罗会涛(1985-), 男, 博士研究生. E-mail:luo815923@163.com
为探索制备不同形态半透明羟基磷灰石(T-HA)陶瓷的方法, 采用微米级HA粉体为原料, 甲壳素为粘结剂, 用溶胶-凝胶法制备出球状和纤维状的陶瓷初坯, 然后进行常压烧结得到纯HA陶瓷, 最后经过热等静压烧结得到T-HA陶瓷。溶胶-凝胶法赋形简单, 制备出的球状T-HA陶瓷的球形度良好, 纤维状T-HA陶瓷的纵横比高, 其致密度为99.1%, 平均晶粒尺寸为2.2 μm。其中球状半透明HA陶瓷的抗压强度为10.2 MPa, 高于常规烧结得到的球状致密和多孔HA陶瓷(分别为8.9和4.7 MPa)。仿生矿化和细胞培养的结果显示半透明HA陶瓷具有良好的生物相容性。
In order to fabricate translucent hydroxyapatite ceramics with different forms, using micro-sized HA powders as the raw material and chitin as adhesive, the ceramic green was prepared by Sol-Gel method. Subsequently, pure HA ceramics were obtained by normal pressure sintering. Translucent HA ceramics were then fabricated
透明陶瓷拥有良好的透光性, 在力学、光学、热学、电学和耐腐蚀性等方面表现出独特性能, 因此在光学、照明技术、高温技术、激光技术以及特种仪器制造等领域有着特殊用途[ 1]。由于羟基磷灰石(HA, Ca10(PO4)6(OH)2)具有良好的生物学性能[ 2, 3, 4, 5, 6], 因此透明HA陶瓷除了可以应用于上述领域, 还可以用于生物医学领域。研究显示使用成骨/基体材料共培养体系可以用于评价植入体内后的成骨能力[ 7, 8]。因此, 在体外探索细胞与基体的相互作用机制具有深远的意义。使用透明HA陶瓷作为基体材料可以观察细胞与基体、组织与基体的相互作用情况[ 9, 10]。
另外, HA的力学性能较差, 限制了其在承力部位的使用[ 11]。很多增强体(如钛、氧化铝和氧化锆等)的加入可以显著提高HA的力学性能, 但是由于这些增强体一般都属于生物惰性材料, 因此这些增强体与HA的复合物的生物活性低于纯HA[ 12, 13, 14, 15]。研究表明, 高致密度和细小的晶粒可以提高HA的力学性能。半透明陶瓷的致密度很高而且晶粒较小, 因此具有较高的力学强度[ 16], 可用于齿根、牙髓等部位的修复[ 17]。
目前制备透明和半透明HA有很多方法, 如脉冲电流烧结[ 18], 热压烧结[ 19], 微波烧结[ 20], 热等静压烧结[ 21]和电火花烧结[ 22]等。但是这些方法一般采用加压成形, 因此其制品大多为块状材料。不同形态如球状、纤维状和块状的HA在不同领域有着特殊应用[ 23, 24, 25], 目前有关不同形态半透明HA制备的报道较少。综合以上原因, 有必要寻找能够有效制备不同形态半透明HA的方法。
溶胶-凝胶法具有操作简单、赋形容易的特点, 可以用于制备形态复杂的样品。本研究以微米级HA粉体为原料, 甲壳素为粘结剂, 采用溶胶-凝胶法制备出不同形态的HA初坯, 然后经过常规烧结和热等静压处理制备了不同形态的半透明HA, 并通过生物矿化和细胞实验评价了其生物活性。
液体石蜡、甲壳素、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)、氯化锂均为分析纯, 由成都科龙化工试剂厂出品。直径20 μm的球状HA粉体来自于四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心。α-MEM, 胰蛋白酶, 均为美国Gibco公司生产, 小牛血清为北京元亨圣马公司生产。
将5 g 氯化锂加入100 mL DMAC中, 溶解完全后加入0.5 g甲壳素, 溶解后形成溶胶, 随后加入24 g HA粉末, 搅拌均匀后得到甲壳素/HA的混合物。将此混合物置入真空烘箱中, 在真空度为4 kPa的条件下保持10 min。取出后将混合物分为两组, 一组在机械搅拌的条件下加入装有液体石蜡的烧杯中, 30 min后加入去离子水得到凝胶化的球状HA, 另一组装入注射器中, 通过喷头直接注射到去离子水中得到凝胶化的纤维状HA。用去离子水将这两组样品洗净后干燥, 常压烧结至1200℃(升温速率为1 ℃/min)后得到常规的致密HA(D-HA)。将D-HA在压力150 MPa、1000℃下热等静压处理2 h得到半透明HA(T-HA)。
用体视显微镜(Olympus XTL-105)、X射线衍射仪(Philips PW2040/60)、扫描电镜(FEI Quanta 200)分别观察T-HA的宏观形貌、相成分和微观形貌。使用截距法测量晶粒尺寸[ 26]: 将陶瓷打磨抛光并用酸腐蚀后使用SEM观察, 在所得图片上随机画上一条长度为 D的线段, 统计出与其相交的晶粒数量 N, 根据下述公式(1)可计算出平均晶粒 d大小(重复四次, 计算平均值)。
d= D/N (1)
测量半透明HA的体积及质量后用密度法测定其孔隙率 P, 根据下述公式(2)进行计算:
P=(1- ρs /ρt)×100% (2)
ρs为半透明HA密度; ρt为HA理论密度。
为了对比, 分别对多孔、常规致密、半透明三种球状HA进行了抗压强度测试。其具体方法为: 筛选出φ1 mm的球状HA作为样品, 取一颗置于Instro5567型材料万能力学试验机的上下压板之间, 然后加压直至球粒破碎, 加载速率为0.5 mm/min, 重复10次, 然后根据下述公式(3)计算其抗压强度 ω:
ω=4 P/π D2 (3)
P为压缩载荷, D为HA球粒的直径。
先将3 g清洗干净的φ1 mm的HA球粒堆积于多孔不锈钢管中, 然后将钢管置入盛有200 mL仿生矿化液(SBF)的广口瓶中, 最后将广口瓶放入37℃恒温保温箱中进行仿生矿化实验, 24 h更换一次SBF矿化液。
将培养到第三代的SD大鼠的间充质干细胞(MSCs)用0.25%胰蛋白酶消化制成细胞悬液, 调节细胞密度至1×106个/mL, 每2 g直径约为1 mm的HA球粒为一组, 堆积至6孔细胞培养板中, 每组接种0.5 mL细胞悬液, 然后补加含15%小牛血清的α-MEM培养基。37℃, 5% CO2恒温培养箱中继续培养3 d后弃去培养基, 用磷酸缓冲液(PBS)冲洗2次, 梯度脱水脱醇处理后临界点干燥, 喷金后用SEM观察球状HA表面上MSCs的形貌。
初始HA粉末、常规烧结和热等静压处理后的陶瓷的XRD的衍射峰(图1)与HA标准卡片(JCPDF No74-0566)的衍射峰符合, 并没有杂相存在, 说明在溶胶-凝胶成型过程、常规烧结和随后热等静压处理等过程中均没有发生导致HA结构分解的化学反应, 也没有引入杂相导致制品相成分的改变。φ20 μm的初始HA球形粉末XRD衍射峰呈现宽化峰形, 表明它们由纳米级晶粒构成; 随着初坯经历常温和热等静压烧结过程, 烧成陶瓷中晶粒生长导致结晶度提高, 表现为XRD图谱上衍射峰明显变窄。
图2(a)显示球状和纤维状HA初坯经过常规烧结后都为非透明陶瓷, 再经过热等静压处理后球状和纤维状HA都呈半透明状态, 可以透过其看到基底上的黑色印记, 如图2(b)所示。高致密度和细小均匀的晶粒是HA呈半透明状态的必要条件, 经过测定和计算, 球状的常规致密和半透明HA的致密度分别为94.7%±0.8%和99.1%±0.3%, 其抗压强度分别为(8.9±0.4)和(10.2±0.4) MPa。本实验室前期研究制备的孔隙率为20%的多孔球状HA的抗压强度为(4.7±0.6)MPa。相对而言, HA陶瓷呈半透明状态时, 其抗压强度得到了明显提高。
制备球状和纤维状HA时采用的体系及工艺完全相同, 因此本文只观察了球状半透明HA的微观形貌。将球状HA使用聚甲基丙烯酸甲酯包埋后打磨抛光, 再用体积分数为0.5%稀硝酸处理3 s使晶粒充分暴露, 随后洗净进行SEM观察, 结果如图3所示。两种球状HA的截面上都没有大孔存在, 但是从图3(b)(c)中可以看到常规致密的HA截面上存在大量的微米级孔隙, 可见光在陶瓷中传播时, 在这些位置会引起反射和折射, 使得可见光的透射率大大降低, 因此样品呈不透明状态, 而在半透明HA的截面上几乎没有微孔的存在。
在高倍的SEM图片(图3(c)(f))上随机画上4条长度为20 μm的线段(d1~d4属于常规致密HA, f1~f4属于半透明HA), 与其相交晶粒的数量见表1。从表中可知常规致密和半透明HA的相交晶粒平均数量分别为11和7.8个, 因此其晶粒尺寸分别为20 μm/11=1.8 μm和20 μm/7.8=2.2 μm。半透明HA在热等静压过程中, 其晶粒会有一定程度的长大。
使用本方法之所以能够得到半透明HA陶瓷主要归因于以下几个方面: 第一, 透明陶瓷的气孔率必须很小, 将混合物置入真空系统中除去其中的气泡, 可以避免大孔的产生, 为制备半透明陶瓷提供了保证; 第二, 相对于HA的含量(25 g), 加入的有机物的含量(0.5 g)几乎可以忽略不计, 因此有机物在分解和燃烧时产生的孔隙较少, 通过烧结时的收缩可以消除绝大部分此类微孔; 第三, 将常规烧结后的HA陶瓷再进行热等静压处理, 在高压下陶瓷会进一步收缩, 使得其中的孔隙进一步减少, 降低光的反射和折射, 增大可见光的透射率; 第四, 经过烧结后的陶瓷由单相组成, 没有其它的杂质及第二相存在; 第五, 晶粒的尺寸较小, 分布较均匀。
初始粉体的尺寸和结构对于制备透明HA非常重要, 一直以来, 国内外研究透明HA的制备时一般都采用纳米级的HA粉体为原料。Chaudhry等[ 16]以φ100 nm×300 nm的棒状粉体为原料, 采用电火花烧结制备了块状的半透明HA。本研究采用的粉体如图4所示, 为φ20 μm左右的球状颗粒, 表面粗糙, 但是制备出的半透明HA的透光性并不弱于上述半透明HA, 因此本研究证明使用微米级的粉体也可以得到致密度极高的半透明HA, 可以显著降低制备成本。另外, 采用本方法可以制备任意形态的半透明HA, 而不仅限于块状样品的制备。
但是, 本研究所得到的半透明HA的透光性要远小于Wang等[ 27]制备出的透光性极高的透明HA。其原因主要有两个: 第一, 陶瓷的晶粒大小及尺寸分布是影响可见光透射率的重要因素, Wang等制备的透明HA由纳米级的细小晶粒组成, 而本研究制备的半透明陶瓷由微米级的晶粒组成, 而且晶粒的尺寸分布也不是非常均匀; 第二, 初始粉体对最终样品的透明度影响很大, Wang等使用的粉体为~50 nm×φ15 nm的纳米棒状粉体, 堆积压缩后粉体之间的孔隙为纳米级, 因此在烧结时由于粉体熔融或收缩很容易去除这些孔隙, 而本研究中采用的是φ20 μm的微米球状粉体, 在粉体之间存在着微米级的孔隙, 而且粉体中还分布有大量的微孔, 因此虽然最后经过了热等静压处理, 也难以将这些孔隙和微孔完全消除。
Okda等[ 28]以不同纳米尺度的HA粉体为原料, 使用溶胶铸件烧结法在常压下烧结, 结果表明随着HA粉体尺寸的减小, 最后烧结获得的样品的致密度越高。当初始粉末尺寸为107 nm时得到了不透明的致密HA陶瓷; 当初始粉末尺寸为32 nm时可以得到致密度极高、宏观形态为透明状的HA陶瓷制品。此结果进一步说明了初始粉末尺寸对于制备透明HA的重要性。
另外, 目前的制备技术除了不容易得到复杂形态的半透明HA外, 还存在其它缺点。Tan等[ 19]使用热压法制备了不同透光度的HA陶瓷, 但是此法烧结时采取的加压方式通常为单向加压, 从而导致烧结时坯体内的压力分布不均匀, 晶粒生长具有方向性, 容易造成陶瓷在力学性能和显微结构方面的各向异性[ 29]。Okda等[ 28]使用的溶胶铸件烧结法虽然生产工艺简单、容易控制、成本低, 但是该法具有干燥时间长、生产效率低等局限性。本研究在溶胶-凝胶法赋形后采用梯度烧结, 可以批量制备晶粒细小均匀、复杂形态、密度接近理论密度的半透明HA陶瓷。
常规致密和半透明HA(D-HA和T-HA)在SBF中浸泡0、7和14 d的结果如图5所示。其表面生成了大量细小的片状物。相对于T-HA而言, D-HA表面的生成物数量较多, 尺寸较小。这可能是因为D-HA表面相对比较粗糙, 更有利于晶体成核。另外, D-HA和T-HA表面的局部离子浓度几乎相同, 而且钙、磷离子含量较低, 根据晶体的成核和生长理论, 在这种情况下, 成核速率与生长速率成反向关系, 从而导致了上述结果。
MSCs与常规致密半透明HA共培养1 d后的SEM照片显示(图6), 细胞在两组材料表面均铺展良好, 黏附紧密, 生成了清晰的伪足等结构。
常规致密和半透明HA(D-HA, T-HA)与MSCs共培养3、5和7 d后, 利用Alamar Blue和碱性磷酸酶活性检测细胞的增殖和分化情况, 其结果如图7所示。细胞在D-HA和T-HA上的增殖和分化情况几乎相同, 而且其增殖趋势与空白组(TCPs, 未加入样品)的相同。已有的研究结果表明常规致密HA具有良好的细胞相容性和细胞活性[ 30], 结合SEM与Alamar Blue的结果可知, 半透明HA也具有良好的细胞相容性和细胞活性, 与Kotobuki等[ 9]使用透明HA陶瓷作为基体观察MSCs在其表面上的吸附及增殖结果相似:发现接种1 h后MSC大量吸附在透明HA表面并开始铺展, 5 h后这种现象更加明显。与空白培养板进行对比后的结果也证实透明HA具有优异的生物学性能。
利用溶胶-凝胶法赋形和热等静压致密化处理可以得到多种形态的半透明HA陶瓷。此工艺成型简单, 易于制备, 且制备出的样品结构均匀, 不必使用纳米级的粉体作为原料。半透明HA的致密度为99.1%±0.3%, 平均晶粒尺寸为2.2 μm, 抗压强度较多孔和常规致密HA有了大幅度的提高, 具有良好的细胞相容性。透光性好的透明陶瓷有着其特殊的应用, 而陶瓷的致密度与透光性与晶粒的尺寸及均匀性有很大关系, 因此下一步有必要对如何改进制备过程, 控制晶粒的尺寸及均匀性, 增强样品的透光性进行研究。