硅酸钙类骨水泥改性研究进展_李雨晴.pdf

第 40 卷第 3 期 精 细 化 工 Vol.40,No.3 2023 年 3 月 FINE CHEMICALS Mar.2023 收稿日期：2022-07-19;定用日期：2022-10-31;DOI:10.13550/j.jxhg.20220680 基金项目：河南省科技攻关项目（222102310112，222102320028）；河南省高校基本科研业务费专项资金项目（SFRF180311）作者简介：李雨晴（1998），女，硕士生，E-mail：。联系人：廖建国（1975），男，副教授，E-mail：。硅酸钙类骨水泥改性研究进展 李雨晴，廖建国*（河南理工大学 材料科学与工程学院，河南 焦作 454000）摘要：硅酸钙类骨水泥材料具有良好的自固化性能，能够作为硬组织修复材料对缺损的骨和牙进行填充和修复，但是由于其力学性能不足、固化时间长等缺点限制了其在临床上的应用范围。该文主要综述了硅酸钙粉体的制备方法及硅酸钙类骨水泥的力学强度、凝结时间、可注射性、降解及生物相容性等，并提出今后的研究重点是利用各体系骨水泥间的性能互补关系，将硅酸钙类骨水泥与其他体系骨水泥进行交叉复合，有望获得综合性能优良的无机复合骨水泥。关键词：硅酸钙骨水泥；生物活性；降解性能；硅酸二钙；硅酸三钙 中图分类号：R318.08 文献标识码：A 文章编号：1003-5214(2023)03-0478-10 Research progress on modification of calcium silicate bone cement LI Yuqing,LIAO Jianguo*（School of Materials Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,Henan,China）Abstract:Calcium silicate bone cement materials are suitable for hard tissue repair to fill and repair the bone and teeth defects due to their good self-curing properties.However,their clinical applications are limited by their low mechanical properties,long curing time and other shortcomings.In this review,the preparation methods of calcium silicate powder as well as the mechanical strength,setting time,injectability,degradation and biocompatibility of calcium silicate bone cement were discussed.Moreover,It was suggested that future research directions should focus on synthesis of inorganic composite bone cement with excellent comprehensive properties by cross-coupling calcium silicate cement with cement of other systems based on their complementary performances.Key words:calcium silicate bone cement;bioactivity;degradation property;dicalcium silicate;tricalcium silicate 由于先天性畸形、骨肿瘤、关节炎及交通事故等引起的骨骼类疾病逐年增加，每年使用骨移植物或骨替代材料进行的骨伤治疗超过 400 万次，骨成为全球第二大最常移植的组织1。临床上常用的移植材料分为两类：一类是自然骨组织移植材料，包括自体骨、同种异体骨和异种骨移植材料；另一类是人工合成骨修复材料2。由于自然骨组织移植材料存在来源有限、免疫排斥、病毒传播、医学伦理等问题3，为了取得更好的疗效和性能，人工合成骨修复材料得到学者的广泛关注。由于临床上绝大多数骨缺损、骨缺失是不规则的，定型的修复材料不易与周围组织紧密接触，从而影响修复效果。因此，集成型与修复一体化的医用骨水泥是广泛应用的骨修复材料之一。然而，临床上常用的有机骨水泥，如聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥与人体骨间为非骨性结合，聚合时放出大量的热会杀死周围正常细胞，聚合过程残留的单体还会引起骨坏死4。无机骨水泥虽是活性替代材料，但也存在各自的缺陷，如：硫酸钙骨水泥具有良好的组织相容性，并在一定程度上能够刺激成骨细胞增殖分化，但在体内降解速度过快5；磷酸钙骨水泥（CPC）力学性能不高的缺点严重限制了其临床应用范围，同时，CPC 还存 综论 第 3 期 李雨晴，等:硅酸钙类骨水泥改性研究进展 479 在降解速度较慢的问题6-9；磷酸镁骨水泥（MPC）力学性能优良，但抗水性能差，在有渗血的情况下，其凝结固化慢，与自体骨的粘结强度低，也只能用于松质骨的粘结固定10-12。研究发现，硅能增进型胶原表达，促进胞外信号调节蛋白激酶分泌，适当浓度的硅可以抑制破骨细胞的生成，增强成骨细胞的体外活性13，促进成骨细胞分化和血管生成14-17，加速新骨沉积18-20。基于 H2SiO42释放和诱导羟基磷灰石（HA）快速的形成能力21-22，及在体内能更好地促进骨重建23，硅酸盐类材料在骨修复材料领域扮演了一个重要角色。常江教授课题组24-26研究表明，纯硅酸二钙（缩写为 C2S）和硅酸三钙（缩写为 C3S）粉体发生水化反应固化后，固化体具有诱导 HA 沉积的能力，形成的 HA 结构与人体骨骼中纳米 HA 相似。近年来，硅酸盐生物活性陶瓷和骨水泥被认为是比磷酸钙基材料更好的生物活性材料，研究者对其应用于骨替代材料的前景表现出了极大兴趣23,27。美国食品和药品管理局推荐用于口腔根管治疗的三氧化矿物凝聚体（MTA），由 C2S、C3S、铝酸三钙（缩写为 C3A）、铁铝酸四钙（缩写为 C4AF）（质量分数约 75%）以及氧化铋（质量分数约 20%）和石膏（质量分数约5%）等多种物质组成28，这种材料具有良好的自固化性能，与水调和后能够在 4 h 完全固化，pH 由 10.2上升到 12.5，并具有优良的密封性、抗菌性、生物相容性，在牙髓治疗中，与其他药物相比具有更好的生物相容性、密封性和更小的细胞毒性。SUN 等29设计了一种含有 C2S 和 C3S 的根管治疗材料，与市售材料相比具有更好的促成骨分化性能，极大改善了临床应用中材料反复暴露于空气中使保质期缩短的问题。然而，硅酸盐材料也存在固化时间长和早期力学强度低的问题，限制其实际应用；此外，硅酸盐材料降解缓慢的缺陷可能降低骨传导性，也使其在骨科临床使用上受到限制30-32。本文综述了近年来硅酸钙类骨水泥（CSC）的制备、改性及生物相容性等方面研究和应用进展。1 硅酸钙粉体的制备方法 1.1 固相反应法 固相反应法是以 CaCO3或 CaO 和 SiO2为原料，按不同 Ca/Si 物质的量比混合均匀，在高温炉中煅烧得到。由于固相反应难以进行，所以煅烧温度较高，需要反复煅烧和长时间保温，并且得到的产物不纯33。为了使得到的硅酸钙晶型能稳定存在，需在反应过程中加入稳定剂。林青34制备了不同 CaF2掺量的 C3S，结果表明，CaF2在煅烧过程中可促进CaCO3的分解，并能形成低共熔物，促进 C3S 的形成；在急冷过程中，CaF2抑制 C3S 晶型转变和分解，使得到的 C3S 纯度较高，且掺入 CaF2的 C3S 块状样品在模拟体液（SBF）中浸泡 1 d，样品表面已诱导HA 生成，而未掺 CaF2的 C3S 块状样品在 SBF 中浸泡 3 d 表面才出现 HA，因此，CaF2掺入可提高 C3S的生物活性。固相反应法由于反应温度高达 1400，且需要长时间保温和反复煅烧，而最终获得的产物纯度不高，在硅酸钙类骨水泥制备中应用很少。1.2 溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法是合成纯硅酸钙类粉体常用方法之一，其主要制备过程是将硝酸钙Ca(NO3)2与正硅酸四乙酯（TEOS）分别用作 CaO 和 SiO2的前驱体，HNO3作为催化剂，醇水混合溶液用作溶剂35，在室温下，将一定量 HNO3加入到 TEOS 溶液中使溶液 pH 保持在 13，搅拌一段时间后，再加入Ca(NO3)2溶液，继续搅拌至出现溶胶，在 6080 下陈化反应 48 h 后得到凝胶，将得到的凝胶干燥后在高温炉 8001450 下煅烧 4 h，粉磨后得到粉体。根据初始 Ca(NO3)2和 TEOS 物质的量的不同，可得到硅酸钙类 C3S、C2S、硅酸一钙（CS）粉末36-38。TEOS 作为一种常用的硅前体，在中性溶液中水解速度非常慢，凝胶化过程中需要添加酸（如HNO3）或碱（如 NH3H2O）作为催化剂39-41。溶胶-凝胶法制备的硅酸钙盐颗粒，具有均匀性较高和成分可控的特点42-43；另外，溶胶-凝胶法的煅烧时间低于固相反应法，反应条件要求较低，且得到的产物纯度更高、结构更稳定，但反应时间较长，通常需要 34 d，且凝胶在热处理过程中会逸出气体（CO2、H2O、NO2等），并产生收缩。1.3 化学共沉淀法 化学沉淀法是将 Na2SiO3水溶液与 Ca(NO3)2水溶液按不同的 Ca/Si 物质的量比投料后在室温下反应，将得到的沉淀物过滤后分别用去离子水和无水乙醇洗涤，烘干，于 8001450 煅烧后粉磨过筛，得到硅酸钙类颗粒44。ZHAO 等44分别采用两步沉淀法和溶胶-凝胶法制备了 C3S 粉体，其 SEM 图如图 1 所示，沉淀法得到的 C3S 粉体尺寸为 110 m；溶胶-凝胶法制备出的 C3S 粉体尺寸为 1030 m。MORSY 等45采用化学共沉淀法合成了尺寸小于 1.0 m 的 CS 粉和羟基磷灰石/硅酸钙（HA/CS）复合粉。SOLONENKO等46合 成 的 弱 结 晶 羟 基 磷 灰 石/水 合 硅 酸 钙（HA/CSH）复合颗粒，直径为 3200 m，弱结晶的 HA/CSH 具有更高的化学反应活性。与固相反应法和溶胶-凝胶法相比，化学沉淀法混合更加均匀，制备时间更短。480 精 细 化 工 FINE CHEMICALS 第 40 卷 a、b沉淀法；c、d溶胶-凝胶法 图 1 硅酸钙粉体的 SEM 图44 Fig.1 SEM images of calcium silicate powder44 1.4 水热法 通过温度和压力的协同作用，采用水热合成法能在较短时间内获得超细、高纯度的粉体，可以避免溶胶-凝胶法会产生有害气体的缺陷。SINGH 等47-48在温度为 205215、压力为 1719 MPa、Ca/Si物质的量之比为 2.0 的条件下，通过水热反应制备了 CSH 粉体，然后将 CSH 粉体在 900 下煅烧分解得到高反应活性的-Ca2SiO4（缩写为-C2S），28 d抗压强度达到 35 MPa，而使用 B2O3作为稳定剂在1450 下制备的-C2S 的抗压强度在 28 d 只有5 MPa48，所以，水热法制备的-C2S 具有更高的抗压强度。HO 等49在不使用乙醇和酸性介质的条件下，采用水热法合成了 CS 粉体，以水为溶剂，将 TEOS和 HNO3混合，在烘箱中 120 加热 24 h，随后在高温炉中 800 煅烧 2 h，冷却至室温后研磨成粉末，并将其与水调和成骨水泥。DING 等50通过一种简单的压力-水热法制备了硅酸钙-明胶（CS-Gel）复合材料。首先采用溶胶-凝胶法制备出 CS 粉末，后