添加剂对偏磷酸钙玻璃陶瓷多孔性能的影响★

吴岳恒1，汤顺清2，章庆春1，毛萱2，成安衡1，肖学钧1

课题背景：国内最早研究偏磷酸钙作为组织工程支架材料，已完成了其体外降解性能、多孔性能、浸提液生物相容性能，细胞毒性研究等系列的测试，证明了其作为生物医用材料的可靠性。偏磷酸钙玻璃陶瓷的多孔性能与许多因素相关，如钙磷比，添加剂含量和烧制温度等。通过改变添加剂含量制备不同孔隙率的偏磷酸钙玻璃陶瓷，观察其成孔差异和降解性能。

应用要点：①偏磷酸钙材料有着良好的降解性能和生物相容性能。通过改变添加剂的含量，获得了不同降解性能和孔洞性能的偏磷酸钙玻璃陶瓷，有利于进一步的组织工程研究。②分析和研究了偏磷酸钙玻璃陶瓷的成孔机制和成孔规律，为进一步的设计和制备不同成孔大小的偏磷酸钙玻璃陶瓷有重要意义。

相关链接：生物医用材料的多孔性与其应用在很大的关系，如组织工程，缓释载体等支架材料对孔洞有着极为复杂的要求。其多孔材料的成孔与多种因素有关，添加剂在无机材料的多孔制备方面起着非常重要的作用,基本上所有的多孔材料均采用了各种类型的添加剂。如利用硅胶、表面活性剂和甲醇，然后加入发泡剂氟里昂，发泡、固化、烧结后制得了部分闭孔的多孔陶瓷的工艺。

1广东省人民医院医学研究中心，广东省广州市 510100；2暨南大学生物医学工程系，广东省广州市 510632

吴岳恒★，男，1980年生，湖南省南株洲县人，汉族，2005年暨南大学毕业，硕士，主要从事心室辅助装置，生物材料和组织工程的研究。
agar_wu@tom. com

摘要
目的: 偏磷酸钙（calcium metaphosphate，CMP）玻璃陶瓷的多孔性能与许多因素相关，如钙磷比、添加剂含量和烧制温度等。通过改变添加剂含量制备不同孔隙率的CMP玻璃陶瓷，观察其成孔差异和降解性能。
方法：实验于2006-01/2007-06在暨南大学生物医学工程系和测试中心完成。采用二次烧结法制备3种不同配方的CMP玻璃陶瓷，其配方的主要差异在于添加剂（由Al2O3、MgO、CaF2按3∶2∶1摩尔比例组成）的含量不同，分别为5.4%，6.0%，6.7%。用分析天平称质量，计算3种样品的吸水率、显气孔率和体积密度。采用X射线衍射仪进行3种样品的晶相分析，扫描电镜观察3种样品的表面形貌。计算3种样品的失质量百分比评价其降解性能。
结果：①随着添加剂含量的增加，吸水率和显气孔率增大，体积密度减少。②3种样品的X射线衍射图谱基本无差异，结合PCPDFWIN数据库,可知3种CMP玻璃陶瓷的主晶相均为β-Ca(PO3)2晶体。扫描电镜结果表明，随着添加剂含量的增加，样品孔洞数目减少，孔洞直径越来越大。③随着添加剂含量的增加，3种样品的失重百分比分别为7.7%，5.9%和3.4%。
结论：通过改变添加剂的含量，可改变钙磷比相同的CMP玻璃陶瓷的多孔性能和降解性能。
关键词：玻璃陶瓷；多孔；偏磷酸钙；添加剂；生物材料

吴岳恒，汤顺清，章庆春，毛萱，成安衡，肖学钧.添加剂对偏磷酸钙玻璃陶瓷多孔性能的影响[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(6):1063-1066 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-6/6k-1063(ps).pdf]

中图分类号:R318.08
文献标识码:A
文章编号:1673-8225
(2008)06-01063-04

Effect of addition reagent on the porosity of calcium metaphosphate glass ceramics

AIM:Some factors are important to the porosity of calcium metaphosphate (CMP) glass ceramics, for example, the Ca/P ratio, the addition reagent content and the sintering temperature. This study was designed to prepare different porosities of CMP glass ceramics through changing the content of addition reagent, and evaluate the porosity difference and degradation properties.
METHODS: The experiment was conducted in the Institute of Biomedical Engineering and Testing Center, Jinan University from January 2006 to June 2007. Three kinds of porous CMP glass ceramics were prepared by sintering method, and their major difference was the content of the addition reagent (composed of Al2O3, MgO, CaF2 by 3∶2∶1 molar ratio), which was 5.4%, 6.0% and 6.7%, respectively. Analytic balance method was adopted to measure and calculate the water absorption (Wa), apparent porosity (Pa) and bulk density (Db). The crystal phases of three kinds of glass ceramics were detected by X-ray diffraction, the surface topography change was viewed by scanning electron microscopy, and the degradability was calculated by evaluating the loss rate.
RESULTS: ①With the addition reagent increased, Wa and Pa were increased, while Db was decreased.②There was no significant difference in the X-ray diffraction outcomes among three kinds of glass ceramics, and the crystal phase of these three kinds of glass ceramics was β-Ca(PO3) phase analyzed by PCPDFWIN database. Results of scanning electron microscope showed that, the quality of the holes of the CMP glass ceramics was decreased, but the pore diameter was increased with the addition reagent increased.③When the addition reagent increased, the loss rate of three kinds of CMP glass ceramics was 7.7%, 5.9% and 3.4%, respectively.
CONCLUSION: The porosity and degradation properties of CMP glass ceramics with the same Ca/P ratio can be regulated through changing the content of addition reagent in raw materials.

Wu YH, Tang SQ, Zhang QC, Mao X, Cheng AH, Xiao XJ.Effect of addition reagent on the porosity of calcium metaphosphate glass ceramics.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(6):1063-1066(China)
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-6/6k-1063(ps).pdf]

近年来，许多研究者发现偏磷酸钙（calcium metaphosphate，CMP）陶瓷有着良好的骨生物活性[1-4]。Lee等[2]把多孔CMP陶瓷异位植入无胸腺小鼠皮下组织，陶瓷在降解过程中，细胞增殖良好，并分化成成骨细胞。吴岳恒等[5-7]设计并制备了一种多孔CMP玻璃陶瓷，实验表明，此CMP玻璃陶瓷具有良好的降解性能和生物相容性能。
生物医用材料的多孔性与其应用在很大的关系，如组织工程，缓释载体等支架材料对孔洞有着极为复杂的要求[8-11]。其多孔材料的成孔与多种因素有关，成孔方法众多[12]。文后参考文献[12]显示，仅无机非多金属多孔材料的制备方式就有粉末烧结法、浆料固结法、有机泡沫浸浆、溶胶-凝胶法、凝胶铸造法和注凝成形法等6种之多。浆料发泡法是常用的制备方法，本法的原理是在陶瓷悬浮液中产生分散的气相而发泡，其中悬浮液通常由陶瓷材料、水、黏结剂、表面活性剂等组成。在通常情况下，都是由包含所需组成的化学混合物放出气体，产生气泡并也引起材料发泡。添加剂在无机材料的多孔制备方面起着非常重要的作用,基本上所有的多孔材料均采用了各种类型的添加剂[13-16]。如文后参考文献[12]介绍了利用硅胶、表面活性剂和甲醇，然后加入发泡剂氟里昂，发泡、固化、烧结后制得了部分闭孔的多孔陶瓷的工艺。
吴岳恒等[5-7]采用此方法成功制备了新型多孔CMP玻璃陶瓷，此材料孔隙丰富，大孔(100~300 μm)和微孔(2~20 μm)相互贯通，具备优良的降解性能和生物相容性能。该研究虽然对多孔CMP玻璃陶瓷的成孔机制进行了初步探讨，但研究尚不够深入。本实验通过改变添加剂含量制备不同孔隙率的CMP玻璃陶瓷，观察其成孔差异和降解性能，并分析其机制。

设计：观察对比实验。
单位：广东省人民医院医学研究中心，暨南大学生物医学工程所。
材料：实验时间为2006-01/2007-06。CMP制备和扫描电镜测试分别在暨南大学生物医学工程系和测试中心完成；其他检测、资料收集和撰文在广东省人民医院医学研究中心完成。CMP材料的制备方法及配方均为参考国外相关资料后自行设计。
设计、实施、评估者：设计、主要实施为第一作者，资料收集及结果评估者为全部作者。
技术路线：
样品制备：制备CMP玻璃陶瓷的原料由CaO、P2O5和添加剂组成（均为分析纯），见表1。混匀，将配料于1 000 ℃熔融4 h后，于水中淬冷成玻璃颗粒，干燥后转移至球磨机磨成细粉，过孔径为0.075 mm的筛，得CMP玻璃原粉。加入一定量质量分数为0.03的聚乙烯醇水溶液于上述CMP玻璃原粉中，混匀至黏稠浆状后转移至马福炉中，以10 ℃/min的升温速度升至300 ℃恒温2 h，冷却至室温后，在砂纸上磨成大小为8 mm×8 mm× 1.5 mm的样品块。先后用水和无水乙醇冲洗若干次，120 ℃烘干至恒质量。所得样品块重新置于马福炉中，680 ℃恒温4 h，自然冷却至室温后，无水乙醇冲洗若干次后于120 ℃烘干至恒质量，所得样品即为多孔CMP玻璃陶瓷。

样品检测：吸水率、显气孔率和体积密度检测：用分析天平称质量，多孔CMP玻璃陶瓷块的干试样质量(m1)、饱和试样表观质量(m2)、饱和试样在空气中质量(m3)。用下列公式计算材料的吸水率(Wa)、显气孔率(Pa)及体积密度(Db)[17]。用下列三式求取各值，并取其算术平均值。① 吸水率：Wa=(m3-m1)/m1×100% 。②显气孔率：Pa=(m3-m1)/(m3-m2)×100% 。③体积密度： Db=m1Dl/(m3- m2)×100% 。
形貌观察和晶相检测：分别取所得3种多孔CMP玻璃陶瓷块贴于铜台表面，喷金后在日立S-520型扫描电镜下观察。取CMP玻璃原粉和破碎研磨后的多孔CMP玻璃陶瓷若干，压片后在MSAL XD-2型X射线衍射仪上进行晶相分析。测试条件:电压40 kV，管流25 mA，Cu靶波长Kα=0.154 06 nm，扫描范围(2θ)为5°~ 65°。
降解实验检测：用分析天平称取3种多孔CMP玻璃陶瓷块各约0.10 g，浸泡在37 ℃，50 mL生理盐水中28 d，每天定时补充同温同量的空白溶液，并求其失质量百分比。
主要观察指标：3种样品的吸水率、显气孔率和体积密度，3种样品的表面形貌观察和晶相检测，3种样品的失质量百分比。

2.1 吸水率、显气孔率和体积密度检测结果见表2。表2结果表明，随着添加剂在配方中所占比例的增加，其吸水率和显气孔率都得到了明显的增加，而体积密度由1.30%下降到1.26%。

2.2 晶相检测和形貌观察 3种样品的X射线衍射图见图1。图1中由下至上分别为样品1，2，3的X射线衍射图谱。3种样品的衍射图谱基本无差异，其三强线的d1,d2,d3值(晶面间距)均分别为:0.352，0.313，0.372 nm。查PCPDFWIN数据库,可知其主晶相为β-Ca(PO3)2晶体。

3种样品的表面形貌扫描电镜图见图2。
2.3 降解性能比较 3种样品的28 d失质量百分比分别为7.7%，5.9%，3.4%。

3.1 样品制备 3种样品均未采用专用发泡剂和成孔剂，所以可单独研究添加剂含量变化对CMP玻璃陶瓷的降解性能和生物学性能的影响。当炉温升至120 ℃时，3种样品均可观察到CMP浆体向四周膨胀，2～4 s后，膨胀过程结束。由表1可知，配方的钙磷（元素）摩尔比均为0.4，添加剂所占的含量分别为5.4%，6.0%和6.7%。

3.2 吸水率、显气孔率和体积密度检测由表2可知，测量并计算出的CMP玻璃陶瓷的吸水率(Wa)和显气孔率(Pa)均与添加剂含量呈正比例增长，体积密度(Db)则随着添加剂的含量减少。这表明，随着添加剂含量的增加，在一定程度上材料的成孔能力得到了提高，通过调节添加剂的含量可在一定程度上提高CMP玻璃陶瓷的成孔性能。
3.3 形貌观察、晶相检测和降解实验图1为3种CMP玻璃陶瓷的X射线衍射图。由图1可知，3种样品的谱线图基本无差异，结合PCPDFWIN数据库,可知3种CMP玻璃陶瓷的主晶相均为β-Ca(PO3)2晶体。这表明，添加剂含量的增加对材料的主晶相影响极小，所得材料仍为CMP玻璃陶瓷。
图2为3种CMP玻璃陶瓷的表面形貌扫描电镜图。从图2a~c，其样品表面孔径从2~5 μm变至20~30 μm，再至约200 μm。这说明3种样品的孔洞性能差异较大。结合吸水率、显气孔率和体积密度的测定结果，可以得出结论：随着添加剂含量的增加，样品孔洞数目减少，孔洞直径越来越大。但降解实验却说明，虽然孔洞直径变大，孔隙率增大，但其降解性能却逐渐减少。综上可知，添加剂的含量和组成非常重要。本实验所采用的添加剂的配方主要由Al2O3、MgO、CaF2按3∶2∶1摩尔比组成。根据无规则网络学说[18]，CMP玻璃陶瓷的网络生成体是P2O5，而网络外体（也称中间体）则是CaO。本配方添加剂中，MgO和CaF2在陶瓷材料中所起作用与CaO相同，为网络外体。Al2O3既能是网络生成体，也可能是网络外体，文后参考文献[19]也表明，铝能够在玻璃中形成[AIPO4]组团。由此可以推论，由于铝加入后，改变了P2O5的网络形成体，形成了比较稳定的[AIPO4]组团，从而影响了玻璃的降解速率。作者曾研究并推测了其成泡沫机制[7]，即泡沫成孔时，材料表面形成一层磷酸盐的致密膜，当表面形成致密膜后，其水蒸汽的向外迁移是材料变形的推动力和形成泡沫多孔的原因。根据此成泡沫机制可得出如下解释：由于[AIPO4]组团较稳定，当[AIPO4]组团含量较多时，会大大提升CMP材料的表层膜的强度，从而增加内部水蒸汽冲出表层膜的阻力，故形成大而少的孔洞。反之，则孔洞细而多。
结论：在一定范围内改变添加剂的含量，可以较大的影响CMP玻璃陶瓷的成孔性能。随着本配方添加剂含量的增加，CMP材料的孔洞直径越来越大。

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