磷酸鎂骨水泥體系合成及反應機理研究進展

0混凝土材料的選擇不穩(wěn)定型骨折的治療長期以來是給外科醫(yī)生帶來問題的問題。目前，國內(nèi)外臨床應用通常采用切開復位內(nèi)固定手術。主要方法包括：固定微絲內(nèi)釘、髓內(nèi)針固定、張力帶鋼絲繩固定、骨內(nèi)鋼絲縫合固定、尼龍線內(nèi)針固定、傳統(tǒng)的交叉針固定和高密度螺釘固定等。這些方法均存在著不同程度的缺陷,影響了病人的治療和功能恢復:使用的內(nèi)固定物均為異物,存在不同程度異物反應;需二次手術取出內(nèi)固定物,增加了病人的痛苦和經(jīng)濟負擔;手術創(chuàng)傷大,影響骨愈合;手術難度大,操作麻煩;生物相容性差,固定強度低;難以解決小塊粉碎性骨折的固定問題等。80年代中期,Brown等發(fā)明了磷酸鈣骨水泥(calciumphosphatecement,CPC),良好的生物相容性、能任意塑形及誘導骨頭再生特性的有機結(jié)合,使CPC具有潛在的能力用于粉碎性骨折及掌骨、指骨等不穩(wěn)定骨折的治療,即用骨水泥將骨頭粘結(jié)起來,并在體內(nèi)誘導新骨生長,從而修復骨折。但單純使用CPC材料來粘結(jié)也存在很大缺陷,即其早期強度低,強度發(fā)展緩慢,因此有必要進一步改善CPC材料的性能。聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)骨水泥由于易成型及好的粘結(jié)性常被用于人工關節(jié)假體的固定,但其固化過程的強放熱性會引起周圍組織的壞死,而且生物相容性差,長時間后容易松動脫落,從而使其應用受到限制。磷酸鎂骨水泥(magnesiumphosphatecement,MPC)具有快凝、高早強的特性,水泥水化過程放熱速率可控,固化時體積微膨脹,能使其與骨更為牢固的鑲嵌結(jié)合在一起,其水化產(chǎn)物為磷酸鎂銨之類的生物礦物,具有較高的生物相容性,MPC還具有較好的塑性及膠粘性,諸多優(yōu)良的特性使其在不穩(wěn)定骨折治療及人工關節(jié)假體粘結(jié)固定方面具有廣泛的應用前景。本文主要評述MPC體系合成及反應機理的最新研究進展。1mpc材料的理化性質(zhì)MPC是由氧化鎂、磷酸鹽、緩凝劑及固化液混合制備而成,這些組分的性質(zhì)及各組分間的配比決定了MPC材料的理化性能。作為一種水泥,其性能通常以凝結(jié)時間和抗壓強度為考察指標,但作為骨粘固劑,其膠粘性及放熱行為也必須加以考察。1.1氧化鎂宏觀成分的影響氧化鎂的制備方法很多,用于MPC材料的氧化鎂一般由氫氧化鎂或堿式碳酸鎂高溫煅燒制得。根據(jù)煅燒溫度的不同,所制得的氧化鎂分別稱為輕燒、重燒和熔融氧化鎂,其中煅燒溫度1400℃以上的重燒氧化鎂特別適合于MPC體系。制備過程中,原料種類、煅燒溫度、煅燒時間、冷卻方式等對氧化鎂粒子的大小、形貌、晶型及晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)均有影響,進而影響其化學活性?；瘜W活性是氧化鎂粉末最重要的性質(zhì),它的大小直接決定MPC體系的水化反應速率,研究發(fā)現(xiàn),提高煅燒溫度,延長煅燒時間,使燒得的氧化鎂粒子更為致密,比表面積減小,反應活性下降。由不同活性氧化鎂制備的MPC理化性能差別很大,因此,選擇合適的制備條件以獲得活性適中的氧化鎂對合成性能優(yōu)異的MPC是至關重要的。Tomic考察了氧化鎂比表面積對固化速率的影響,經(jīng)測定,1300℃以上煅燒的氧化鎂的比表面積為1～5m/g。研究發(fā)現(xiàn),氧化鎂比表面積越大,MPC固化速率越快,凝結(jié)時間越短,早期強度越高,Tomic同時指出,氧化鎂的比表面積并非越大越好,要保證必要的工作時間應使比表面積小一些,以提高材料的可操作性。Schwartz認為固化反應速率直接與氧化鎂的粒徑有關,氧化鎂的粒徑越小,固化反應速率越快,固化反應放熱量增加,固化體早期強度提高。粒徑小則比表面積大,因此,一者的結(jié)論是一致的。1.2酸組分的選擇MPC體系中作為酸性組分的磷酸鹽主要有:堿金屬和銨的酸式磷酸鹽,特別是磷酸二氫鹽;正磷酸鹽、焦磷酸鹽及聚磷酸鹽的混合溶液;磷酸二氫鋁及磷酸等。Weill等認為磷酸二氫銨作為酸性組分有幾個優(yōu)點:①磷酸二氫銨在水溶液中能多步電離出氫離子,有利于Mg2+的生成;②體系水化速率快,早期強度高;③漿體膠粘性好;④最終產(chǎn)物基本不溶。Sugama等指出用聚磷酸銨代替磷酸銨,可以顯著提高MPC的早期強度,但最終抗壓強度相等。Popovics等分別以磷酸二氫銨、磷酸一氫鋁作為酸性組分制備MPC,其凝結(jié)時間及抗壓強度如表1所示。由表1可知,以磷酸二氫銨作為酸性組分,體系凝結(jié)時間短,1h抗壓強度達69.9MPa,滿足快凝、高早強的要求;而以磷酸二氫鋁作為酸性組分,體系凝結(jié)時間長,1h抗壓強度很低,3h時才達13.3MPa。與之相反,Tomic認為要獲得足夠高的早期強度,酸性組分中應含有一定比例的三價金屬離子,如Al3+,因為它的存在能使產(chǎn)物形成交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),有利于固化體強度的提高。1.3材料強度衰減過快Weill等指出,MPC體系中氧化鎂相對于磷酸二氫銨應是過量的,過量的氧化鎂作為體系的骨架或堆積料而存在對固化體強度的提高和穩(wěn)定是有益的,但二者配比必須滿足一定的要求,如果體系中氧化鎂過量太少,材料固化后酸性組分未完全反應,固化體中就留有可溶性鹽,材料強度衰減太快,不適合使用;相反,氧化鎂過量太多,反應速度太快,導致放熱溫峰過高,也不適合使用;同時,反應速率快會導致凝結(jié)時間縮短,使操作區(qū)間太小,不利于使用,因此選擇合適的堿酸配比是很重要的。Sugama等研究了不同氧化鎂、聚磷酸銨比例的MPC抗壓強度的變化,抗壓強度隨時間發(fā)展如圖1所示。由圖1可知,隨堿酸比增大,反應速率加快,凝結(jié)時間變短,早期強度發(fā)展迅速,遠期強度亦有所增大、約5h后強度發(fā)展趨于平緩。研究同時發(fā)現(xiàn),隨堿酸比增大,放熱更加明顯,其中堿酸比為60/’40的體系放熱溫峰最高。Abdelrazig等所開展的研究中采用3.8/1的堿酸配比時,凝結(jié)時間、早期強度及反應放熱等指標均能較好地滿足要求。1.4單次給藥后緩凝劑對mpcMPC的固化反應速度很快,反應過程中放出大量的熱,給操作帶來諸多不便,,為了延長凝結(jié)時間,降低熱通量,使反應放出的熱量在更長時間內(nèi)放出,除調(diào)節(jié)堿酸組分活性及配比外,體系中還必須加入緩凝劑。Sarkar對多種緩凝劑的緩凝效果進行了詳細研究,篩選出了幾種效果較好的緩凝劑,包括氯化鈉、氟硅酸鹽、硼酸鹽、硼酸酯、聚磷酸鈉等。Sugama等研究了十水四硼酸鈉在氧化鎂、聚磷酸銨體系中的緩凝效果,他們認為體系的反應速率可以用相對固化程度Q來表示:式中△H為等溫條件下水泥固化過程中的累積放熱量,△HT為等溫條件下水泥固化過程中的最大放熱量。通過與反應時間關聯(lián)得MPC的凝固曲線如下(圖2)。圖2顯示,不含十水四硼酸鈉的體系凝結(jié)時間僅為5min,而含20%十水四硼酸鈉體系的凝結(jié)時間延長至20min,由此可知,加入緩凝劑是控制反應速率的有效方法,而且緩凝效果與緩凝劑用量直接相關。Sechra研究了以十水四硼酸鈉為緩凝劑的氧化鎂、磷酸二氫銨體系,得到兩條絕熱溫升曲線(如圖3所示)。Seehra指出,十水四硼酸鈉的加入會明顯抑制水化反應速率及放熱,圖3中的絕熱溫升曲線表明,從粉液混合算起,含10%十水四硼酸鈉體系約在12～15mm內(nèi)出現(xiàn)最高溫度峰,比不加緩凝劑體系推遲了近10min,而且緩凝劑含量越高,曲線越平緩,最高溫峰越低。Popovics指出,由于未緩凝體系的強度發(fā)展過快,固化體內(nèi)部可能存在缺陷,因此其強度是不穩(wěn)定的,而經(jīng)十水四硼酸鈉緩凝的體系在90天內(nèi)強度沒有衰減。以上研究顯示,緩凝劑的加入可以有效延長MPC的凝結(jié)時間,降低熱通量,從而有效地降低體系放熱所達的最高溫度,改善工作性能,提高可操作性,而且有助于體系后期強度的穩(wěn)定。但緩凝劑的加入同時會引起體系早期強度的降低,因此,其加入量須嚴格控制。1.5水含量對mpc性能的影響MPC體系中適量的液體有兩個作用,一是作為固體顆粒間的連接介質(zhì),使其處于粘連狀態(tài);二是作為反應介質(zhì)參與水化反應。用于MPC的固化液一般為水、酸式磷酸鹽或聚磷酸鹽的稀溶液。Popovics研究了氧化鎂、磷酸二氫銨體系,不同水含量時各性能指標的情況如表2所示。由表2可知,隨著固液比的增大(水含量減小),漿體流動性變差,凝結(jié)時間變短,固化體抗壓強度增大?？梢?要獲得較高的早期強度,應盡可能采用大的固液比,但最大固液比同時要受到漿體可操作性的制約。2材料緩凝機理一些學者對MPC的反應機理進行了研究,考察了體系水化反應程度、產(chǎn)物類型、微結(jié)構(gòu)及材料性能間的關系,并對緩凝機理提出了各自不同的假設。研究MPC的反應機理,對于了解這種材料的各種性質(zhì),優(yōu)化合成工藝,提高材料性能均有著重要意義。2.1氧化鎂、磷酸氫銨mpc體系多數(shù)學者認為MPC的反應機理是基于微溶鹽的酸堿反應。以氧化鎂、磷酸二氫銨體系為例,MPC粉末與水混合后,磷酸二氫銨在水中迅速溶解并離子化生成NH4+、H+、,氧化鎂粉末受到水與氫離子的進攻后,顆粒表面溶解生成Mg2+,游離出的Mg2+與NH4+及PO4-作用形成一種無定形的鎂一磷酸銨鹽絡合物水化凝膠,NH4MgPO4,·6H2O被認為是最主要的反應產(chǎn)物,隨著反應的進行,產(chǎn)物逐漸結(jié)晶析出,由于體系中氧化鎂過剩,析出的產(chǎn)物就覆蓋在氧化鎂粒子表面,并形成一層水化產(chǎn)物膜將氧化鎂粒子緊密地連結(jié)成-一體,這樣,在水化產(chǎn)物作用下整個體系逐漸凝結(jié)和硬化。Neiman和Sarma考察了氧化鎂、磷酸二氫銨體系后,給出了MPC反應的化學解釋。他們認為初始反應發(fā)生于水溶液介質(zhì)之中,NH4H2PO,與等量的MgO結(jié)合生成多分子結(jié)構(gòu)化合物(NH4MgPo4·6H2O)n,它可形成一鏈狀—O—P—O—Mg—O—P—環(huán),該環(huán)被富氫物質(zhì)如H2O和NH4+·H2O基團所包圍,這些基團可與過量的水、NH4H2PO4及其它(NH4MgPO4·6H2O)n形成氫鍵,并進一步形成膠體狀粒子,這些粒子通過類凝膠作用凝結(jié)在過量的氧化鎂粒子表面,從而完成初始的固化反應。Sarkar分析了不同氧化鎂、磷酸銨體系的反應產(chǎn)物,主要有NH4MgPO,·6H2O(struvite,鳥糞石)、NH4MgPO4,H2O(dittmarite,磷酸鎂銨石)、(NH4)2Mg(HPO4)2·4H2O(schertelite,磷銨鎂石)、Mg3(PO4):·4H2O及MgHPO4·3H2O(newberyite,磷鎂石),除以上產(chǎn)物外,還能檢測到大量過剩的氧化鎂,有時還有少量的氫氧化鎂。25℃時NH4MgPO4·66H2O的溶度積常數(shù)Ksp=2.5X10,而其它產(chǎn)物的Ksp遠大于該值,因此Sarkar認為,MPC水化產(chǎn)物主要為NH4MgPO41·6H2O是有根據(jù)的,它的存在將有利于MPC材料性能的提高。Sugma和Kukacka詳細研究了氧化鎂、磷酸氫二銨體系和氧化鎂、聚磷酸銨體系.報道了反應動力學、反應機理、強度發(fā)展以及反應產(chǎn)物等。他們提出MPC的反應機理類似于波特蘭水泥的水化機理,只是MPC體系的水化反應更為迅速,并認為反應之初為極性反應,即Mg2+與磷酸氫一銨分子上:-OH和、-O(NH4)基團的帶負電的氧原子反應,H和NH+被Mg2+所取代并逐漸形成凝膠狀態(tài)產(chǎn)物。由XRD、IR分折推測,反應產(chǎn)物有NH4MgPO4·6H2O、Mg3(PO4)2·4H2O、Mg3HPO4·3H2O及少量Mg(OH)2,其中片-狀NH4MgPO4·6H2O晶體對材料早期強度的發(fā)展貢獻最大。根據(jù)DSC(微分掃描量熱)的結(jié)果計算得氧化鎂、磷酸氫銨體系的反應活化能為127kJ/mol。Sugma和Kukacka進一步指出以聚磷酸銨代替單磷酸銨,固化體的早期強度明顯提高,但影響機理仍不清楚。poPovics等也考察了氧化鎂、磷酸二氫銨體系,根據(jù)XRD、IR、SFM分析提出氧化鎂、磷酸一氫銨體系的反應機理,認為MPC固化反應的速度決定了主要反應產(chǎn)物類型,反應速度快時以NH4MgP04·H2O為主,反應速度慢時則以NHMgPO4·6H2O為主,并由此推測,氧化鎂和磷酸二氫銨第一步反應的產(chǎn)物是NH4MgPO4·H2O,隨著反應的進行,在大量水的存在下,逐漸的轉(zhuǎn)變?yōu)镹H4MgPO4·6H2O。Abdelrazig和Sharp對MPC做了較為系統(tǒng)的研究,所采用的是氧化鎂、磷酸二氫銨體系,其結(jié)論與Sugama和Kukacka的結(jié)論不同,根據(jù)DTA及XRD的分析結(jié)果,Abdelrazig等認為MPC固化時首先生成中間體(NH4)2Mg(HPO4)2·4H2O,然后再轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧頝H4MgPO4,6H2O晶體,產(chǎn)物中僅含有極少量的NH4MgPO4·H2O,而Sugama等提到的Mg3(PO41)2·4H2O、Mg3HP04·3H2O及Mg(OH)2等化合物根本不存在。其固化反應方程如下:Abdelrazig等認為,加入三聚磷酸鈉在系統(tǒng)中不但可以作為緩凝劑通過與Mg2+絡合延緩了水化反應速率,提高了MPC漿體的工作性能,而且它的存在有助于(NH4)2Mg(HPO4)2·4H2O的生成,并進一步影響了NH4MgPO4·6H2O的形貌。2.2go標準溶液緩凝機理-一些常用于波特蘭水泥的緩凝劑也可用于MPC體系,不同的緩凝劑其緩凝機理也不盡相同。Sugama等根據(jù)常規(guī)波特蘭水泥的主要緩凝理論推測了十水四硼酸鈉的緩凝機理,提出沉淀假說,他們認為十水四硼酸鈉水解生成B4O72-離子,作為Mg2+的捕捉劑,它能與膠體相中的MgO粒子離解出的Mg2+快速反應,生成硼酸鎂沉淀并呈薄膜狀附著在氧化鎂粒子表面,該膜能強烈抑制氧化鎂與磷酸銨鹽之間的反應,延緩MPC的水化反應速率,直到被不斷離解出的Mg2+消耗完畢為止。這種緩凝機理并不廣泛適用于其它緩凝劑,對氟化物及氟硅酸鹽而言,由于氟化鎂、氟硅酸鎂的溶解度比硼酸鎂大,按該理論推測,其緩凝效果必然較差,而事實并非如此,Sarkar認為這是緣于溶液pH的影響,因為MPC的固化反應是一種酸堿反應,其反應速率必然受pH的控制。對于三聚磷酸鈉的緩凝機理,Abdelrazig等認為,三聚磷酸鈉能與溶液中的Mg2+螯合生成絡鹽,該絡鹽在氧化鎂顆粒表面形成一無定形的