病等原因而造成骨折、骨缺損的患者全世界達幾百萬人。醫(yī)學(xué)臨床上用自體骨及異體骨移植來修復(fù)骨缺損，雖解決了生物相容性問題，但會增加患者的痛苦或增加感染的機會，而且移植所需的人體骨也不易獲取。因此，研制理想的骨修復(fù)材料是醫(yī)學(xué)和生物材料科學(xué)領(lǐng)域中的重要課題。其中鈣磷系生物材料具有和脊椎動物相似的礦物成分和結(jié)構(gòu)，又不存在免疫排斥反應(yīng)，很早就被人們用于骨組織的修復(fù)。

鈣磷系生物陶瓷作為骨修復(fù)材料是時下研究的熱點。其中，羥基磷灰石（HAP）和β-磷酸三鈣（β-TCP）等材料已經(jīng)被用作骨修復(fù)的材料，但是它們的脆性和降解特性極大地限制了它們作為骨修復(fù)材料的臨床應(yīng)用。以聚乳酸（PLA）為代表的生物可降解高分子材料，盡管在降解性方面比傳統(tǒng)的無機骨修復(fù)材料有較大優(yōu)勢，但是其力學(xué)特性限制了其作為承力骨修復(fù)材料的應(yīng)用。因此尋找同時具有生物活性、可控的生物降解性和適當?shù)牧W(xué)性能的新型骨修復(fù)材料已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注。聚磷酸鈣（CPP）就是近年來國內(nèi)外少數(shù)實驗室正在研制的一種新型磷酸鈣生物陶瓷骨修復(fù)材料。CPP是從磷酸鈣陶瓷的基礎(chǔ)上新近發(fā)展起來的一種多孔、生物相容性好和可降解的材料，可以提供必要的生物力學(xué)強度，降解釋放出來的鈣、磷離子能幫助細胞生長，通過控制材料的聚合度和晶型能改變材料的降解速率。

2多孔聚磷酸鈣的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 多孔聚磷酸鈣的結(jié)構(gòu)

CPP由磷酸二氫鈣通過分子間縮聚反應(yīng)生成，密度為2.85g/cm3[1]。CPP的Ca/P摩爾比理論值為0.5，β-TCP的Ca/P摩爾比理論值為1.5，HAP的Ca/P摩爾比理論值為1.67。Pilliar RM等[1]的研究表明，隨著Ca/P值的降低，磷酸鈣原子結(jié)構(gòu)能夠成為直鏈聚合物形式。這種聚合物不同于一般的有機高分子聚合物，它的支鏈結(jié)構(gòu)不是由簡單的共價鍵連接而成，而是通過PO43-離子進行連接。隨著Ca/P比的降低，可形成三維的籠狀結(jié)構(gòu)（超磷酸鹽，Ultraphosphate）、環(huán)狀結(jié)構(gòu)（偏磷酸鹽，Netaphosphate）以及鏈狀結(jié)構(gòu)（聚磷酸鹽，Polyphosphate）。Anna Dion等[2]利用核磁共振（NMR）和拉曼光譜法對CPP的結(jié)構(gòu)進行了研究，證實了CPP的直鏈結(jié)構(gòu)。CPP的聚合物主鏈以-P-O-P-為主，其分子式為[Ca（PO3）2]n，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 聚磷酸鈣聚合度的表征方法

聚磷酸鈣是無機聚合物，其聚合度的表征不同于一般的有機聚合物。有機聚合物可以根據(jù)粘度變化來判斷其大致范圍，也可以通過凝膠色譜來進行表征。對CPP而言，由于本身為粉體，又屬于磷酸鹽，很難找到合適的溶劑，一般采用31P固相核磁共振來分析，通過不同化學(xué)環(huán)境中P元素的峰的積分面積對CPP的化學(xué)結(jié)構(gòu)進行分析，然后計算出其聚合度。

2.3 多孔聚磷酸鈣的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前已經(jīng)報道的聚磷酸鈣制備方法主要有：重力燒結(jié)法、固態(tài)自由成形法、低溫等壓法、單軸壓縮法、聚合物泡沫法、高溫拉絲法等。聚磷酸鈣作為新型的生物材料主要用作支架材料、增強材料、骨修復(fù)材料，以下分別闡述。

2.3.1 聚磷酸鈣支架材料

Pilliar RM[1]等人通過重力燒結(jié)法制備出β型多孔CPP支架材料。他們用粒徑為150～250μm和106～150μm的CPP粉體作為原料，在965℃和970℃下燒結(jié)得到β型多孔支架材料，孔隙率在35～45%之間，孔徑在70～100μm之間，用106～150μm的粉體制備的支架材料的抗壓強度極高，最高抗壓強度可達24.1MPa。在0.1mol的三羥甲基氨基甲烷（Tirs）緩沖液（pH=7.4）中對材料進行模擬降解，發(fā)現(xiàn)材料的抗壓強度和失重在降解1天時變化最大，到30天時材料的抗壓強度只有初始值的1/3。細粉支架的降解與介質(zhì)的pH也有一定關(guān)系，酸性介質(zhì)降解更快，而粗粉支架則幾乎不受影響。動物實驗結(jié)果表明[3]，多孔CPP支架材料具有良好的相容性，能夠迅速促使骨組織生產(chǎn)，經(jīng)過12周和1年間形成的新骨量相當于相應(yīng)部位天然骨的體積。CPP在體內(nèi)的降解速率與制備支架所用粉體尺寸成反比，前6周降解速率較快，其后趨緩。

El Sayegh TY[4]等用重力燒結(jié)法制備了多孔CPP支架材料，他們用粒徑為75～106μm的CPP粉體作為原料，在585℃和600℃下燒結(jié)分別得到無定型的CPP多孔支架材料和β型多孔支架材料，并在CPP材料上和鈦基上培養(yǎng)成纖維細胞。結(jié)果表明，在細胞貼附、鋪展方面，鈦基是CPP材料的2～3倍，在細胞外基質(zhì)方面，二者數(shù)量相似；兩種CPP材料上的細胞貼附、鋪展以及細胞外基質(zhì)沒有明顯區(qū)別。因此，他們認為，CPP材料的降解速率和結(jié)晶狀況對纖維細胞和CPP的相互作用沒有影響。

Waldman SD[5]等也用重力燒結(jié)法制備了多孔CPP支架材料，并在支架材料上進行軟骨細胞的培養(yǎng)。經(jīng)過8周實驗，發(fā)現(xiàn)在CPP上生長有連續(xù)的軟骨組織，并且軟骨組織與CPP表面已結(jié)合，體外培養(yǎng)生成的軟骨組織形成了與天然軟骨組織相似的厚度層。體外培養(yǎng)的軟骨細胞合成了與天然軟骨細胞相似的蛋白聚糖和Ⅱ型膠原，兩種軟骨細胞合成的蛋白聚糖相似，然而，前者合成的膠原偏少，這使得培養(yǎng)得到的軟骨組織的力學(xué)性能僅有天然軟骨組織力學(xué)性能的3%。

唐昌偉等[6]采用重力燒結(jié)法制備出聚合度為26的多孔CPP支架材料，其孔隙率約為50%，抗壓強度為5.5～7.0MPa，并對CPP的晶型轉(zhuǎn)變、體外降解及細胞相容性進行了初步研究。結(jié)果表明，CPP在0～1000℃之間會發(fā)生三次晶型轉(zhuǎn)變，降解速率隨晶型不同而不同，具體表現(xiàn)為：γ-CPP＞β-CPP＞α-CPP，多孔CPP支架材料能夠支持成骨細胞的粘附、生長、增殖，并保持一定的活性和功能，成骨細胞在β-CPP多孔支架材料上表現(xiàn)出最強的增殖能力。邱凱等[7]以硬脂酸作成孔劑，制備了摻鍶多孔CPP支架材料。他們創(chuàng)新性地提出了簡便CPP聚合度的計算模型，并且研究了CPP的聚合度以及晶型對其降解的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，材料的晶型和聚合度對降解速率的影響顯著，CPP的聚合度越小，支架材料的孔隙率越大；熱處理的CPP顆粒粒徑越小，降解速率就越快；低溫?zé)Y(jié)得到的CPP比高溫?zé)Y(jié)得到的CPP降解快。動物實驗顯示，摻鍶量為1%的CPP樣本中新骨生成快于CPP樣本，摻鍶CPP多孔結(jié)構(gòu)中形成了大量的骨小梁，并有較多的血管長入。

Porter NL等[8]用固態(tài)自由成形（SFF）法制備了多孔CPP支架材料。他們用粒徑小于25μm的粉體作為原料，在585℃和600℃下燒結(jié)分別得到無定型的CPP多孔支架材料和β型多孔支架材料，其孔隙率分別約為28%和23%，其抗彎強度分別為19.6MPa和31.59MPa。在0.1mol的Tirs緩沖液中，對材料進行模擬降解，發(fā)現(xiàn)兩種支架材料的力學(xué)強度都隨著降解時間的增加而降低，然而，無定型支架材料在降解1天后抗彎強度損失超過了50%，降解5天后損失超過95%，而β型支架材料降解1天后抗彎強度損失了25%，降解10天后損失60%。通過對降解液中磷含量進行檢測，發(fā)現(xiàn)1天后無定形材料降解液中的磷含量是β型支架材料的4倍，僅僅5天后無定形支架材料的降解液中磷含量就達到24.2%，10天后β型多孔支架材料的降解液中磷含量僅為2.7%。對降解后的樣品進行形貌分析，發(fā)現(xiàn)無定型支架材料的表面出現(xiàn)一沉淀層，內(nèi)部出現(xiàn)大的孔洞，而β型支架材料的形貌沒有明顯變化，僅有部分顆粒表面發(fā)生了溶解。研究發(fā)現(xiàn)，超過60%的孔徑尺寸小于30μm，將不利于新骨長入其中，一些學(xué)者認為孔徑在200～400μm時最有利于新骨生長。

Filiaggi MJ等[9]用低溫等壓法和單軸壓縮法制備了多孔CPP支架，避免了高溫?zé)Y(jié)，使支架材料的多孔結(jié)構(gòu)更易控制。當支架材料的孔隙率為20%時，材料抗張強度僅有6MPa，因此不能作為承力的骨修復(fù)材料。他們后來在CPP材料中加入抗菌劑萬古霉素，制備了一種抗感染的骨修復(fù)材料[2]。

Baksh D等[10]用聚氨酯泡沫技術(shù)制備了三維大孔連通的CPP支架材料，其孔徑為0.3～1mm，并對材料進行了體外骨髓細胞培養(yǎng)和體內(nèi)植入實驗。研究發(fā)現(xiàn)，2周后，在體外培養(yǎng)和體內(nèi)植入的實驗樣品中都有骨長入。在體外實驗中，CPP和骨的界面上有明顯的結(jié)合帶，而在體內(nèi)實驗中，CPP和骨的界面上有非礦化纖維組織，并且骨已經(jīng)長入多孔CPP的微孔中。CPP支架的某些表面顆粒形態(tài)在體內(nèi)實驗中已經(jīng)變成圓形，而在體外實驗中無任何變化，說明體內(nèi)的一些CPP顆粒已經(jīng)溶解。這一切初步表明，三維CPP可以作為骨組織工程的支架材料。

2.3.2 聚磷酸鈣纖維增強材料

石宗利等[11,12]制備了無定型的CPP纖維，發(fā)現(xiàn)CPP纖維有優(yōu)異的生物相容性、力學(xué)性能和可調(diào)控的表面降解性。他們用CPP纖維增強TCP和左旋聚乳酸（PLLA），取得了良好的效果[13,14,15]，但并未對結(jié)晶后的生物陶瓷和聚合度進行相關(guān)的研究。

常青等[16]對CPP纖維的降解情況進行的研究表明，當pH值一定時，纖維質(zhì)量隨時間的變化表現(xiàn)為直線，即降解速率方程與時間成一次方關(guān)系。趙琳等[12]將CPP纖維束植入大鼠肢體對稱部位的皮下、肌肉和肌鍵進行體內(nèi)降解實驗。X光片及組織切片表明，CPP纖維在肌肉內(nèi)約16周完全降解，在肌鍵、皮下約20周完全降解，降解產(chǎn)物無局部沉積現(xiàn)象。

2.3.3 聚磷酸鈣骨修復(fù)材料

Yang等[17]制備了聚己酸內(nèi)酯和CPP的互穿相復(fù)合材料，其選用的CPP孔隙率為35%。研究發(fā)現(xiàn)，酶能促進聚己酸內(nèi)酯的水解，在聚己酸內(nèi)酯上引入離子基團，能有效增加兩相材料的界面粘結(jié)強度，從而使復(fù)合材料的抗彎強度是CPP單一材料抗彎強度的7倍。由SEM發(fā)現(xiàn)，聚己酸內(nèi)酯已經(jīng)滲透到多孔CPP的所有孔隙中。研究結(jié)果進一步擴展了其在承力骨修復(fù)方面的應(yīng)用潛力。

Yang SM等[18,19]制備了殼聚糖基復(fù)合材料，并在狗體內(nèi)進行了實驗，發(fā)現(xiàn)在狗體內(nèi)有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性。

張志斌等[20]采用自行設(shè)計的懸浮液熱分散復(fù)合法制備了大孔聚磷酸鈣/殼聚糖(CPP/CS)復(fù)合材料棒材，將復(fù)合懸液滴入凝固液中，經(jīng)浸泡-漂洗-干燥的工藝制備了CPP/CS微孔復(fù)合材料顆粒。大孔復(fù)合材料棒材的孔徑為50～300μm，孔隙率為71.13%，微孔復(fù)合材料顆粒的孔徑為10～100μm，孔隙率為40.76%。研究發(fā)現(xiàn)：大孔復(fù)合材料棒材的細胞相容性比微孔復(fù)合材料顆粒好，復(fù)合材料中隨著CPP含量的增加，細胞相容性增加，當復(fù)合材料中CPP和CS的質(zhì)量比為7/3時，復(fù)合材料的細胞相容性較好，此時的強度最高。

3CPP生物陶瓷的降解特性

CPP生物陶瓷屬可降解和吸收的生物陶瓷。CPP屬于無機聚合物，結(jié)晶性不完整，其降解性不同于一般的無機物和有機物。研究表明[21]，隨著聚合度的增加，材料的抗壓強度增大，降解速率變??；不同晶型的材料具有不同的降解速率，降解速率為非晶CPP>γ-CPP>β-CPP>α-CPP，非晶CPP在第17 天完全降解，γ-CPP在第25 天完全降解，β-CPP和α-CPP降解緩慢，在第30 天時才分別降解了大約12%和5%。

常青等[16]通過實驗證明，CPP纖維在中性介質(zhì)中僅發(fā)生緩慢降解，在酸性介質(zhì)中將會使降解加速，在堿性介質(zhì)中降解速度最高。直鏈聚磷酸鹽在水中緩慢水解而發(fā)生化學(xué)降解，其反應(yīng)如下：

Pilliar RM等[1]把聚磷酸鈣生物陶瓷的降解分為兩個階段：（1）在降解前期，無定型或結(jié)晶度小的區(qū)域發(fā)生快速降解，此區(qū)域內(nèi)的力學(xué)強度喪失得非常快，此過程大概持續(xù)1天左右；（2）第二階段是材料的高結(jié)晶區(qū)域發(fā)生降解，降解速率減緩，力學(xué)強度緩慢降低，到30天時材料抗壓強度損失了2/3。姚康德[22]報道多孔聚磷酸鈣支架在體內(nèi)降解速率比體外的緩沖液（pH=7.4）快一個數(shù)量級，這是由于無機材料在體內(nèi)的降解與細胞活性有關(guān)?？傊?，無定型材料降解最快，α型的降解最慢；氣孔率越大，其降解越快。CPP生物陶瓷的降解速率與材料顆粒大小、晶型、聚合度、氣孔率、孔徑大小等因素有關(guān)。

4CPP生物陶瓷的應(yīng)用

常青等[19]將CPP纖維用作可降解復(fù)合材料的增強纖維，用CPP和淀粉/聚乙烯醇薄膜制成了可降解復(fù)合材料。Lagow等將多孔聚磷酸鈣生物陶瓷用于顎骨的替代，Nelson等將多孔聚磷酸鈣生物陶瓷用于狗體上顎骨的修復(fù)，4個月后，通過掃描電鏡觀察，長入多孔聚磷酸鈣中的骨組織比植入對側(cè)位置的自體骨明顯得多[1]。

在臨床上，CPP生物陶瓷主要用于治療臉部頜部的骨缺損，填補牙周的空洞以及與有機或無機物復(fù)合制成人造肌腱及復(fù)合骨板，還可作為藥物的載體。聚磷酸鈣粉末可用于不規(guī)則形狀缺損的填充，比如牙周缺損，或者填入牙移植的植入部位起空間擴張作用，為移植提供空間[23]。

5結(jié)論與展望

聚磷酸鈣作為一種剛剛發(fā)展的鈣磷系生物材料，已引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并得到研究和發(fā)展。CPP在0～1000℃之間會發(fā)生三次晶型轉(zhuǎn)變，降解速率隨晶型不同而不同，具體表現(xiàn)為：γ-CPP＞β-CPP＞α-CPP，其中β型存在的溫度范圍較寬，而且學(xué)者研究得最多。CPP生物陶瓷的降解分為兩個階段：（1）在降解前期，無定型或結(jié)晶度小的區(qū)域發(fā)生快速降解；（2）第二階段是材料的高結(jié)晶區(qū)域發(fā)生降解，降解速率減緩，力學(xué)強度緩慢降低。經(jīng)研究，CPP作為支架材料，適合軟骨細胞、成骨細胞的生長，能夠促進骨組織的生長，承擔(dān)支架的作用，但仍需進一步研究細胞生長速率與材料的降解速率相匹配的問題。無定型CPP纖維增強TCP和PLLA，取得了良好的效果，展現(xiàn)了CPP纖維的增強作用，可開展研制復(fù)合生物材料。CPP作為單一材料，其強度可滿足非承重骨的修復(fù)，Yang等[17]制備了聚己酸內(nèi)酯和CPP的互穿相復(fù)合材料，使復(fù)合材料的抗彎強度為CPP單一材料抗彎強度的7倍，這在承力骨修復(fù)方面的研究方面開辟了方向。無論其用途如何，但作為生物材料，如何使細胞生長速率與材料的降解速率相匹配一直是有待解決的問題，通過刺激細胞生長或調(diào)控CPP降解速率有望解決這一問題。

CPP具有的鏈狀結(jié)構(gòu)和無機物特點，使其結(jié)晶具有不完整性，聚合度可因熱處理制度不同而發(fā)生變化，這一切使其降解特性不同于一般的高分子化合物和無機物。其降解性通過聚合度和晶型調(diào)整可以達到可控。CPP的Ca/P摩爾比理論值為0.5，降解產(chǎn)生的鈣、磷均能為細胞生長提供幫助。隨著人類生活水平的提高，人類的健康日漸受到重視，生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。近10年來，全球生物醫(yī)用材料和制品的市場一直保持15%以上的年增長率， 2002年全球僅生物相容性材料和終端產(chǎn)品市場的市場容量已從2000年230億美元增長至500億美元。生物材料和生物技術(shù)正在成長為本世紀世界經(jīng)濟的一個支柱性產(chǎn)業(yè)。

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The Study and Application of Porous Calcium Polyphosphate Bioceramic

Xu XiaohongLi KunWu JianfengShen Weiwei

(School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of TechnologyWuhanHubei430070)

Abstract: The recent research and application of calcium polyphosphate at home and abroad were discussed in this paper.It primarily revealed the biocompatibility and degradability of calcium polyphosphate bioceramic.The present research showed that different polymerization degree and crystalline structure result in the different biodegradation ratio,which points out the new approch for controllable biodegradation of bioceramic.Calcium polyphosphate is a long chain linear inorganic condensed phosphate with most crystalline structure.It is popular with the future bone repair because of its fine biocompatibility and degradability and mechanic property .

Keywords: calcium polyphosphate,scaffold,bone repair,degradation,study and application