郭正东，卞阳阳，刘晓迁，王 栋，张思远，杨 健，彭 磊

（1. 海南医学院第一附属医院创伤医学中心，海南 海口 570216；2. 海南医学院急救与创伤研究教育部重点实验室，海南 海口 571199；3.海南医学院第一附属医院创伤与灾难救援研究重点实验室，海南 海口 570102）

由于人口老龄化和意外事故的增多，导致骨缺损的患者数量越来越多，临床对骨缺损材料的需求也随之增加［1］。目前大块骨组织缺损的治疗仍给骨科医生带来了巨大挑战，近年来，人们在开发新型骨修复材料方面付出了许多努力［2，3］。自体骨移植是骨组织缺损常用的治疗方法，具有很好的骨诱导性，但自体骨的骨量有限和术后供体部位的疼痛导致自体骨移植在临床上的应用比较局限［4⁃6］。因此，人们相继开发异体、异种骨和人工合成骨修复材料，用于骨科大段骨缺损的治疗［7］。目前比较常见的人工骨材料包括羟基磷灰石［8］、磷酸钙［9］、硫酸钙［10］、聚乳酸（PLA）［11］、聚乳酸⁃聚羟基乙酸共聚物（PLGA）［12］等。羟基磷灰石具有良好的骨诱导性，但其脆性较大、降解速度过慢、力学性能差等缺陷限制了其在骨修复领域的应用。磷酸钙具有良好的骨传导性，但是其血溶性较差、脆性较大、力学性能差等缺点限制了其在临床的应用。PLA 亲水性较差、降解速率难以控制、生物活性较低，也限制了其在骨领域的应用。PLGA 在医药领域应用比较广泛，可以自然降解，但其在体内代谢产物呈酸性，在机体内容易引起炎症反应，不利于患者的骨缺损修复。

半水硫酸钙可分为α⁃半水硫酸钙和β⁃半水硫酸钙两种，具有不同的理化性质，前者以棒状和棱柱状晶体为特征，而后者以晶体的聚集为特征，具有不规则晶体和间隙毛细孔。因α⁃半水硫酸钙水合后形成的二水硫酸钙强度更高、溶解性更低、密度更高，所以我们选用了本课题组制备出的α⁃半水硫酸钙进行实验。半水硫酸钙在临床骨科上应用历史比较悠久，具有较好的生物相容性和生物降解性，炎症反应相对较小，能促进骨组织的愈合［13⁃15］。有研究表明，半水硫酸钙还具有促进血管化的作用，能促进血管侵入骨传导基质和周边间充质中，有利于促进骨骼的愈合。

氢氧化钙是一种白色粉末状物质，化学式为Ca（OH）2，氢氧化钙有自凝作用（吸收溶液中的二氧化碳生成碳酸钙）及调节骨代谢的作用。氢氧化钙溶解后产生Ca2+和OH—，可以有效地抑制破骨细胞活动，促进碱性磷酸酶的活性，增加局部微环境中磷酸根离子的浓度，促进矿物质的沉积，有利于骨组织的愈合。牙医广泛应用Ca（OH）2糊剂来治疗牙科疾病，低剂量的氢氧化钙可以有效地提高骨髓间充质干细胞的矿化作用，更好地利于牙槽骨的愈合［16⁃18］。而且氢氧化钙价格较低，相比其他材料，易于获得［19］。

CSH 和氢氧化钙均具有促进骨愈合的作用，目前两者结合使用的研究较少。基于此，本实验利用去离子水作为固化液，测试以0 、1% 、5% 、10% 的不同比例的Ca（OH）2对CSH 骨水泥的影响和复合材料的表征。

1 材料与方法

1.1 实验材料

半水硫酸钙（由海南医学院急救与创伤研究教育部重点实验室提供）、氢氧化钙（建德市莲顺钙化有限公司）。

复合材料的制备：按氢氧化钙占质量比0 、1%、5%、10%的比例，称取氢氧化钙粉末和半水硫酸钙粉末作为固相置于50 mL 离心管中，利用旋涡混合器充分振荡混匀。以去离子水为固化液，将混合后的骨水泥粉末与去离子水按照固液比0.55 mL/g 进行混合，持续搅拌成糊状，倒入相应的硅胶模具中进行固化处理。将固化后的材料置于60 ℃的电热鼓风干燥箱中进行烘干备用。

1.2 CSH⁃Ca（OH）2复合材料的FTIR

采用傅里叶变换红外光谱仪（Nicolet iS10）测定半水硫酸钙复合氢氧化钙的骨修复材料的红外光谱，扫描范围为500～4 000 cm⁃1。

1.3 CSH⁃Ca（OH）2复合材料的XRD

通过X 射线光谱仪（D8）测定半水硫酸钙复合氢氧化钙的骨修复材料的物相结构，扫描速率为4°/min，扫描区间为10°～80°。

1.4 CSH⁃Ca（OH）2复合材料的SEM

将不同浓度的样品用胶粘在铜片上，加速电压为3 000 kV，对复合材料进行喷金处理，通过扫描电镜（SU8020）观察复合材料的表面结构。

1.5 CSH⁃Ca（OH）2复合材料的力学性能

按上述制备骨修复材料的方法，将混合后骨水泥填入直径6 mm、高12 mm 的模具中，每组材料制备3 个样品，待其终凝后，放置于60 ℃恒温干燥箱，直至其完全干燥。通过多功能电子万能材料力学性能测试机（Instron 9657）测试每个样品的抗压强度，压头速度20 mm/min。

1.6 统计学处理

使用Graphpad 统计学软件对数据进行统计分析，所有的数据用（±s）表示，采用单因素方差分析进行数据比较，以P<0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 CSH⁃Ca（OH）2复合材料的FT⁃IR

图1为复合骨修复材料的红外光谱图，在860 cm⁃1、1 400～1 500 cm⁃1处有明显的吸收峰，是Ca（OH）2的特征性波峰，可见复合后的产物中有氢氧化钙的存在［20，21］。在598、670、1 110 cm⁃1和1 635 cm⁃1位 置 的波峰都是水合后CSH 的特征性波峰，可见复合后的产物中有水合后CSH 的存在［22，23］。随着氢氧化钙的加入，相关的特征峰值位置未出现明显偏移，两种材料的特征性波峰发生了重合。

图1 CSH、CSH⁃Ca（OH）2的FT⁃IR 图Fig 1 FT‑IR plots of CSH、CSH‑Ca（OH）2

2.2 CSH⁃Ca（OH）2复合材料的XRD

测试材料的XRD 如图2 所示，骨修复材料特性表征以5%浓度的半水硫酸钙复合氢氧化钙的材料为代表。水合后CSH 衍射峰强度较大，结晶度较高，在11.6°、20.7°、23.4°、29.1°、31.1°、33.3°、43.3°和47.9°等位置出现了特征峰，对比该物质的特征衍射峰（PDF#70⁃0982），有较高的吻合度，且无杂峰的生 成［24］。Ca（OH）2的XRD 图 谱 可 知18.0°、28.6°、34.0°、47.0°、50.7°的峰与标准峰基本吻合，证明该物质存在于化合物中。但在29.4°、48.5°处出现了衍射峰，此峰为碳酸钙的衍射峰（PDF#99⁃0022），说明合成过程中出现了少量的碳酸钙。在CSH和Ca（OH）2混合后XRD 的曲线中分别出现了两种物质的特征峰，但峰的强度降低，可能是由于硫酸钙与氢氧化钙两者之间的相互作用，导致其衍射峰的强度明显降低，复合物更稳定，两者并未失去原有的晶体结构，说明两者的特性未变，不会影响其有关性能。

图2 CSH、Ca（OH）2、CSH⁃Ca（OH）2的XRD 图谱Fig 2 XRD patterns of CSH、Ca（OH）2、CSH‑Ca（OH）2

2.3 CSH⁃Ca（OH）2复合材料的SEM

图3 中A、B、C、D 分别为添加了0、1%、5%、10%氢氧化钙的硫酸钙型多孔支架材料形貌图。0组在500 倍的扫描电镜的视野下，可见硫酸钙呈柱状、块状，晶体互相接触，形成较宽的间隙结构，间隙比较清晰。1%、5%、10%3 组在500 倍的扫描电镜的视野下，可见硫酸钙的晶体结构逐渐显示不清，不规则团絮状结构之间的间隙也逐渐变小，复合材料的孔隙率变小，10% 组的视野几乎被团絮状氢氧化钙所占据，硫酸钙的晶体完全显示不清。

图3 不同浓度复合材料的扫描电镜图Fig 3 SEM of composites with different concentrations

2.4 CSH⁃Ca（OH）2复合材料的力学性能

0、1%、5%、10%试样组抗压强度分别为（3.86±3.1）、（5.27±1.28）、（8.22±0.96）、（14.4±3.28）MPa。由图4可以看出，4组材料随着氢氧化钙质量占比的增加抗压强度也随之变大。很明显，氢氧化钙的加入直接影响了复合材料的力学性能。1%、5%两组与0 空白对照组相比，差异无统计学意义（P>0.05）；而10%组与空白对照组相比，差异具有统计学意义（P<0.05）。

图4 不同浓度复合材料的抗压强度Fig 4 Compressive strength of composites with different concentrations

3 讨论

在骨组织工程领域，单一的材料往往存在或多或少的缺点，人们常常将两种及两种以上骨材料进行结合，取长补短，充分发挥各自的优势。国内外有较多对半水硫酸钙和氢氧化钙进行研究的报道，这两种材料均具有促进骨愈合的作用，但很少有研究将这两种材料进行结合，测试其相关的性能。

制备出不同浓度的CSH⁃Ca（OH）2复合材料后进行XRD 和FT⁃IR 分析，结果显示混合后复合材料的物相分别为Ca（OH）2和水合后CSH，两者并未失去原有的晶体结构。适宜大小的孔和稳定的结构更加有利于营养物质的运输、细胞的迁移和增殖［25，26］。骨修复材料应具备一定的抗压强度，表现为密度越大，材料的抗压强度也随之增大。很明显，复合材料的孔隙率的大小决定了抗压强度的大小，氢氧化钙可以直接影响到复合材料的力学性能。加入Ca（OH）2后可以显著提高复合支架材料的力学性能，并且随着氢氧化钙质量占比的变大，抗压强度呈现出逐渐增高的趋势，足以满足人体松质骨的力学要求，复合骨材料适宜的抗压强度可以为骨髓间充质干细胞提供一个稳定的结构，但支架材料的孔隙率也相应的降低［27］。

综上所述，本课题组将半水硫酸钙和氢氧化钙混合得到了一种新型骨修复材料，它们保留半水硫酸钙和氢氧化钙两者的特性，又维持了多孔的结构。氢氧化钙的加入增强了复合材料的抗压强度。在后续的研究中，我们将进行该复合材料的细胞学、动物学试验，研究该材料作为一种新型的骨修复材料的作用机制。

作者贡献度说明：

第一作者：郭正东，参与实验，收集整理数据及撰写论文；通讯作者：彭磊，课题设计和论文校审；其余作者：卞阳阳、刘晓迁、张思远、王栋、杨健，参与实验及管理报账。

所有作者无利益冲突。