多巴胺改性PCL纤维增强掺锶磷酸钙骨水泥的制备与表征

闫岩

（四川大学高分子科学与工程学院，四川 成都 610065）

多巴胺改性PCL纤维增强掺锶磷酸钙骨水泥的制备与表征

闫岩

（四川大学高分子科学与工程学院，四川 成都 610065）

在掺锶磷酸钙骨水泥的基础上，利用多巴胺改性PCL纤维和未改性PCL纤维对其进行增强并表征。制备掺锶磷酸钙骨水泥样条，用多巴胺改性PCL纤维和未改性PCL纤维增强，制得骨水泥样条，对样条的凝固时间和力学性能等特征参数进行测定。结果显示，多巴胺改性纤维增强的骨水泥凝固时间更短，力学强度更高，在一定条件下改善了传统磷酸钙骨水泥的缺点。

掺锶磷酸钙骨水泥；PCL纤维；多巴胺；凝固时间；力学强度

1 引言

骨缺损指骨的结构完整性被破坏，是临床常见病。各种因素如创伤、感染、肿瘤、骨髓炎手术清创以及各种先天性疾病导致的骨缺损的修复治疗一直是医学界的难题之一[1]。在早期骨缺损的修复治疗的方法主要有自体骨移植、异体骨移植等，但这些方法或因供体来源有限，并发症多，手术时间延长，或因机体的免疫排斥反应及易导致交叉感染，已渐退出临床。

20世纪以来，众多学者进行了卓有成效的研究，人工骨移植的方法被临床广泛应用。骨水泥作为人工骨材料的一种，具有可塑性强、可根据缺损部位的形状任意塑形、可在人体内自固化等优点[2]。但是，骨水泥也有力学性能差、生物降解性能差的缺点。因此，对骨水泥的改性非常必要。

2 实验部分

2.1 实验依据。第一代骨水泥聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）类生物相容性差，在固化时会产生高温，使骨水泥周围组织坏死，并且在体内降解释放对细胞有毒性的单体甲基丙烯酸甲酯。另外，它生物相容性差，骨传导作用差，不利于骨组织的再生。

在80年代中期，由Brown和Chow研制出来了一种新型自固化型人工骨替代材料——磷酸钙骨水泥。磷酸钙骨水泥生物相容性良好，可根据缺损部位任意塑形，固化最终产物是羟基磷灰石，其结构与人体骨组织的无机成分相似，具有一定的传导成骨能力[3]，因此得到广泛地应用和研究。

但是，磷酸钙骨水泥力学性能差，脆性大，生物降解性能差，骨传导作用还有待提高。对于以上磷酸钙骨水泥的缺点，学者们提出了很多对其进行改性的方法。有学者利用Ca和Sr之间原子半径和性质的差异，在磷酸钙骨水泥掺入Sr，使原有的晶格发生畸变，从而改变材料的结晶性和生物降解性，使骨水泥在人体内的降解加快[4]。

经过学者大量实验，PCL（聚己内酯）纤维生物相容性好，在体内会降解成水和二氧化碳，不会产生对人体有害的物质。而且，在利用PCL纤维增强之后，本身力学强度增加较多，降解也较缓和，因此是增强磷酸钙骨水泥较好的选择。

然而，PCL纤维是由己内酯开环聚合得到的，碳链上并没有游离的羟基等亲水集团。因此，聚己内酯具有强疏水性。这会导致聚己内酯纤维与骨水泥基体难以紧密结合，对力学性能有较大的影响。所以，在本实验之前，首先利用多巴胺对PCL纤维进行了表面改性实验，以改善其疏水性，使其能够和掺锶磷酸钙骨水泥紧密的结合[5]。

将未改性的PCL纤维和经过多巴胺改性的PCL纤维放入样品室使用JSM-5900LV型扫描电镜进行观察，可以看出：涂覆前后纤维表面形貌发生了变化。在涂覆之前，纤维表面纤细光滑，可以通过电镜分清楚每一根纤维，而且纤维之间的粘结缠绕并不是很多。而在右图中，可以明显看到每一根纤维的直径明显变大，并且在纤维交叉的地方能够看见沉积的聚多巴胺。这说明多巴胺成功在纤维表面涂覆。

图1 PCL纤维与多巴胺改性PCL纤维扫描电镜图（3000X）

2.2 PCL纤维对骨水泥理化性能的影响实验。本实验过程中将使用SBF模拟体液，模拟体液的配置依据相关文献进行[6-7]。

2.2.1 掺锶磷酸钙水泥的制备

2.2.1.1 无定型掺锶磷钙粉末的制备。将二水合磷酸氢钙，氢氧化钙，碳酸锶，按照理想的钙磷之比为1.67的比值，Sr/（Sr+ Ca）摩尔比为15%的比例，在球磨机中进行球磨混合，球磨的速度为500转/分钟[8]。

2.2.1.2 10%掺锶磷酸钙骨水泥的制备。将上述无定型磷酸钙粉末与无水磷酸氢钙，按照质量比为2∶1的比例混合，作为固相。以2%乳酸壳聚糖溶液为液相，按照液固比为0.55m l/g，将液相与固相进行调和一分钟，调和均匀之后将骨水泥膏体填入自制的、大小为3mm×4mm×25mm的模具中，在填充过程中进行按压，用以排出膏体中大部分的空气，减少空隙。填入模具之后，将模具用玻璃夹片固定，放入温度37℃、湿度为100%的培养箱中进行固化24h。将固化之后的骨水泥样条浸泡模拟体液7天。

2.2.2 PCL纤维增强骨水泥的制备过程。将未改性PCL纤维剪裁成为3mm×3mm的大小，按照纤维填入量为1%，2%，5%的比例，依照2.2.1的过程，将骨水泥粉末与乳酸壳聚糖液体混合均匀之后，按照比例加入骨水泥膏体中，混合均匀，填入条形模具中，按压排出空气，将模具用玻璃夹片固定，放入37℃，湿度为100%的培养箱中进行固化24 h。之后取出制备好的骨水泥样条与圆片。并将骨水泥样条浸泡模拟体液7天。

同样的，利用多巴胺改性后的纤维和2.2.1制得的掺锶磷酸钙骨水泥进行复合，如上述步骤制得骨水泥样条[9-11]。

2.2.3 测试与表征

2.2.3.1 凝固时间测定。在纤维增强之后，随着样条的自固化，样条逐渐失去流动性和可塑性，最终变为固态的骨水泥。在手术过程中，需要利用骨水泥进行塑性、填充等工作，凝固时间不宜过短；而在手术完成之后，则希望其迅速凝固，具有力学强度。凝固时间可以通过维卡仪来测定。

未经过纤维增强的掺锶磷酸钙骨水泥凝固时间在22min左右。对比未纤维增强样品，PCL纤维增强骨水泥组的凝固时间明显缩短。在填入纤维量为1%（质量比）时，磷酸钙骨水泥的凝固时间降低为13min。并且随着纤维的填入量的增加，骨水泥的凝固时间随之降低。这是由于乳酸壳聚糖溶液渗透到纤维空隙中，间接造成液固比降低，使凝固时间降低。对比多巴胺改性前后纤维增强磷酸钙骨水泥的凝固时间，改性之后的骨水泥凝固时间有所降低。这可能是多巴胺改变了纤维表面的疏水性，使液相更多地渗入纤维空隙中，降低骨水泥基体与固化液之间的液固比，使骨水泥凝固时间降低。

图2 纤维增强掺锶磷酸钙骨水泥的凝固时间

2.2.3.2 纤维增强掺锶磷酸钙骨水泥的弯曲强度。对浸泡过SBF溶液的骨水泥样条进行标准三点弯曲测试，并计算骨水泥样条的弯曲强度[12]。测得弯曲强度数据。利用弯曲强度数据制图对比，可得图3和图4。

图3 PCL纤维增强骨水泥的弯曲强度

在图3中可以看到，0%（即未使用PCL纤维增强）的掺锶磷酸钙骨水泥样品的弯曲强度明显低于加入了PCL纤维增强之后的掺锶磷酸钙骨水泥的弯曲强度。但是，在PCL组分从1%增加至5%时，弯曲强度反而下降。这是因为PCL的疏水性导致它与基体不能够紧密结合，造成骨水泥内部孔隙增多。因此，在PCL纤维组分增大时，弯曲强度反而下降了。

图4 多巴胺改性PCL纤维增强掺锶磷酸钙骨水泥弯曲强度

图4为多巴胺改性之后PCL增强的掺锶磷酸钙骨水泥弯曲强度柱状图，依然能够得到，在PCL纤维增强之后，掺锶磷酸钙骨水泥的弯曲强度增大了很多。而且在PCL组分由1%增加到5%时，弯曲强度依然在上升。这是因为多巴胺在PCL表面涂覆之后，改善了纤维表面的亲水性，可以使PCL纤维与掺锶磷酸钙骨水泥基体紧密结合，充分发挥纤维增强的作用。同时，对比未改性PCL纤维增强掺锶磷酸钙骨水泥和多巴胺改性PCL纤维增强磷酸钙骨水泥的弯曲强度，在1%时多巴胺改性后增大了46.2%，在2%时增大了40.7%，在5%时弯曲强度增大了92.3%。这说明，在多巴胺改性PCL纤维能够更大程度上提高掺锶磷酸钙骨水泥弯曲强度。

2.2.3.3 PCL纤维增强掺锶磷酸钙骨水泥的弹性模量。在试样上某一方向施加一个恒定的压力，使试样产生形变，根据应力与应变算出弹性模量[13]。测得弹性模量数据，制得图5。

图5 PCL纤维增强后掺锶磷酸钙骨水泥的弹性模量

图5中，在PCL纤维增强之后，掺锶磷酸钙骨水泥的弹性模量反而下降了，这是因为在PCL纤维增强之后，由于PCL纤维的疏水性，PCL纤维与掺锶磷酸钙骨水泥之间有空隙，这反而降低了试样的弹性模量。并且随着纤维量的增加，弹性模量表现为无规状态，这是由于PCL纤维为韧性材料，因此，弹性模量的变化不与纤维量的增加成正比。

图6 多巴胺增强PCL纤维弹性模量

观察图6，可以看出在多巴胺改性之后，PCL纤维增强时掺锶磷酸钙骨水泥的弹性模量会大幅增加。这是因为多巴胺的粘附作用使得PCL纤维和掺锶磷酸钙骨水泥基体间的空隙变得很少，PCL纤维与掺锶磷酸钙骨水泥基体间的结合更加的紧密。对比未改性PCL纤维增强掺锶磷酸钙骨水泥和多巴胺改性PCL纤维增强掺锶磷酸钙骨水泥的弹性模量，在1%，2%，5%时，弹性模量分别增加了172%，78.5%和139.1%，这是因为多巴胺对纤维改性之后，纤维表面具有一定的亲水性，从而纤维与骨水泥之间的结合更加紧密。但是随着纤维量的增加，弹性模量同样没有规律的变化。

2.2.3.4 PCL纤维增强掺锶磷酸钙骨水泥的断裂功。断裂功是材料在断裂破坏过程中，由于裂纹传播而形成新的单位面积需要的能量。它是衡量材料抗应力破坏的重要标准，也是骨材料力学性能的重要参数[14]。因为在骨材料临床使用中，会受到磕碰以及冲撞，骨材料很有可能会产生断裂或者产生碎片，这对于植入骨材料的病患是非常不利的。而且，掺锶磷酸钙骨水泥本身脆性较大，是它的一个主要缺点。如果能够使其韧性更好，会大大拓展它的应用前景。

在PCL纤维增强骨水泥复合材料中，界面结合方式主要是机械结合，这取决于纤维的表面粗糙度；当骨水泥填充纤维表面的缺损沟槽等物理缺陷时，两者能够进行嵌合，使得结合作用加强。

图7显示的是为改性PCL纤维增强掺锶磷酸钙骨水泥的断裂功。在加入纤维增强之后材料的断裂功上升，而且随着PCL纤维含量的增多，断裂功会大幅增加。如，在PCL纤维组分含量由1%增加到2%时，断裂功增加了138.9%。这是因为，在纤维加入之后，断裂实验时纤维会承受的载荷，能够分散基体的受力。从而提高断裂功。而当纤维继续增加时，这种分散作用就越发明显，承重的纤维也会越来越多，从而样品的断裂功会大幅度上升。

图8 多巴胺改性PCL纤维增强掺锶磷酸钙骨水泥断裂功

图8显示了多巴胺改性PCL纤维对于骨水泥断裂功的增强作用。与上图相似，在加入了纤维增强之后，骨水泥的断裂功逐渐提高。这也是由于PCL纤维对于骨水泥受到的力有分散作用，提高了断裂功。同期对比相同含量下，多巴胺改性之后骨水泥的断裂功都提高了一倍左右。因为多巴胺改性使纤维与基体之间更加紧密，裂纹更加不容易扩散，材料的断裂功会更大。

3 结语

经过数据的对比研究，发现改性纤维增强的骨水泥凝固时间更短，力学强度更高，在一定条件下改善了传统磷酸钙骨水泥的缺点。同时又继承传统CPC的良好操作性、自固化性及骨传导性等良好性能。本实验的重要性在于：实验过程及数据的积累为后期实验提供了可靠依据。但本实验并未涉及生物相容性实验，还有待于进一步的研究及开发。

特别致谢：在实验课题的遴选、实验测试、论文撰写的每个阶段，得到了四川大学高分子科学与工程学院余喜讯副教授、硕士研究生黄程程的悉心指导，在此谨向他们表示衷心的感谢！

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R318.08

A

1671-0037（2014）11-100-4

闫岩（1992.7-），男，在读本科。