第一章绪论.docx
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第一章绪论
1.1骨修复材料
骨修复材料是指能够替补或修复人体硬组织的生物材料，广泛应用于骨外科、整型外科及牙科领域。
长久以来，人体器官和组织往往因为炎症、肿瘤、受伤、老化或先天畸形等损伤或缺损，丧失原来的功能，给患者的正常生活带来了极大的不便[2]，我国更是生物材料需求的大国，775万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者需要大量的骨修复材料[3]。
因此，骨修复材料的研究已经成为我国乃至世界生物材料研究领域的一个非常活跃的课题。
对于理想的骨修复材料首先应具备的特点有[4]：
（1）生物相容性：
可与骨直接进行化学结合，不阻止骨细胞在其表面的正常活性或干扰其周围骨细胞的自然再生过程，对骨组织的分解吸收具有传导性。
（2）力学性能：
非承重骨部位以小梁骨为准，抗压强度应大于5Mpa，而承重骨则应达到89~164MPa。
（3）生物降解性：
在一定时间内被宿主骨替代，不影响骨组织的修复，无毒副作用。
（4）诱导再生性：
通过自身或添加骨诱导因素，刺激或诱导骨骼生长。
近几十年来，经过各国科学家的共同努力，已经成功的制备了多种人工骨修复材料。
其中不锈钢、钛合金等金属材料，是传统的骨修复材料，具有悠久的历史，早在2300年前的古罗马就有使用黄金作为牙齿的修复材料。
它们具有良好的力学性能，例如常见的316L不锈钢材料的屈服强度就能达到300Mpa以上[4]，而人体股骨的抗压强度仅为143Mpa，因此金属材料能够轻易满足骨修复材料的力学需求，但是其生物形容性较差，而且在体液的长期作用下会致使金属离子溶出，从而导致细胞产生毒性反应。
为了克服这一缺点，科学家们又发展了如Al2O3，ZrO2等陶瓷材料，这一类材料力学性能高、植入人体后不会发生腐蚀，性能稳定，但它们属于生物惰性材料，不具有生物降解性和诱导再生性，而且它们加工困难，需要预先烧结成型，使材料难以与需修复的缺损部位很好地吻合，从而限制了它们的发展。
目前，在骨修复材料领域，能够任意塑性并自行固化的生物骨水泥已经成为生物医学工程研究的重要内容，与陶瓷材料相比，这种骨水泥材料的使用则更为简单方便，将其固相与固相调和液混合后，骨水泥能够自行凝固硬化并且具有一定的强度，具有良好的可塑性能，能够根据骨缺损的形状即时塑性，与骨缺陷外形适应性强，适合临床操作要求，是一种具有良好发展前景的骨修复材料。
1.2生物骨水泥简介
生物骨水泥是由白色粉末和无色带刺激气味的液体两部分制剂组成，使用时，只要按一定比例，将它们倒在一起调和，即可在室温下发生聚合反应。
开始像砂浆，进而如同稀粥，接着变成面团一样，可以揉捏、挤压成任意形状，最后逐步固化，整个过程只有十几分钟。
医生在其硬化前，将它置于准备更换关节的部位，随即安上人工关节。
等到反应结束，局部温度稍微升高。
摸上去有些发烫。
此时，与优质建筑水泥同样坚固的骨水泥便成功地将人工关节与人体骨骼镶嵌，并牢牢地固定了。
手术后经过短期康复，换上的关节即可发挥作用。
如为人工髋关节置换，这时便可下地行走。
这种固定相当牢靠，可保持十几年，乃至二十几年。
目前常见的骨水泥主要有聚甲基丙烯酸甲脂骨水泥（PMMA）、磷酸钙系骨水泥（CPC）和磷酸镁系骨水泥（MPC）三大类，其性能对比见表1-1，从中可以看出不同类型的骨水泥具有不同的性质特点。
表1-1不同生物骨水泥材料各性能对比
骨水泥种类
聚甲基丙烯酸甲酯
磷酸钙系骨水泥
磷酸镁系骨水泥
固化反应
化学聚合反应
过饱和结晶
酸碱中和反应
反应放热
高
较低
较低
强度
较高
较高
较低
毒性
释放有毒单体
无系统毒性
无系统毒性
局部组织反应
轻度炎症反应
术后发炎感染
无炎症及异物反应
可吸收性
不可吸收
很慢
可逐渐吸收
骨传导性
无
有
有
生物相容性
差
很好
良好
降解速度
很慢
很慢
较快
参考文献
[4，5]
[6，7]
[8，9]
1.2.1、聚甲基丙烯酸甲脂骨水泥：
PMMA最早于OttoRohm1902年合成，经过近30年的改进，于1936年开始工业化生产，最早将PMMA用于医学领域是1939年，当时仅用于颅骨缺损的填充，1949年Judet将PMMA用于人工髋关节的固定，并取得了一定的效果，但当时仅仅是临床上的一些尝试，直到1960年，英国人Charnlcy[5]首次成功的将自制的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥（PMMA）用于股骨头假体与股骨的固定，之后PMMA骨水泥就迅速成为骨修复材料研究的热点，在经过长期的临床实验后，PMMA成为了骨缺损手术中必不可少的修复材料。
PMMA骨水泥由两种成分合成，固体粉末主要由PMMA组成，为高聚物成分，液体主要由聚甲基丙烯酸甲脂（MMA）单体组成。
两种成分混合后，很快发生聚合反应，放出热量，混合后约10min固化，固化24h后抗压强度能达到80Mpa左右，可在手术现场聚合填充，使用方便，成型容易，对降低关节松动发挥了很大作用。
但是，PMMA的生物相容性较差，与骨组织不能直接结合，在两者间会产生纤维层，进而导致炎症；而且PMMA在聚合时会释放大量的热量，使局部温度达到80℃以上，对周围活组织造成严重的影响【】。
为克服这些缺点，研究人员对PMMA骨水泥进行了改进，虽然改善了某些性能，但其毕竟是生物惰性材料，也不具有降解性及骨诱导性，这限制了PMMA骨水泥的应用及其发展。
1.2.2磷酸钙系生物骨水泥：
磷酸钙生物骨胶（CalciumPhosphateCement，CPC），又称为羟基磷灰石水泥（HydroxyapatiteCement，HAC），是由E.Brown和L.Chow于20世纪80年代发明的，并在1985年取得美国专利，1991年已获得美国食品与药物管理局（FDA）批准用于临床。
它是由两种或两种以上磷酸钙粉末，加上调和剂，调成糊状注入修复部位，可根据缺损部位任意塑型，且能在人体内环境和温度下硬化，其成分最终转化为HA。
这种骨水泥可组合成与天然骨类似的组成，植入人体后可参加新陈代谢诱导骨组织生长，并具有生物降解性，能逐步修复重建骨组织，诸多优点，使CPC很快就取代了生物相容性差的PMMA骨水泥，成为骨修复材料领域研究的重点。
但是磷酸钙骨水泥自身的力学性能却是较差的，当前大多数CPC的抗压强度仅有20Mpa~40MPa左右，限制其只能用于骨缺损的填充、修复及某些受力较小的非承重骨替换.；另外CPC虽然具有生物降解性，但其降解速度较慢，一般术后需要8～48个月甚至更长的时间才能完全吸收。
目前对于CPC的研究，主要是通过改变固化液的组成、有机无机复合和纤维增强等方法，对其各个性能进行改性。
1.2.3磷酸镁系生物骨水泥：
继生物相容性差的聚甲基丙烯酸甲酯与力学性能低的磷酸钙生物骨水泥之后，具有良好生物相容性、生物降解性和力学性能的磷酸镁生物骨水泥，成为一种潜在的解决不稳定骨折治疗及人工关节假体粘结固定等问题的新型生物骨水泥材料而受到重视。
磷酸镁骨水泥（MagnesiumPhosphateCement，MPC），是由氧化镁与磷酸盐，按一定比例组成固相后，与液相（一般为蒸馏水、去离子水或受伤处血液等）混合而成，属于化学键结合的类陶瓷材料，与传统水泥材料相比MPC具有更加优良的力学性能，因此早期主人们要是将其作为结构材料进行应用和研究的：
早在1939年，就有人将其应用于铸造行业，但MPC材料凝胶时间太快，无法完成施工，从而应用领域及其有限；1983年，美国Brookhaven国家实验室开发出磷酸铵镁水泥，并对其水化产物、水化机理进行了研究；上世纪90年代，美国Argonne国家实验室采用磷酸二氢钾作为磷酸盐，制备出磷酸钾镁水泥，并成功的将其应用于放射性和有毒性废弃物的固化，以及冻土地区与地热地区深层油井的固化；同一时期，重庆建筑大学、武汉大学和同济大学等院校的学者，也将MPC作为快速修补材料，对其水化机理及性能改善等方面进行了一定的研究和讨论。
直到近些年，由于MPC骨水泥在人体内表现出优良的生物相容性及骨诱导性，才使得研究者们将MPC作为骨修复材料进行研究与应用。
到目前为止，已有大量研究对磷酸镁医用粘合剂的固化反应过程、生物学行为[等进行了表征：
如SeehraMsS.S.等采用死烧氧化镁、磷酸二氢氨作为原料，制备了磷酸镁粘合剂，并测量了7天强度达到47MPa；但由于采用磷酸二氢氨作为原料，在反应过程中会产生对人体有害的氨气，GemmaMestres等采用磷酸二氢钠、磷酸二氢钾代替磷酸二氢氨，制备出7天强度达到45MPa的磷酸镁粘合剂；在生物学行为方面，YonglinYu等分别采用艾姆斯试验、细胞微核实验及DNA非常规合成等手段说明磷酸镁医用粘合剂无致突变性、致畸变性且对DNA无损伤性；Hirano等也认为磷酸镁粘合剂的水化产物是人体结石的成分之一，具有良好的生物相容性；我国华东理工大学刘昌胜等人，从2000年开始，将MPC作为骨粘接材料，对其粘接性能、尤其是生物性能做了大量的研究，证明了MPC具有良好的粘接性能及生物相容性；此外，MPC在人体中会释放出Mg2+，而Mg2+在骨细胞的新陈代谢中有具有重要的作用，能够提高破骨细胞和成骨细胞的活跃性，这使得MPC还具有优良的骨诱导性。
这些研究结果表明，具有生物可降解吸收特性的磷酸镁医用粘合剂不仅具有良好的力学性能，而且对生物体是安全的。
诸多优良的性能，使得MPC材料有望广泛应用于不稳定骨折等修复治疗中，相信随着这种新型骨修复材料的开发，不仅会对生物材料的发展起到重大的意义，而且还会带来很大的社会效益和经济效益。
1.3磷酸镁生物骨水泥抗压强度的研究进展
对于骨水泥材料而言，抗压强度是其重要的性能之一，它是衡量骨水泥材料在人体内硬化后抗负载能力的指标，直接影响到骨水泥材料的应用。
表1-2为不同骨水泥材料及人体骨组织抗压强度的对比。
表1-2不同骨水泥及人体骨骼抗压强度对比
类型
抗压强度/MPa
试样尺寸
处理方式
参考文献
PMMA骨水泥
84
Φ6mm*12mm圆柱
国标ISO5833
1
78
CPC系骨水泥
28.3
Φ6mm*12mm圆柱
IOS5833养护12小时
5
47.6±2.4
ISO5833
养护24h
6
MPC骨水泥
50.6
20mm×20mm×20mm正方体
20±3℃，相对湿度50％环境下养护7天
8
46
Φ6mm*12mm圆柱
37℃养护。
7d
11
人体骨骼（承重骨）
89~164MPa
12
从中可以看出，MPC的抗压强度在骨水泥材料中是较为优异的，但却仍然没有达到人体承重骨的需求，是限制其应用与发展的一个主要问题。
目前对于MPC抗压强度的研究主要是从其原料粒度、液固比及固相比等方面进行的：
1.3.1液固比—液相体积（ml）与固相粉末质量（g）的比值
MPC体系中的固化液一般为蒸馏水、酸式磷酸盐或聚磷酸盐的稀溶液，它们一方面提供了反应的场所，一方面作为反应物参与MPC的水化反应。
Popovics采用磷酸二氢铵作为磷酸盐，研究了磷酸铵镁水泥不同水含量时各性能指标的情况，见表1-1。
从中可以看出，随着液固比的减小（含水量的减小），MPC的固化时间变短，除水含量为8.0%时24小时的抗压强度高于水含量为5.5%时24h的抗压强度以为，其余各个龄期MPC的抗压强度均随液固比的减小而显著增大。
由此可见，要获得较高的早期强度，应尽可能采用小的液固比，但最小液固比可能要受到浆体可操作性制约。
表1-1液固比对MPC性能的影响
Table1-1EffectofwaterpercentonthepropertyofMPC
Waterpercent
%
tset
min
σ0.2/MPa
1h
3h
24h
10
13.5
38.9
48.6
49.0
8.0
11.8
42.0
76.2
83.6
5.5
8.5
69.9
80.6
82.3
李鹏晓等【12】将MPC作为快速修补材料，以死烧氧化镁和磷酸二氢钾作为原料，并向其中添加了粉煤灰等工业废弃物，制备出磷酸钾镁水泥，并研究了水含量对MPC早期强度的影响，结果见1-1。
从中可以看出，磷酸镁水泥的抗压强度与一般水泥的水化规律一样，总体上也是随着液固比的增大而降低，即水含量越高，抗压强度越差。
李鹏晓等认为这主要是因为当水含量较多时，会导致MPC孔隙率增大，结构疏松，强度降低。
研究结果表明当水含量为0.18最为适量，若水含量过少则不能保证MPC的流动性及操作性。
加水量对MPC早期强度的影响
InfluenceofwatercontentonthestrengthofMPC
姜洪义等采用过烧氧化镁，磷酸二氢铵作为原料，并添加粉煤灰及缓凝剂，将MPC作为快速修补材料，研究了水化比对其抗压强度的影响，见表1-2。
结果表明，水灰比为0.1时，MPC的28天强度达到最大值。
按照理论，水灰比越小，MPC试块孔隙率越小，越密实，强度越大。
但在给定条件下，水灰比小于0.1时，MPC没有足够的流动性，因为不易于MPC制品密实，存在很多大的孔洞，则强度始终不能提高。
所以在制备磷酸镁水泥时，选择合理的用水量就显得极其重要。
表1-2W/C变化对MPC抗压强度的影响
W/C
抗压强度/MPa
3h
1d
3d
7d
28d
0.09
10.8
20.7
35.1
38.3
43.7
0.10
39.1
55.5
59.9
75.6
80.1
0.11
31.2
45.3
52.9
63.7
76.8
0.12
30.9
42.2
53.1
62.1
73.3
S.Pina等认为【18】水含量的增加使MPC孔隙率增加，从而使MPC抗压强度增加，最佳的水含量在0.3-0.34ml/g范围内。
ZhuDing【19】也认为水含量的增加使MPC内部形成了更多的气孔，从而导致MPC强度的降低，但其实验结果表面，最佳的水含量在0.16—0.21ml/g之间，最高抗压强度可达90MPa。
诸多实验可见，MPC的抗压强度，随水含量的增加而降低。
水含量的增加，主要是使MPC内部的孔隙增加，从而降低了MPC抗压强度。
之所以，各实验得到的最佳水含量不同，主要是由于各实验中原料粒度，固化液中添加剂等条件不同引起的。
1.3.2固相比—MgO与KH2PO4的摩尔比对MPC抗压强度的影响
在MPC体系中，氧化镁相对于磷酸二氢铵应该是过量的，过量的氧化镁作为体系的骨架或堆积料的存在对固化体强度提高和稳定是有益的，但二者配比必须满足一定的要求。
如果体系中氧化镁过量太少，材料固化后酸性组分没完全反应，固化体中就残留有可溶性盐，材料强度衰减太快，不适合使用；相反，氧化镁过量太多，反应速率太快，导致峰值放热温度过高，也不适合使用；同时，反应速率快会导致固化时间缩短，使可操作区间太小，不利于使用，因此选择合适的碱酸配比是很重要的。
Weill等指出【14】，MPC体系中的氧化镁相对于磷酸盐应是过量的，过量的氧化镁作为体系中的骨架或堆积料而存在，对MPC抗压强度的提高和稳定是有益的，但二者配比必须满足一定得要求。
如果体系中氧化镁过量太少，材料固化后酸性组分未完全反应，固化体中就留有可溶性盐，材料强度衰减太快，不适合使用；相反，若氧化镁含量太多，水化反应速度太快，导致放热温峰过高，固化时间过短，也不适合使用；同时，反应速率快会导致凝结时间缩短，使操作区间太小，不利于使用，因此选择合适的碱酸配比是很重要的。
李鹏晓【12】也认为氧化镁/磷酸盐（M/P）对MPC的强度特别重要，他将氧化镁和磷酸二氢钾从1/1到8/1进行配料，测定了1h，7h，24h强度。
从试验结果得出随着氧化镁含量的增加，总体上MPC强度也随之上升，1d强度最大可达到45.6MPa。
并指出，氧化镁含量越高，强度随之增加。
同时，M/P比越大，实验的可操作性就越差，反应速率越快，凝结时间越短，越不容易成型。
因此综合考虑，得出最佳M/P的摩尔比在4/1~5/1之间。
姜洪义等【13】的试验研究也得出，氧化镁与磷酸二氢铵的摩尔比值为4/1~5/1时磷酸镁水泥强度获得最大值，M/P=4/1时，3h的抗压强度达到39.4MPa，1d的抗压强度达到55.5MPa，28d的抗压强度达到80.4MPa。
QuanbingYang等也对M/P对MPC抗压强度的影响做了一系列实验，结果见表1-3，从中可以看出M/P在1/4—1/5为最佳范围【10】。
表1-3固相比对MPC抗压强度的影响
TableEffectofM/PratiocompressivestrenghofMPBpaste
M/Pratio
Comprehensivestrength（MPa）
1h
3h
1day
3day
7day
28day
65day
90day
180day
2:
1
8.8
30.8
35.5
49.0
52.2
60.0
—
—
—
3:
1
9.8
34
69.5
73.4
75.5
77.5
77.8
78.1
78.9
4:
1
11.5
41.5
72.0
76.7
80.2
88.0
86.8
90.1
89.8
5:
1
14.3
43.9
74.4
80.8
83.4
94.1
92.2
93.4
92.8
6:
1
15.5
37
69.5
70.7
78.8
85.8
—
—
—
总的来看，各个研究者，都是从MPC的结构出发，研究了剩余氧化镁在体系中的作用，并基本都认为酸碱的最佳摩尔比是在1/4—1/5之间，此时的MPC表现出较高的抗压强度，同时也满足其他性能。
1.3.3原料粒度对MPC抗压强度的影响
目前研究表明，MPC原料中的KH2PO4颗粒是易容于水的，其平均粒度在一定范围内，对MPC的反应速率并没有明显影响，固化后MPC中的相组成及微观结构也都基本相同，因次其平均粒度对MPC的抗压强度也没有明显影响。
但若KH2PO4平均粒度过大时，会由于水解不完全，MPC的水化反应不充分，导致固化后MPC的抗压强度有所降低。
而MgO的平均粒度则会对MPC的抗压强度有明显的影响，其中杨建明等认为【17】在一定范围内，随着MgO粒度的减小，MPC3d的抗压强度逐步提高，但超过一定范围后，MPC3d的抗压强度反而开始降低。
并表明存在最佳MgO粒度范围，此时生成的MPC有较高抗压强度且保持稳定的增长趋势。
Schwartz也认为MPC的固化反应与氧化镁的粒径有直接关系[31]，氧化镁颗粒粒径越小，固化反应速率越快，反应放出热量增加，固化体早期强度提高。
由此可知，KH2PO4的平均粒度对MPC抗压强度的影响是较小的，主要是MgO的平均粒度影响了MPC的水化反应，使得MPC的早期抗压强度随MgO平均粒度的降低而增大。
1.4本文主要研究内容
从上可知，长期以来，研究人员主要是将MPC作为建筑材料进行研究与应用，对其抗压强度的研究一般都停留在材料孔隙率、材料结构等宏观因素上，并未对其相组成、水化产物结晶形态等微观结构进行深入分析。
并且，由于是将MPC作为建筑材料，所以往往会在其中加入粉末灰等添加剂，这些物质的加入严重影响了MPC的生物相容性，并不能直接应用于人体。
相对而言目前MPC生物骨水泥自身的抗压强度是较低的，与人体承重骨本身的抗压强度相差较远，还无法应用于人体承重骨的修复中。
针对以上这些问题，本文以磷酸二氢钾作为磷酸盐，制备出生物相容性良好的磷酸钾镁生物骨水泥，通过调整液固比、固相比及原料粒度这三个制备条件，从孔隙率、相组成等方面分析了影响MPC抗压强度的根本因素，具体研究内容为：
（1）调整液固比，改变MPC初始液相所占比例，研究密实度、相组成及水化产物结晶形态等对MPC抗压强度的影响及分析。
（2）改变MPC原料的固相比，获得相组成不同的MPC试样，并采用XRD，SEM等方法对其相组成和微观形貌进行分析，研究了固相比对MPC抗压强度的影响。
（3）分别改变KH2PO4及MgO的平均粒度，通过XRD及热重分析等手段，研究了不同原料粒度对MPC密实度、水化程度及相组成的影响，并分析了原料粒度对MPC抗压强度的影响。
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