淀粉磷酸酯对含锶磷酸钙骨水门汀性能的影响
【摘要】 目的探讨复合淀粉磷酸酯对含锶磷酸钙骨水门汀(CPC)性能的影响。方法在含锶CPC固化液中加入淀粉磷酸酯,考察其凝固时间、压缩强度、溶解率的变化,采用X射线衍射、红外光谱、扫描电镜分析其水化产物结构及表面形貌。结果淀粉磷酸酯不妨碍含锶CPC的水化进程,添加浓度<1.2%时,含锶CPC的凝固时间稍延长,浓度为0.5%时最高压缩强度达32.6 MPa,体外溶解率增大。结论适量的淀粉磷酸酯可改善含锶CPC的性能，使其压缩强度和体外溶解率增大。
【关键词】 淀粉 磷酸酯类 酸钙类 锶 生物相容性材料
磷酸钙骨水门汀(CPC)具有可塑性、自固化性、良好的生物相容性和作为抗生素、抗肿瘤药物和各种生长因子优良的缓释载体等优良性能[1]。CPC作为骨缺损修复材料存在降解缓慢等缺点。羟基磷灰石(HA)的钙能被锶置换生成锶磷灰石(Sr?HAP)。有研究表明Sr?HAP比HA具有更好的生物相容性和降解性能,为更好的骨缺损修复材料[2]。含锶CPC具有优良的理化性能[3?5]。作者前期研究表明,在反应物中添加适量的碳酸锶可使α?CPC的压缩强度和体外溶解率增大[6]。与有机物复合是改善CPC理化性能的有效的方法。淀粉磷酸酯是淀粉的酯衍生物,具有优良的生物相容性和降解性能。为了进一步提高CPC 的表面活性和生物降解性能,笔者在CPC固化液中加入淀粉磷酸酯,考察其对含锶CPC理化性能和表面形貌的影响。
1材料和方法
1.1材料
1.1.1试剂与仪器α?磷酸三钙(α?TCP)、磷酸二氢钙、羟基磷灰石、碳酸锶(四川大学生物材料教研室)；淀粉磷酸酯(中科院成都分院化学研究所)；式万能试验机(WD?10A,日本岛津公司)；傅立叶红外光谱仪(MX?1E，美国Nicolet公司)；X射线光谱仪(X'Pert MPD,荷兰Philips公司)；扫描电镜(JSE?5900L,日本电子公司)。
1.1.2固化体的制备α?TCP、磷酸二氢钙粉末、羟基磷灰石及碳酸锶粉末,按一定比例混合[7],在研钵中研磨混合均匀,过400目筛,干燥备用。将水溶性淀粉磷酸酯0.3,0.5,0.8,1.2及1.5 g分别加入0.25 mol/L磷酸二氢钠/磷酸氢二钠缓冲溶液各100 mL中,以浓度分别为0.3,0.5,0.8,1.2及1.5%固化液为实验组;固化液中不含淀粉磷酸酯为对照组。CPC粉液按液固质量比(L/P)= 0.35的比例均匀调和60 s,将浆体填充入6 mm×12 mm的圆柱形不锈钢模具,于37 ℃、100%湿度环境中固化,1 h后脱模,将固化体浸泡于PBS溶液中,37 ℃恒温水浴。
1.2方法
1.2.1凝固时间、压缩强度、溶解率测定CPC粉液(L/P=0.35)均匀调和,据[6]所述的方法进行凝固时间、压缩强度、溶解率测定。每组5个试样,取平均值。
1.2.2X射线衍射分析随机抽取粉碎的固化体粉末在研钵中研磨,过200目筛,进行X射线衍射分析。
1.2.3红外线衍射光谱分析采用KBr压片法进行固化后CPC粉末的红外光谱分析。
1.2.4材料表面形貌观察材料断面表面行镀膜喷金处理后以扫描电镜观察表面形貌。
1.3统计学处理采用SPSS 11.5统计软件,实验组与对照组的比较采用Dunnett t检验。α＝0.05。
2结果
2.1凝固时间、压缩强度和溶解率淀粉磷酸酯的加入使含锶CPC的凝固时间延长,溶解率增大。0.5%含锶CPC最高压缩强度达32.6 MPa(表1)。除1.2%组、1.5%组和对照组间的压缩强度值差异有统计学意义外,其余各组和对照组的两两差异均无统计学意义。除0.3%组和对照组间的溶解率差异无统计学意义外,其余各组和对照组的两两差异均有统计学意义。表1水门汀固化体性能测试值
2.2X射线衍射分析对照组和0.5%淀粉磷酸酯组CPC粉末的X射线衍射谱线相似,均主要为HA、α?TCP的特征衍射峰且HA的特征衍射峰具有较高强度(图2)。
2.3红外线衍射光谱比较淀粉磷酸化前后红外光谱,淀粉磷酸单酯在1 400 cm-1附近出现新的P=O的伸缩振动所致吸收峰,同时在1 000 cm-1附近的吸收峰有所增强(图2)。1 042 cm-1、603 cm-1及567 cm-1的吸收峰是HA中PO43-振动,1 300~1 600 cm-1及900~670 cm-1分别是CO32?的伸缩振动及弯曲振动(图3)。
2.4水门汀的超微结构两组微结构均由孔隙和固体相组成,低倍镜下实验组的不规则孔隙更多。固体相主要是细小针状和融合成板状的HA结晶。晶体相互缠绕,呈放射状(图4)。
3讨论
3.1骨水门汀的凝固时间、压缩强度、溶解率淀粉是体内葡萄糖的主要来源,淀粉在体内能被酶水解成葡萄糖供机体利用。淀粉磷酸酯是淀粉的酯衍生物,一般认为是淀粉分子上的葡萄糖残基C2和C6的羟基较容易进行磷酸化作用而酯化。淀粉磷酸酯使含锶CPC的凝固时间延长,当添加浓度超过1.2%时,骨水门汀的凝固时间延长>45 min,这明显超出了临床可操作时间的范围。同时,加入少量的淀粉磷酸酯时,骨水门汀固化体的压缩强度没有明显降低,甚至有所提高。在骨水门汀的改性研究中,一般有机物的加入会明显地延长骨水门汀的凝固时间和降低压缩强度。出现本实验结果的原因可能是有机高聚物的加入能增加其与骨水门汀中无机钙离子的亲和力。在一些功能基团中,与钙离子的连接亲和力的顺序是磷酸根>碳酸根>氨基基团>羟基基团。在骨水门汀固化液中加入少量含有磷酸根的有机物能提高骨水门汀的压缩强度和缩短凝固时间。但所增加的有机物必须是水溶性的,可生物降解和吸收[8]。有研究表明,可溶性的磷酸化壳聚糖可明显提高CPC的压缩强度而凝固时间仅轻微延长[8?9]。复合CPC材料具有良好的生物相容性、可降解性能和骨结合性能。淀粉磷酸酯中磷酸根离子中的氧原子能提供孤对电子,磷酸根离子与磷酸钙盐表面的钙离子具有未填满外层电子的空轨道可形成配位键。添加淀粉磷酸酯后,粉剂中的部分钙离子可与它们发生络合交联,生成高聚物盐,加速固化反应的完成,缩短凝固时间,增加强度。同时,淀粉磷酸酯分子中含有羟基,当淀粉磷酸酯加入到水门汀中,增强了磷酸钙颗粒的亲水性,吸附层在水门汀粒子周围形成溶剂化膜能阻碍水泥凝聚(空间障碍) [10],因而一定程度上延长了水门汀的凝固时间。另外,淀粉磷酸酯中的磷酸根对钙离子的螯合也可能使水化反应初期水溶液中钙离子饱和度降低从而使得水门汀的凝固时间缩短。因此淀粉磷酸酯的掺入量过大时,会增大对水门汀水化初期的抑制作用,并引起水门汀强度的下降。Khairoun等在CPC中分别加入1.5wt%(质量百分数)的羟乙基淀粉和2wt%的可溶性淀粉,显示最终压缩强度提高,凝固时间轻微延长[11],本实验结果与之相近,但没有对骨水门汀的体外降解性能做出评价。
由于加入的淀粉磷酸酯为水溶性物质,经浸泡后淀粉磷酸酯逐渐溶解,这本身就增大复合材料的溶解率。同时CPC材料的体外溶解主要发生在和浸泡液接触的材料的表面,由于淀粉磷酸酯的溶出所产生孔隙的巨大的比表面积增大了骨水门汀固化体与浸泡液的接触面积,使CPC材料的体外溶解率增大。至于淀粉磷酸酯的存在有否改变含锶CPC的化学结构从而加速或增加含锶CPC的溶解还需进一步研究。本实验结果显示,随着固化液中淀粉磷酸酯浓度增大,测得的CPC材料溶解率也增大,改善了材料的生物降解性能。
3.2X射线衍射和红外线衍射光谱分析淀粉磷酸酯的加入并不影响含锶骨水门汀向HA的转化(图1)。生成的HA特征峰宽而且强度较低,说明HA的结晶化程度较低,这也和人体正常骨组织中的低结晶度的矿物质相类似。从红外光谱的比较看,淀粉磷酸酯在1 400 cm-1附近出现了新的吸收峰为P=O的伸缩振动所致。另外,P?O?C的1个很强的伸缩振动吸收带应出现在指纹区1 000 cm-1附近,该吸收峰对应着淀粉分子吡喃环中C6?O的伸缩振动(图2)。由于每个葡萄糖单元只有1个C6?OH,且该羟基易参与化学反应而消失,导致红外光谱中对应的峰强度减弱,而在图2中该峰的强度不仅无明显的削弱,甚至有所增强,这也反映了由于P?O?C的引入而弥补了因C6?OH参与反应而造成峰强度的削弱,说明淀粉磷酸酯分子可能引入了P=O双键及P?O?C基团。另外图谱中其他官能团的特征吸收峰并没有明显的变化,说明磷酸化处理后的淀粉并未破坏原淀粉的基本结构,只是在原来的淀粉分子链上增加了新的基团。本文中对照组与实验组红外衍射光谱对比,羟基磷灰石的特征吸收峰基本相似(图3),说明淀粉磷酸酯的加入并没有妨碍含锶CPC向HA的转变。水化产物为缺钙型羟基磷灰石[6,12]。
3.3扫描电镜分析含锶CPC微结构的孔隙主要是CO2气体形成的大孔、浆体水化形成的毛细孔和有机物溶出后的不规则孔隙。孔隙的存在使得CPC固化体溶解增加,利于血管及成骨细胞的长入。实验组骨水门汀由于淀粉磷酸酯的溶出具有更多不规则的孔隙。短棒状、针状结晶更细小均匀,互相缠绕得更紧密,这可能和淀粉磷酸酯中的磷酸根对钙离子的螯合作用使晶体结构更致密有关。
适量的淀粉磷酸酯不妨碍含锶CPC的水化反应,可使其压缩强度和体外溶解率增大。
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