聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥的体外溶解研究
来源：岁月联盟
时间：2010-08-24
[关键词] 聚L-乳酸；α-磷酸三钙；体外溶解；溶解动力学
1.引言
近年来，各国研究人员逐步采用各种方法来获得多孔的羟基磷灰石骨水泥基体作为组织工程支架材料。而对磷酸钙骨水泥的溶解和降解性能的研究，目前主要处于定性阶段[1]。因此，需要从更深入的角度来理解其物质结构和溶解行为的特点，为其在临床应用和支架材料的构件提供依据。
对于聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥体系，聚L-乳酸在骨水泥固化过程中，可能会吸附到磷酸钙表面对其水化反应产生影响，从而改变了反应生成磷灰石晶体的形态与结构。这种改变可能同时影响到其表面与界面性能，并对其应用性质产生影响。实验表明[2]，当PLLA在PLLA改性α-TCP骨水泥体系中的质量百分数为0.3%时，具有比纯α-TCP更优良的力学性能。本文将与α-TCP骨水泥比较，对聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥固化体体外溶解进行探讨，通过体外溶解过程中pH值和Ca+浓度的测定，对其体外溶解性能进行研究。
2.材料和方法
2.1 原料
CaCO3（自制高纯微细，d50=4.43μm）；H3PO4（分析纯，采用磷钼酸喹啉重量法测定含量）；聚L-乳酸（PLLA）（特性粘度：η>7g/ml，重分子量：Wm=620，000，由成都迪康中科生物科技有限公司提供）；三氯甲烷、无水乙醇、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、氯化钠等均为分析纯。
2.2 PLLA/α-TCP复合粉末制备
2.2.1 α-TCP骨水泥的制备：
将磷酸溶液配成1.43M，自制高纯微细CaCO3与蒸馏水调和成固：液比=1：2的浆料。在25℃下搅拌磷酸溶液，按Ca：P=1.51：1在反应不冒槽的前提下将浆料在4min内快速加入，搅拌1min后停止，抽滤、洗涤（重复3次），干燥得到TCP前驱体。将TCP前驱体在1260℃下煅烧1h，采用骤冷方式制备高纯微细α-TCP粉末。
2.2.2 PLLA改性α-TCP骨水泥复合粉末的配制
将0.2g聚L-乳酸完全溶解于搅拌条件下的氯仿（40ml）中，搅拌时间约为5min。然后缓慢将4gα-TCP粉末加入到超声波振荡和搅拌的聚L-乳酸和氯仿的混合体系中，反应5min。将此混合体系滴加到搅拌和超声波分散的无水乙醇中，5min后进行抽滤、无水乙醇洗涤（重复3次），在真空干燥箱常温真空干燥8h，取出轻力研磨，得到聚L-乳酸和α-TCP组成的复合粉末。
将制备得到的复合粉末掺入纯α-TCP粉末中，通过调节掺入量可得到PLLA含量为0.3%的骨水泥粉末。
2.3 骨水泥试样的制备
分别称取适量α-TCP粉末和聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥粉末，以1：4（ml/g）的比例用0.25 M NaH2PO4/Na2HPO4缓冲溶液(pH=7)调和后，用直径4.66mm的自制模具成型，制成高约6mm的柱状试样。
2.4 骨水泥固化体体外溶解实验
准确称取9gNaCl（分析纯），完全溶解于1000ml蒸馏水中，配置成生理盐水。
将1.78gα-TCP骨水泥试样和2.05g聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥试样按固液比62.5/1用尼龙细丝悬挂于分别装有95.6ml、102.0ml生理盐水的密闭广口瓶中，在37±1℃的恒温水浴中降解。实验过程处于闭光状态。
2.5表征及测试方法
2.5.1 pH值测定
在预定时间用65-1型pH复合电极测定溶液体系的pH值。
2.5.2 Ca2+浓度测试
在每次测定pH值时，分别用微量注射器取0.1ml体系溶液，然后稀释40倍，用ICP光谱法测定其Ca2+浓度。
3.结果与讨论
3.1 pH值测定 图1是两种体系溶液pH值随时间变化图。
由图可以看出两种体系溶液pH值随时间推移逐渐降低，起始速率较大，而后降低速率逐渐减小，最终趋于平衡。其中聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥试样在生理盐水中溶解的pH值低于α-TCP骨水泥试样在生理盐水中溶解pH值。这是因为α-TCP骨水泥（α- Ca3（PO4）2）在生理盐水中浸泡发生水化，与水中的OH-结合，逐渐转变为羟基磷灰石（Ca10（PO4）6（OH）2，HA），使得溶液体系pH值不断降低。当反应达到平衡时，pH（>6.4）趋于稳定。而聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥体系中的聚L-乳酸发生水解生成呈酸性的乳酸，使得此体系pH值较α-TCP骨水泥体系低，但无显著差别。由37℃下各种磷酸钙盐的溶解度等温曲线[3]中可以知道，在pH>4.2的范围内，HA的溶解度最小。因此，在这个pH范围内，两种骨水泥在水溶液中都会溶解，然后沉淀生成HA，从而转变为热力学上最稳定的相。
3.2 Ca2+浓度测定
图2是两种体系溶液中钙离子浓度随时间变化图。
由图中可以看出两种体系溶液中钙离子浓度随时间推移逐渐增大，起始速率较大，而后增长速率逐渐减小，最终趋于平衡。其中聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥试样在生理盐水中溶解的Ca2+浓度高于α-TCP骨水泥试样在生理盐水中溶解的Ca2+浓度。这是因为初始阶段试样中含有大量未水化的磷酸钙盐，其溶解度较水化产物HA要高很多。这些磷酸钙盐在浸泡过程中发生溶解并逐渐水化，其溶解释放Ca2+的速率将随时间的推移逐渐下降，最终趋于平衡。而PLLA的存在使得骨水泥试样产生较多孔隙，导致骨水泥试样α-TCP与外界溶液接触面积增大，加速溶解的进行，从而使得溶液体系中Ca2+浓度提高。
根据热力学分析可以得到各种磷酸钙化合物的lg[Ca]T-pH图(如图3)。聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥试样在生理盐水中溶解后的pH值略低于α-TCP骨水泥试样体系的pH值，由图3可知，溶液pH越低，体系中Ca2+浓度越高。因此，聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥试样在生理盐水中溶解的Ca2+浓度应高于α-TCP骨水泥试样在生理盐水中溶解的Ca2+浓度，与实验结果一致。
α-TCP骨水泥不断向溶液体系溶解释放Ca2+的同时，Ca2+不断与溶液中的PO43-结合生成羟基磷灰石（HA），聚集在试样表面。因此，Ca2+浓度越大，生成HA的反应越迅速，有利于结晶完全。由图2可知，聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥试样在生理盐水中有较高的溶解度，因此较α-TCP骨水泥体系更有利于HA的结晶。
3.3体外溶解动力学
从溶解曲线可以看出，溶解速率不属于线形方程，而属于指数方程。此处，本研究采用Avrami动力学方程对数据进行处理。该方程首先由Avrami推导出，后来Kabai将其应用于多相反应体系。该动力学方程表达式为 ： （1）
式中，Ct为t时刻Ca2+浓度；C∞为该温度下Ca2+浓度的最大浓度（即骨水泥固化体在生理盐水中溶解达到平衡时的Ca2+浓度）；k为速率常数，它与温度和液相反应的浓度有关；t为溶解时间，x为溶解分数，n为固相的特征常数，与实验条件无关。当n<1时，反应起始速率很高，溶解反应为扩散控制，反应活化能低；当n>1时，反应反应起始速率低，溶解反应为化学反应控制，反应活化能较高。将vrami方程对数展开得： （2）
而α-TCP骨水泥与PLLA改性α-TCP骨水泥试样在生理盐水中溶解达到平衡时的Ca2+浓度分别接近40mg/L、50mg/L，则某一时间t的x分别为C/40、C/50。将实验数据带入式（2），通过拟和发现，α-TCP骨水泥与聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥固化体溶解对应的特征常数n分别近似为1/2。Kabai指出，n是反映固相物质的结构和性质的常数，其n值为1/2，表明骨水泥在生理盐水中的溶解反应为扩散控制。从图1和图2也可以看出，反应起始速率很高，所以也可以得知溶解反应为扩散控制。
图4是不同温度下α-TCP骨水泥与PLLA改性α-TCP骨水泥固化体在生理盐水中静态浸泡不同时间后，-ln（1-x）与t1/2关系图。从图2可以看出，α-TCP骨水泥与聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥试样溶解速率符合Avrami型动力学模型方程式：
从两条直线的斜率可知式中速率常数k值分别为0.6767和0.7726。根据Arrhenius方程（-lnk=Ea/RT），可出α-TCP骨水泥与聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥试样在生理盐水中的溶解活化能Ea分别约为1.00kJ/mol 、2.00kJ/mol。二者的活化能均很低，因此，也证实两种骨水泥溶解反应都为扩散控制。
4.结论
聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥试样在生理盐水中溶解的pH值略低于α-TCP骨水泥，在pH>4.2的范围内，能够在水溶液中溶解，并结晶沉淀生成稳定相HA。
聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥试样在生理盐水中溶解的Ca2+浓度高于α-TCP骨水泥，有利于HA的结晶，因此生成HA的反应迅速较快。
聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥试样在生理盐水中溶解达到平衡时的Ca2+浓度较高，接近50mg/L。溶解过程均符合Avrami动力学模型，Avrami指数为1/2，溶解动力学方程为： ；溶解活化能（2.00kJ/mol）很低，溶解反应为扩散控制。
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[1]宋志国，周大利等.含盐酸四环素α-TCP骨水泥的理化性能.功能材料，2004，35（1）：111-113
[2]马将，周大利等. 聚L-乳酸改性α-TCP骨水泥的研究，2004年材料与工程新进展，2005，5:284-289
[3]黎兵，李玉宝，陈继镛.磷酸钙生物活性骨水泥的制备极其性能的研究[J].四川大学学报，1998，35（2）：35-38