提高磷酸钙骨水泥抗压强度的方法及相关机理

抗压强度是评价骨填充材料性能优劣的主要因素之一。作为骨填充材料的磷酸钙骨水泥(CPC),较低的抗压强度限制了其应用。为拓展CPC的应用范围,研究者们采用多种方法提高其抗压强度,如增强CPC颗粒之间的键接,改变晶体微观形貌、结晶度、孔隙率、孔隙特征等。就各种提高CPC抗压强度的方法及相关机理进行综述。     

载有杜仲叶提取物CPC材料的研究

本文利用杜仲对成骨的有利作用，采用浸提法将杜仲叶水溶性提取物载入到磷酸钙骨水泥（CPC）中，旨在通过CPC协同形成高效骨修复材料。用XRD和FTIR检测了其理化特性，同时也测量含杜仲叶提取物CPC的抗压强度、水中溶解度和pH值。实验结果显示杜仲叶提取物载入对CPC固化时间、抗压强度和pH值变化、相组成均无明显影响，这些反映了杜仲叶提取物的载入对CPC的理化特性无明显影响。     

氧化石墨烯对磷酸钙骨水泥的水化行为的影响

将氧化石墨烯(GO)分散液作为固化液,研究了该固化液对磷酸钙骨水泥(CPC)的水化行为的影响。利用维卡仪、万能压力试验机和热导式等温量热仪等研究了GO浓度对CPC骨水泥的凝结时间、抗压强度和水化行为的影响。利用X射线衍射和扫描电子显微镜等技术研究了GO浓度对CPC骨水泥固化体的晶相组成和断面形貌的影响。研究结果表明,固化液中加入GO,对骨水泥的断面形貌和水化产物均有影响,同时可以使CPC骨水泥的凝结时间由(36±4)min大幅度延长到(67±2)min,抗压强度由(20.1±1.7)MPa增加到(25.6±2.7)MPa。     

纳米晶体纤维素增强磷酸钙骨水泥的研究

本研究探索具有良好力学性能的纳米晶体纤维素(NCC)对磷酸钙骨水泥(CPC)抗压强度的影响。采用万能力学试验机、Gilmore双针、X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱仪(XPS)表征含不同NCC的CPC理化性能; 利用扫描电子显微镜(SEM)和荧光显微镜观察CPC断面形貌和荧光标记的NCC在CPC中的分散。抗压强度结果表明: NCC能显著提高CPC的抗压强度, 且2% NCC-CPC的抗压强度最高, 约为27 MPa; CPC的凝固时间随NCC含量的增加而延长, 含量为2%时基本符合临床要求; XRD和XPS结果显示NCC与Ca²⁺形成不稳定的配合物, 促进了CPC中二水磷酸氢钙(DCPD)和CaCO₃的溶解和转化; SEM观察结果显示加入NCC使CPC内部结构更致密, 孔隙和裂纹减少; 荧光显微观察结果表明NCC在CPC中均匀分散。     

基于介孔硼硅酸盐生物活性玻璃微球的可注射复合骨水泥

以溶胶-凝胶法制备的介孔硼硅酸盐生物活性玻璃微球(MBGS)作为固相, 海藻酸钠(SA)溶液作为液相,开发了一种可注射复合骨水泥。对MBGS中氧化硼/氧化硅的比例对其质构性能及骨水泥的可操作性、抗压强度和生物活性的影响进行表征。实验结果表明, 随着硼含量的增加, MBGS的比表面积从161.71 m²/g增大至214.28 m²/g, 平均孔径以及总孔容也随之增长, 加速了玻璃相中钙离子的释放, 使得玻璃与SA的快速交联, 改善了骨水泥可操作性能和力学性能, 凝固时间由21 min缩短至9 min, 抗压强度由3.4 MPa提升至4.1 MPa, 体外矿化性能也随之提高。综合各方面性能表现, BC-30骨水泥兼具良好的可操作性能、力学性能和体外矿化能力, 是最合适的骨水泥组分。总之, 提高MBGS的质构性能是增强复合骨水泥的可操作性、抗压强度和生物活性的有效方法。     

丝素纤维强化磷酸钙骨水泥的性能

采用在磷酸钙骨水泥(CPC)中掺入丝素纤维(SFF)来强化CPC。用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)研究材料的结构,用ISO水泥标准维卡仪测定CPC的凝固时间,用扫描电镜(SEM)观察材料的表面形态,在Instron上测定样品的力学性能。结果表明,CPC中的磷酸三钙和磷酸氢钙在固化过程中基本上转化为羟基磷灰石,SFF的加入加快了磷酸氢钙的转化。CPC的凝固时间随着掺入SFF含量的增加而缩短;弯曲强度和弯曲断裂功均随着SFF含量的增加而增加,尤其弯曲断裂功增加显著,但当SFF含量大于1.5%,两者均随着SFF含量的增加而所下降,但均比纯CPC的高;在CPC中加入1.5%的SFF,压缩强度和压缩断裂功均明显比纯CPC的高。     

可注射磷酸钙骨水泥的研究进展

可注射磷酸钙骨水泥以其良好的生物相容性、骨传导性和可降解性等优点被广泛应用于临床的骨替换和修复等领域。综述了磷酸钙骨水泥(CPC)注射性能的评价指标,提出了评价CPC注射性能的有效方法,讨论了骨水泥的注射体系、制备方法和组成等对CPC注射性能的改进措施,并在此基础上探讨了CPC存在的问题及对策。     

磷酸钙/BMP复合生物活性骨水泥水化性能及诱导成骨特性研究

采用微细α-磷酸三钙(α-TCP)粉料、辅助料与冻干牛骨形态发生蛋白(BMP)预先固相混合制备了新型磷酸钙(CPC)/BMP复合生物骨水泥.通过水化、凝固性能研究优化了配料成分、调和液和促凝剂组成;通过大鼠肌袋种植实验研究了骨水泥的异位成骨性能.结果表明:以α-TCP:CaHPO₄:CaO(0.95:0.025:0.025)为固相配料,以0.25mol/LNaH₂PO₄/Na₂HPO₄混合液([P]_T=0.5mol/L)作为调合液可制备性能优异的骨水泥材料,骨水泥初凝时间为6min,终凝时间为30min,固化强度达33MPa,达到临床手术的要求;α-TCP粉料粒度对骨水泥凝固性能影响显著,实验选用α-TCP粉料粒径d₅₀为1.3μm;骨水泥在Hank’s溶液中浸泡5天抗压强度可达最大值;骨水泥块经浸泡后内部生成针状羟基磷灰石晶体的网状结构.新型CPC/BMP复合骨水泥异位成骨作用明显,4周即能快速形成板层骨结构,证明该新型复合材料具有较强的诱导成骨活性.该生物活性骨水泥复合材料可望成为一类新型组织工程骨修复材料.     

磷酸钙骨水泥理化性能改进的研究进展

磷酸钙骨水泥(CPC)作为骨修复材料近年来已在临床广泛应用,但因材料特性使其在应用时存在某些缺陷,需要加以改进。在本文中,我们综合评述了目前对CPC在调整固化时间,增加机械强度,提高生物降解性三方面所作出的理化性能改进的研究,并且阐述了以CPC为载体与药物、生长因子等构建复合物,以更好修复骨缺损的实验研究进展。     

原料粒度对磷酸钙骨水泥性能的影响

以等质量的部分结晶磷酸钙(PCCP)和磷酸氢钙(DCPA)的混合物组成的磷酸钙骨水泥(CPC)粉体作为研究对象,采用单因素实验,研究了PCCP和DCPA粒度变化对骨水泥抗压强度、孔隙率、凝结时间、水化产物物相组成和结晶形貌的影响.结果发现:在0.4的液固比下,固定PCCP的粒度,减小DCPA的粒径,骨水泥的抗压强度呈先升高后减小的趋势,存在一最大值为34.6MPa;而PCCP的粒度变化对骨水泥性能的影响较大,随着PCCP粒径的减小,所需调和液的比例增到0.5,抗压强度也存在一最大值为19.7MPa.而孔隙率随这两种原料粒度变化的规律都与强度的变化规律相反,随原料粒径的减小,均存在一最小值.DCPA的粒度变化对骨水泥的凝结时间影响不大;而随PCCP颗粒粒径的减小,骨水泥的凝结时间变短.所生成的水化产物都为弱结晶的羟基磷灰石(HA),但当DCPA颗粒较粗时,固化体中有微量的DCPA残余;而当PCCP颗粒过细时,固化体中有较多的DCPA残余.     

骨水泥性能的试验评定

依据ISO 5833∶2002《外科植入物--丙烯酸类树脂骨水泥》[1], 测定了6种品牌(国产和进口)骨水泥的全部性能.结果表明,4种品牌骨水泥达到标准要求,两种品牌骨水泥未达到标准要求.所有受试骨水泥的外观、液体组分稳定性、平均最高温度、平均挤入度以及固化后的平均抗压强度、平均弯曲模量及平均抗弯强度均符合标准要求.C种品牌的液体组分精度和粉体组分精度不符合标准要求.B种品牌骨水泥的平均面团时间和平均凝固时间不符合标准要求.     

磷酸钙骨粘合剂的研究

在柠檬酸中添加壳聚糖配成的固化液与磷酸钙骨水泥(CPC)调和制备的骨修复材料具有类似口香糖的胶状特性, 可应用于碎骨粘结, 称之为磷酸钙骨粘合剂(CPCBA)。本研究考察了柠檬酸的含量对抗压强度、固化时间、水化产物和粘结强度的影响, 同时对该体系进行了初步的体外生物学评价。结果显示, 加入柠檬酸可以缩短固化时间并且时间可以通过柠檬酸的含量进行调控, 同时也改善了抗水性能。壳聚糖可以与骨水泥中的钙离子发生螯合作用, 可以增加界面的粘结强度。小鼠原成骨细胞(MC3T3-E1)在其表面粘附良好, 该体系骨水泥有望取代PMMA成为新的骨粘结剂。     

羟基磷灰石纳米晶种原位增强磷酸钙骨水泥

将三种不同形貌的羟基磷灰石晶种添加到磷酸钙骨水泥中，研究了HA晶种形貌对CPC增强效果的影响。结果发现：晶种的形貌对CPC水化产物晶相没有明显影响；对CPC的抗压强度影响明显，具体为：大尺寸的HA晶种能更好地起到增强效果，添加3wt％时其抗压强度由初始的9．0MPa增加到36．9MPa，增幅达310％，最佳晶种添加量为2～4wt％。     

骨碎补载入对磷酸钙骨水泥性能的影响及体外生物学评价

通过在湿法合成的二水磷酸氢钙膏体中加入中药骨碎补的提取物, 作为磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement,CPC)原料之一, 分别制备0、5wt%、10wt%和15wt%的载骨碎补磷酸钙骨水泥. 采用Gilmore针、X射线衍射仪、红外光谱仪、万能材料试验机、扫描电子显微镜和紫外分光光度计研究载骨碎补CPC的理化性能和药物释放; 体外培养MC-3T3成骨细胞, 进行Alamar Blue和碱性磷酸酶检测, 研究载骨碎补CPC对成骨细胞增殖和分化的影响, 扫描电子显微镜观察细胞形貌. 结果表明: 随骨碎补浓度的增加, CPC凝结时间明显延长, 其抗压强度显著提高; 骨碎补促进初期CPC的水化, 却阻碍了α-磷酸三钙的转化, 且随骨碎补浓度增大作用愈明显, 骨碎补不影响CPC水化后的相成分; 含骨碎补CPC的微观形貌中出现片状和针状晶体, 结构较空白CPC更加致密; 药物释放分为突释和缓释两个阶段, 符合Higuchi基质扩散释放模型; 载骨碎补CPC对成骨细胞的作用呈剂量和时间依赖关系, 培养5d时浓度为5wt%和10wt%的CPC较明显地促进细胞增殖, 7d时载骨碎补CPC的细胞增殖较稳定, 细胞分化能力无显著性差异; 成骨细胞在载骨碎补CPC表面生长形态良好, 表明该材料具有较好的生物相容性.     

新型钇-羟基磷灰石骨水泥的制备及性能研究

利用高温固相法合成了掺钇的磷酸四钙,将其与无水磷酸氢钙以物质的量比1∶1混合制备了钇-羟基磷灰石骨水泥(Y-HAC)。结果表明:少量钇的掺入不会改变骨水泥的水化产物,骨水泥能正常水化,水化产物为弱结晶羟基磷灰石。与纯羟基磷灰石骨水泥(HAC)相比,Y-HAC的湿态抗压强度提高了120%,干态抗压强度提高了85%。同时,钇的掺入还提高了材料的孔隙率。Y-HAC的微观结构呈现紧密结合的片状羟基磷灰石结晶体。体外释放实验表明,钇的释放量极低,说明钇-羟基磷灰石骨水泥具有较好的稳定性。Y-HAC是一种很有前途的骨组织修复材料,并可用于载药材料和骨组织工程支架材料。     

硫酸钙/磷酸三钙可控骨水泥的制备及性能研究

研究中,α-磷酸三钙(α-tricalcium phosphate,α-TCP)分别以0,5%,10%,15%,20%,25%的比例与α-半水硫酸钙(α-calcium sulfate hemihydrate,α-CSH)进行复合;分别以0.9%NaCl溶液、2.5%Na_2HPO_4溶液、7%柠檬酸(citric acid,CA)溶液以及2.5%Na_2HPO_4和7%CA(2.5%Na_2HPO_4/7%CA)混合溶液为4种固化液与固体粉末进行复合;对硫酸钙/磷酸三钙骨水泥(α-CSH/α-TCP)的可控性进行研究。实验对复合材料进行扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)观察、X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)分析、固化时间、力学性能和降解性能测试。探讨了加入α-TCP含量的改变对以α-CSH为基体的骨水泥性能的影响;另外,在α-CSH和α-TCP的含量一定时,讨论固化液对α-CSH/α-TCP性能的影响。结果表明在硫酸钙基骨水泥中添加平均粒径为0.21μm的α-TCP后,α-CSH/α-TCP的降解性能相较于纯的α-CSH基骨水泥得到改善。随着α-TCP含量的增加,固化时间延长,力学性能呈现逐渐减弱的趋势;当α-TCP含量为15%时,Na_2HPO_4和CA的加入可以延长α-CSH/α-TCP的凝固时间,但是以Na_2HPO_4为固化液的复合材料抗压强度明显高于α-CSH/α-TCP与其它几种固化液的复合材料。α-TCP的添加,以及不同的固化液在一定程度可对复合骨水泥的力学性能、凝固时间和降解速率进行调节,为骨修复材料的临床应用提供实验依据。     

不同碳纳米管/羟基磷灰石复合粉末的添加对磷酸钙骨水泥性能和结构的影响

采用物理共混法(PB)、化学共沉积法(CC)和仿生浸泡法(BI)合成了多壁碳纳米管/羟基磷灰石复合粉(MWNTs/HA), 并将其作为磷酸钙骨水泥(CPC)的固相粉末之一, 分别制备了相应的CPC样品。由于MWNTs对液相中水分子的吸附、毛细管作用以及表面存在较多的亲水基团, 使得含有MWNTs的CPC样品的亲水性得以提高, 且初凝时间和终凝时间都有所缩短, 但仍满足临床应用的要求。由于CPC中的MWNTs/HA复合粉末的合成方式不同, 使之对CPC的抗压性能、CPC中HA的结晶性、微观形貌影响均较大, 但并不影响CPC的晶相组成。其中PB法所合成的MWNTs/HA复合粉末能促进CPC中纳米级HA晶体的转化和生长, 使针状HA含量的表现为最高, 且抗压力学性能为最好, 其抗压强度和弹性模量分别较空白CPC提高了48.23%和41.87%。     

可注射磷酸钙骨水泥复合材料研究进展

研制既具有多孔结构又具有足够力学强度的磷酸钙骨水泥材料是当前骨修复材料研究的热点之一。报道了研制的磷酸钙骨水泥复合材料,在植入初期具有较高的力学强度,植入后可渐渐降解成孔,为骨修复材料的研究提供了新的方法和途径。磷酸钙骨水泥复合材料以磷酸钙骨水泥为基体,在基体中加入具有生物降解性的微球形成复合材料,保证了复合材料植入初期有足够力学强度为新生组织提供支撑,防止自身的坍塌,而具有生物降解性微球的降解速度比磷酸钙骨水泥的固化体快,随着微球的降解在磷酸钙骨水泥基体中就会产生很多三维孔隙,利于细胞粘附生长,血管和神经长入,以及营养成分的渗入和代谢产物排出。这种结构设计使可体内降解成孔的磷酸钙骨水泥既具有足够力学强度又具有多孔结构,还可以通过改变不同材料的比例来调节复合材料的初始力学强度和降解速度。目前已研制成功了壳聚糖微球/磷酸钙骨水泥复合材料、聚羟基丁酸—戊酸酯(PHBV)/磷酸钙骨水泥复合材料,其凝固时间为10～15min,抗压强度达到30～40MPa,孔隙率70%～80%,孔径分布为100～300μm,并对复合材料的降解性、细胞相容性和动物体内植入试验进行了研究,表明所研制的材料具有良好的生物相容性,可降解性和成...     

多孔磷酸钙骨水泥组织工程支架的高分子灌注增强

利用棒状谷氨酸钠晶体作为造孔粒子,采用可溶盐造孔法,制备了三维连通的大孔径多孔磷酸钙骨水泥支架,分别将明胶(Gelatin) 、聚乳酸2羟基乙酸共聚物(PLGA) 、聚乳酸(PLA) 、聚己内酯(PCL) 、聚羟基丁酸戊酸酯(PHBV)灌注到多孔磷酸钙骨水泥(CPC)支架的孔隙中以改善支架材料的力学性能。结果表明,5 种高分子材料与水的接触角大小顺序为PHBV > PCL > PLA > PL GA > Gelatin , 复合支架材料的强度随高分子材料与水接触角的减小而增大;除PHBV外,其余4种均有明显的增强效果,其中Gelatin/CPC复合支架增强效果最好,强度达到2. 25 MPa±0. 02 MPa ,是CPC支架强度的25倍。经过增强的大孔径多孔磷酸钙骨水泥复合支架可用作骨组织工程支架材料。      

磷酸钙骨水泥机械性能的研究

目前,磷酸钙骨水泥(CPC)的脆性大、强度低限制了其在很多承受应力部位或骨质薄弱部位的应用,提高骨水泥的机械性能是扩展骨水泥应用范围的重要方面.分别从CPC固体粉末的组成、原料的粒度、液固比与孔隙率、羟基磷灰石晶种的加入、固化液组成、有机无机复合、纤维增强等方面来综述提高骨水泥强度的研究.