謝洪海 ，王玉清

(1. 山東魯泰環(huán)保建材有限公司， 山東 濟(jì)寧 272350；2. 濟(jì)寧市高級(jí)職業(yè)學(xué)校， 山東 濟(jì)寧 272100)

0 引 言

硅酸鈣骨水泥是一種新型自凝的可注射性生物材料，該生物材料具有很好的物理性能、化學(xué)性能、生物性能。大量實(shí)驗(yàn)證明，由于該材料極好的生物和機(jī)械性能在臨床領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)步[1]。自1971年，Hence發(fā)現(xiàn)了生物活性玻璃，很多鈣硅基陶瓷玻璃已經(jīng)被廣泛的研究。其中，β-Ca2SiO4擁有極好的生物活性、降解性、水化性能[2]。然而，β-Ca2SiO4在水化的過程中會(huì)生成Ca(OH)2，這種物質(zhì)的生成會(huì)導(dǎo)致局部pH值過高且大于12.5，很不利于周圍骨組織的生長(zhǎng)，且不可以被人體所吸收[3]。所以，目前最有效的辦法就是消除Ca(OH)2并且將其轉(zhuǎn)化為球霰石。

球霰石是碳酸鈣的一種礦物晶型[4]。由于球霰石是亞穩(wěn)相，所以它的溶解度大于文石或者方解石[5]。此外，由于其高比表面積和低比重，球霰石作為一種生物醫(yī)學(xué)材料可用于骨基質(zhì)的增強(qiáng)[6]。早期的研究表明，微量的可溶性硅物種和45S5生物玻璃中的鈣離子可以刺激成骨細(xì)胞內(nèi)的基因并增強(qiáng)IGF-II 的表達(dá)，從而促進(jìn)骨形成[7-9]。據(jù)報(bào)道，磷酸鹽離子會(huì)吸附在球霰石表面[10]。Kim和Park[11]報(bào)道，含球霰石和多巴胺的混合材料在SBF中很容易轉(zhuǎn)化為碳酸化羥基磷灰石。這些結(jié)果表明，水化后的硅酸鈣骨水泥可以提高磷的吸附能力，并促進(jìn)羥基磷灰石的形成。

在本文中，通過將β-Ca2SiO4水化、碳化來(lái)制備球形球霰石。這種方法既環(huán)保又簡(jiǎn)單，且可直接將其轉(zhuǎn)化為球霰石。此外，可以通過SBF浸泡來(lái)提高骨水泥的生物活性。

1 材料和方法

1.1 β-硅酸二鈣粉體的制備

用溶膠凝膠法合成β-Ca2SiO4粉末，在之前的工作中已經(jīng)描述過[12]。試劑級(jí)硅酸乙酯((Si(OC2H5)4；TEOS，SiO2% ≥ 28.4%, 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，中國(guó)) 和硝酸鈣 ((Ca(NO3)2·4H2O； 99.0%, 西隴化工股份有限公司，中國(guó))作為SiO2和CaO的前驅(qū)體。硝酸HNO3作為催化劑，無(wú)水乙醇作為溶劑。SiO2和CaO的摩爾比為1 : 1。簡(jiǎn)而言之，TEOS按順序添加2N HNO3和無(wú)水乙醇分別攪拌一個(gè)小時(shí)。將適量的Ca(NO3)2·4H2O加入到上述溶液中，混合溶液攪拌1小時(shí)。(HNO3+H2O)-TEOS-乙醇溶液的摩爾比分別為10 : 1 : 10。將得到的溶膠溶液密封在一個(gè)燒杯中，于60 ℃的烘箱中干燥2天，120 ℃的烘箱中再干燥2天得到干凝膠。將干凝膠在800 ℃下煅燒4 h，等爐內(nèi)溫度降至室溫后，制得粉末。將制得的粉末過300目的篩子，用于下一步實(shí)驗(yàn)。該方法的優(yōu)點(diǎn)就是原材料純度高，不像在波特蘭水泥制造使用的那樣[13]。

1.2 β-硅酸二鈣水泥的水化過程

β-硅酸二鈣水泥的水化過程就是個(gè)碳化過程。為了制備該種水泥，蒸餾水作為液相用于混合粉末，將制得的β-Ca2SiO4粉末與蒸餾水混合成均勻的水泥漿料均勻的涂抹在燒杯的四壁，液粉比(L/P)為2 ml/g。混合之后，將該水泥養(yǎng)護(hù)在37℃、100%濕度環(huán)境下養(yǎng)護(hù)5 h。然后將CO2氣體通入該泥漿中，以3000 ml/min的速率通入90 min，為了去除殘余的溶劑，將上述的泥漿在110 ℃條件下干燥一天，最終制得含球霰石β-硅酸二鈣水泥。在該項(xiàng)研究中，V0指純的β-Ca2SiO4水泥，V1指含球霰石β-Ca2SiO4水泥。將V0和V1粉末和Na2HPO4以0.8 ml/g的液固比混合，將得到的混合物填充到圓柱形不銹鋼模具中(Φ 6 mm × 12 mm)，放入濕度為100%，溫度為37 ℃的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h。

1.3 SBF浸泡后水泥的性能

為了提高體外理化性能，在37 ℃的條件下，該圓形柱試樣(Φ 6 mm × 3 mm)浸泡在11-mLSBF中(pH值 = 7.40) ，試樣表面積和SBF溶液體積比為0.1 cm2/mL[14]。該SBF制備方法根據(jù)Kokubo和Takadama所描述的程序進(jìn)行[15]。為了研究球霰石對(duì)生物活性的影響，試樣分別浸泡在SBF中3d。在浸泡SBF之前，V0和V1試樣都放置在37 ℃、100%濕度的恒溫箱中水化一天。浸泡3d后，將試樣從離心管中取出，用去離子水和丙酮溶液輕輕地沖洗三次，于60 ℃烘箱中干燥24 h，進(jìn)行相組成和結(jié)構(gòu)的分析。同樣為了驗(yàn)證球霰石是否能成功的消除Ca(OH)2的影響，將V0和V1粉末和SBF溶液以5 ml/g的液粉比混合于離心試管中，浸泡3d后，離心取上層液體，使用pH計(jì)(PHSJ-3F上海杰晟科學(xué)儀器有限公司)分別測(cè)量出V0和V1的pH值。

1.4 測(cè)試與表征

X射線衍射分析(XRD，Geigerflex, Rigaku,Japan)用來(lái)分析相結(jié)構(gòu)，掃描電子顯微鏡(SEM,S-4800,JEOL, Tokyo, Japan) 配以能譜(EDS)來(lái)分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。傅里葉變換紅外光譜(FTIR,Nicolet,Nexus 670)進(jìn)一步分析物質(zhì)的化學(xué)組分和化學(xué)鍵。將水泥試樣養(yǎng)護(hù)在37 ℃，濕度為100%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中，根據(jù)測(cè)試水泥的標(biāo)準(zhǔn)：ISO 9917-1，使用吉摩爾針(Gillmore needle，B001)測(cè)試水泥的凝結(jié)時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試的凝結(jié)時(shí)間為終凝時(shí)間，即從混合開始到吉摩爾針不能在樣品表面的3個(gè)不同區(qū)域留下1mm凹痕的這段時(shí)間。測(cè)試結(jié)果取8個(gè)試樣的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果和討論

2.1 含球霰石水泥的相組成和形貌

V0和V1的XRD圖譜如圖1所示。從V0的XRD圖譜中可以看出，在2θ = 18.021, 34.061，47.101處的是Ca(OH)2峰[15]。在2θ = 37.51處的弱峰對(duì)應(yīng)的是CaO[12]。 此外，2θ = 29 °處出現(xiàn)的衍射峰[16]，對(duì)應(yīng)的是水化硅酸鈣相(C-S-H)即β-Ca2SiO4的不完全反應(yīng)的無(wú)機(jī)相組成。然而，從圖中很明顯的看到，在引入CO2后即(V1), Ca(OH)2的特征峰消失了，CS-H的峰也變?nèi)趿?。此時(shí)，球霰石的特征峰也成了水泥的主峰之一。2θ = 24.91, 27.01, 32.81，43.81,50.11處對(duì)應(yīng)于球霰石的衍射峰 (JCPDS no. 33-0268)[5]。2θ = 23.301, 31.161, 32.181, 34.31, 41.31處對(duì)應(yīng)的是β-Ca2SiO4的衍射峰。總的來(lái)說(shuō)，在引入CO2后，Ca(OH)2和CO2反應(yīng)，生成球霰石[17]。

如圖2所示，通過FTIR對(duì)V1和V0的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析。對(duì)V0試樣，可以觀察到3400 cm-1和1640 cm-1處有紅外吸收峰, 這主要是由O-H和H-OH伸縮振動(dòng)引起的[18-19]，而造成該伸縮振動(dòng)的原因則是水化硅酸鈣吸收水分造成的。800-1000 cm-1處的吸收峰主要是由Ca2SiO4中的Si-O伸縮振動(dòng)造成的。而對(duì)于V1試樣，我們可以觀察到在744.4，874.2，1084.4和1465.7 cm-1處出現(xiàn)了新的紅外吸收峰，這些峰的出現(xiàn)主要是由于球霰石中C-O的伸縮彎曲振動(dòng)造成的[20]。

圖3(a)是V1表面的SEM微觀圖像?？梢杂^察到V1表面有一些球形的球霰石顆粒。相比較于圖3(b)V0的SEM圖像，很明顯并沒有觀察到這些球形顆粒。

Fig.1 XRD patterns of β-Ca2SiO4 cement prepared after hydration for 1 day:V0 without introducing CO2 gas and V1 with introduced CO2

Fig.2 The FT-IR spectra of β-Ca2SiO4 cement prepared after hydration for 1 day: (V0) without introduced CO2 gas and(V1) with introduced CO2

使用能譜對(duì)球形粒子的組成進(jìn)行進(jìn)一步的表征，表征結(jié)果如圖3(c)，能譜的結(jié)果顯示粒子中存在Ca, Si, O, C元素，而其中的Ca, O, C元素的存在則意味著樣品中含有球霰石，而Si的存在可能是殘留的Ca2SiO4造成的。

球霰石的形成機(jī)理如下。當(dāng)β-Ca2SiO4與水混合，β-Ca2SiO4首先開始水化，水化過程按照下面的反應(yīng)式進(jìn)行[22]：

球霰石是碳酸鈣的一種晶型，當(dāng)引入CO2到β-Ca2SiO4水化過程中，β-Ca2SiO4的水化產(chǎn)物Ca(OH)2將會(huì)與CO2反應(yīng)，最終生成球霰石。反應(yīng)過程如下：

2.2 含球霰石水泥的凝結(jié)時(shí)間

Fig.3 SEM micrographs of V1 (a) and V0 (b) cement surfaces prepared after hydration for 1 day； (c) EDS spectrum of spherical particles in Fig. 3(a)

與對(duì)照組V0相比(之前研究工作, 27 ± 2 min)，水泥水化后，凝結(jié)時(shí)間明顯降低至12 ± 2 min[12]?？梢钥闯?，球霰石會(huì)加速水泥的凝結(jié)過程。從圖1的XRD中可以得到這個(gè)結(jié)論。在水化改性后，V1中Ca(OH)2的特征峰消失了。同時(shí)，球霰石和β-Ca2SiO4的特征峰成了V1水泥的主峰。這與FT-IR的分析結(jié)果是相一致的。所以球霰石會(huì)加速凝結(jié)。此外，粉末顆粒的尺寸，燒結(jié)溫度，相組成，溶劑和液固比也對(duì)骨水泥材料的凝結(jié)時(shí)間起著至關(guān)重要的作用[22]。

2.3 SBF浸泡后水泥表面HAp的形成以及pH值的變化

SBF浸泡是檢驗(yàn)材料HAp形成能力最常用的方法[23]。圖4是V0和V1水泥試樣在SBF溶液中浸泡前后的表面形貌。從圖4(a)和(c)中可以看出V0和V1水泥試樣在浸泡前是沒有羥基磷灰石的。然而，圖4(b)和(d)分別是SBF浸泡3d后的圖，可以看出，V0水泥表面被部分羥基磷灰石覆蓋，而V1水泥完全被羥基磷灰石覆蓋。對(duì)圖4(d)中球形顆粒進(jìn)行EDS能譜分析(圖4(e))。從能譜中可以看出，SBF浸泡3d后，V1試樣表面含有Si, Ca, P等元素。根據(jù)pH計(jì)測(cè)得的V0和V1的pH值分別為：12.16，9.79。pH值的迅速降低表明了V0水泥在水化過程中產(chǎn)生的Ca(OH)2能和CO2充分反應(yīng)，從而成功的消除Ca(OH)2的堿性對(duì)材料帶來(lái)的不利影響。

Fig.4 SEM micrographs of V0 cement surface before (a) and after (b) being immersed in SBF for 3 days, V1 cement surface before (c) and after (d) being immersed in SBF for 3 days； (e) EDS spectrum of spherical particles in Fig. 4(d)

圖5 (V0)和(V1)分別是V0和V1骨水泥在SBF浸泡后的X射線衍射分析圖。通過索引各自的標(biāo)準(zhǔn)JCPDS卡片(CSH，29-0378；β-Ca2SiO4，29-0371，HAp，09-0432)，確定試樣是水化硅酸鈣(CSH)，β-Ca2SiO4，HAp的混合物。從XRD圖中可以看到，V0和V1水泥試樣都含有磷灰石，表明它們有很高的生物活性。從圖5(V0)看出,V0水泥只有在2θ = 31.74處有HAp[15]的衍射峰，但對(duì)V1來(lái)說(shuō)，在2θ = 31.441，31.741，35.471和50.01[12,15,24,25]處都有HAp衍射峰，且峰更明顯更尖銳，表明V1水泥試樣有更好的生物活性。

使用FT-IR進(jìn)一步分析V0和V1水泥試樣HAp的形成能力，如圖6(V0)和(V1)所示，1640 cm-1處的吸收峰是典型的H-OH伸縮振動(dòng)，主要是由于水化硅酸鈣(C-S-H)吸收水分造成的。1415 cm-1和841 cm-1處的吸收峰是由CO32-的C-O伸縮振動(dòng)引起的[26]。965 cm-1處的吸收峰主要?dú)w因于PO3-4對(duì)稱伸縮振動(dòng)[25]。PO3-4的特征峰證明了V0水泥在SBF溶液中浸泡3 d后，試樣表面沉積了HAp[9-26]。此外，圖6 (V1), 在1062 cm-1處出現(xiàn)了新的PO3-4的P-O鍵的伸縮振動(dòng)，即V1水泥試樣擁有更佳的誘導(dǎo)羥基磷灰石形成的能力。結(jié)果表明，球霰石可以提高磷的吸附能力，加速HAp的形成。

Fig.5 XRD patterns of V0 and V1 cements after being soaked in SBF for 3 days

Fig.6 FT-IR spectra of V0 and V1 cements after being soaked in SBF for 3 days

3 結(jié) 論

這是一種簡(jiǎn)單且綠色環(huán)保的合成方法，能成功的合成出含球霰石β-硅酸二鈣骨水泥。該方法不僅能夠很好的消除β-Ca2SiO4骨水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2給生物材料帶來(lái)的不利影響，而且能降低水泥的凝結(jié)時(shí)間。體外研究表明含球霰石β-硅酸二鈣骨水泥在SBF浸泡后能更好的誘導(dǎo)HA的形成。同時(shí)，合成的含球霰石水泥作為理想骨修復(fù)替代材料擁有極好的生物活性以及合適的凝結(jié)時(shí)間。接下來(lái)，我們還要著重研究Ca(OH)2轉(zhuǎn)化為球霰石的速率，凝結(jié)時(shí)間，機(jī)械性能以及體外生物活性來(lái)確定將來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域。