孔隙率對(duì)多孔β-磷酸三鈣陶瓷結(jié)構(gòu)和釋藥速率的影響

韓辰　謝幼專　張軍　盧建熙

200011，　　上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院骨科、上海市骨科內(nèi)植物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(韓辰、謝幼專、張軍)；200335，　　上海貝奧路生物材料有限公司(盧建熙)

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孔隙率對(duì)多孔β-磷酸三鈣陶瓷結(jié)構(gòu)和釋藥速率的影響

韓辰謝幼專張軍盧建熙

200011，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院骨科、上海市骨科內(nèi)植物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(韓辰、謝幼專、張軍)；200335，上海貝奧路生物材料有限公司(盧建熙)

【摘要】目的研究孔隙率對(duì)β-磷酸三鈣(β-TCP)陶瓷結(jié)構(gòu)和釋藥速率的影響。方法在β-TCP粉末漿液中加入不同重量比的造孔劑聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)燒制圓片狀致密β-TCP陶瓷，分別測(cè)定其孔隙率、壓縮強(qiáng)度。在β-TCP粉末漿液中加入不同重量比的PMMA燒制圓柱狀載體β-TCP陶瓷并在其載藥腔中放置利福平粉末，于磷酸鹽緩沖液(PBS)中行4周釋放實(shí)驗(yàn)。 結(jié)果β-TCP陶瓷的孔隙率與PMMA含量呈線性相關(guān)，壓縮強(qiáng)度隨孔隙率增大而下降(P>0.05)，圓柱狀β-TCP載體的日均釋藥量隨孔隙率增加而增大，且每日釋放量穩(wěn)定，無顯著性波動(dòng)。結(jié)論孔隙率可顯著改變?chǔ)?TCP結(jié)構(gòu)，并影響釋藥速率，有望用于控制載藥β-TCP陶瓷載體的緩釋過程。

【關(guān)鍵詞】β-磷酸三鈣；藥物緩釋系統(tǒng)；孔隙率

骨組織感染是臨床骨科的難題，全身用藥往往在病變部位難以達(dá)到有效濃度，且骨組織感染常伴隨骨組織缺損，因此選擇合適的骨組織支架結(jié)合抗生素形成藥物緩釋系統(tǒng)是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)[1-3]。β-磷酸三鈣(β-TCP)是常見的骨修復(fù)材料，具有良好的生物相容性與骨傳導(dǎo)性[4-7]，將抗生素負(fù)載于β-TCP可達(dá)到局部持續(xù)釋放藥物、降低全身毒性與填充骨缺損的效果，如何控制藥物緩釋速率是目前載藥生物陶瓷支架研究的熱點(diǎn)。本研究在β-TCP陶瓷的制造過程中加入不同比重的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為造孔劑，觀察其對(duì)β-TCP陶瓷結(jié)構(gòu)和釋藥速率的影響。

1 材料與方法

1.1圓片狀β-TCP制備

將130 g 100%純度的β-TCP粉末混合58 g去離子水與3 g粘合劑，攪拌2 h后注入球磨桶內(nèi)，放入球磨機(jī)上滾漿數(shù)小時(shí)。將所得的β-TCP漿液等量分成8份，分別加入0 wt%、5 wt%、10 wt%、15 wt%、20 wt%、25 wt%、30 wt%、35 wt%的PMMA粉末，充分混勻后在磨具中加壓獲得圓片狀陶瓷胚體。室溫干燥2 h后，50℃烘箱干燥12 h。260℃汽化排膠后1 100°燒制成型。成品高3 mm、直徑11.8 mm，滅菌備用。

1.2載藥β-TCP制備

將1 300 g β-TCP粉末所制的漿液在磨具中加壓成型獲得中空?qǐng)A柱狀陶瓷胚體[8-10]。另將含0 wt%、10 wt%、20 wt%、30 wt% PMMA粉末漿液灌漿于中空陶瓷胚體內(nèi)壁(厚0.5 mm)。室溫干燥2 h后，50℃烘箱干燥12 h。260℃汽化排膠后1 100°燒制成型。成品高30 mm、外徑14 mm，內(nèi)含高為25 mm、內(nèi)徑147 mm的中空載藥腔，滅菌備用。

1.3β-TCP檢測(cè)

圓片狀β-TCP用紗布包裹在水中煮沸去除氣泡，冷卻后稱量其在水中懸重及空氣中濕重，放入80℃烘箱干燥1 d，測(cè)量干重，按阿基米德法計(jì)算其孔隙率，每種樣品測(cè)試4個(gè)。壓汞法檢測(cè)圓柱狀β-TCP孔隙率。

使用萬能材料壓縮機(jī)(Instron-8874)測(cè)定圓片狀β-TCP的壓縮強(qiáng)度，壓縮速率為2 mm/min。每種樣品測(cè)試4個(gè)。

圓片狀β-TCP陶瓷經(jīng)離子濺射儀噴金后，用掃描電鏡(SHitachi S-4800)觀察表面及截面，采用圖像分析軟件測(cè)定孔徑。

1.4β-TCP體外釋藥

在4組圓柱狀β-TCP載體載藥腔中加入0.2 g利福平粉末(美國(guó)Sigma-Aldrich公司)，硅膠塞封口，懸吊在250 mL藍(lán)口瓶中，內(nèi)含100 mL PH 7.4的磷酸鹽緩沖液(PBS)，液面距β-TCP陶瓷載體頂端5 mm。置于37℃恒溫箱內(nèi)，每日完全更換等量新鮮PBS溶液，使用Synergy HT酶標(biāo)儀(美國(guó)Bio-Tek公司)在波長(zhǎng)474 nm處測(cè)定洗脫液吸光度值，觀察4周。根據(jù)利福平溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算溶液中利福平濃度。

1.5統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

圓柱狀β-TCP的孔隙率為75%±10%。圓片狀β-TCP孔隙率與造孔劑PMMA含量的關(guān)系如圖1a所示，兩者之間線性回歸方程為：y=0.2284x-0.2025，相關(guān)系數(shù)R2=0.978，兩者基本呈線性關(guān)系。圓片狀β-TCP的壓縮強(qiáng)度如圖1b所示，各組間無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但隨著造孔劑含量的增加，β-TCP壓縮強(qiáng)度不斷降低。圓柱狀β-TCP載體每日釋藥量見圖2a，日均釋藥量隨造孔劑含量的增加(即孔隙率增加)而上升，各組間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。4組圓柱狀β-TCP 4周累計(jì)釋藥量分別為13.32、15.62、17.64、19.60 mg，累計(jì)釋藥率分別為6.66%、7.81%、8.82%、9.80%(圖2b)，可見各組釋藥過程平穩(wěn)，釋藥速率并未隨時(shí)間變化而改變，未見突釋現(xiàn)象。

圖1圓片狀β-TCP PMMP含量與孔隙率(a)及壓縮強(qiáng)度(b)的關(guān)系

圖2圓柱狀β-TCP PMMP含量與每日釋藥量的關(guān)系(a)及其累計(jì)釋藥量曲線(b)

**表示P<0.01，*表示P<0.05

掃描電鏡下圓片狀β-TCP形貌如圖3所示。未加入造孔劑時(shí)，材料截面有散在的微小孔隙，未見明顯孔結(jié)構(gòu)(圖3a)，而加入造孔劑后材料截面可見均勻的孔結(jié)構(gòu)，其內(nèi)壁有連接孔結(jié)構(gòu)(圖3b～3d)，3組孔徑大小分別為(39.95±5.31)μm、(40.74±5.09)μm和(46.2±8.83)μm，組間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，且單位面積內(nèi)孔數(shù)量隨著造孔劑含量的增加而明顯增多。

圖3掃描電鏡下圓片狀β-TCP截面a. 不加造孔劑的圓片狀β-TCP截面b. 造孔劑含量為10wt%的圓片狀β-TCP截面c. 造孔劑含量為20wt%的圓片狀β-TCP截面 d. 造孔劑含量為30wt%的圓片狀β-TCP截面

3 討論

鈣磷陶瓷因與骨組織有相似的鈣磷比而被廣泛應(yīng)用于骨修復(fù)領(lǐng)域，其中以β-TCP最為常用，β-TCP具有良好的生物相容性和生物降解性，常用于藥物緩釋載體的研究。載藥β-TCP陶瓷植入體內(nèi)后，體液通過微孔滲入載體，溶解藥物，并通過微孔滲出，從而達(dá)到緩釋目的[11-12]。因此，孔結(jié)構(gòu)是控制β-TCP載體藥物釋放速度的關(guān)鍵，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此研究較少，且結(jié)論不一[13-14]，本研究通過改變內(nèi)層β-TCP的孔結(jié)構(gòu)來研究其對(duì)緩釋過程的影響。

β-TCP的力學(xué)性能主要通過壓縮強(qiáng)度來表征。本實(shí)驗(yàn)表明，隨著造孔劑含量的不斷增加，β-TCP脆性增加，強(qiáng)度降低，盡管差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但其變化趨勢(shì)可見。掃描電鏡下圓柱狀β-TCP截面圖像也證實(shí)造孔劑的作用，造孔劑改變了β-TCP原本的形貌，繼而出現(xiàn)了均勻分布的孔結(jié)構(gòu)。隨著造孔劑含量的增加，孔徑?jīng)]有顯著變化，而孔的分布更密集，孔內(nèi)連接增多，孔內(nèi)連接率增高對(duì)藥物的釋放也有著促進(jìn)作用。

溶液吸附法簡(jiǎn)便易行，不破壞藥物結(jié)構(gòu)，是負(fù)載藥物的常用方法，包括真空溶液吸附法、動(dòng)態(tài)溶液吸附法和靜態(tài)溶液吸附法。但這些方法存在載藥量偏低且不可控等缺點(diǎn)，尤其是在樣品制備中藥液通過毛細(xì)管作用經(jīng)內(nèi)連接孔滲透至緩釋載體深部的孔結(jié)構(gòu)，載體冷凝后藥液干燥并留在孔內(nèi)及緩釋載體表面。在釋藥過程中，這種緩釋系統(tǒng)中與孔隙表面相連的藥物分子遵循Fickian擴(kuò)散機(jī)制，很容易快速釋放，從而造成突釋現(xiàn)象。本研究采用直接裝填法，將藥物直接裝載在載體中心儲(chǔ)藥腔中，載藥量大且可控，載體表面及內(nèi)部孔與連接孔中無藥物分布，藉此來避免突釋現(xiàn)象。本研究顯示，各組釋放過程均較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)突釋現(xiàn)象。β-TCP結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不僅有助于維持孔結(jié)構(gòu)而保證緩釋速率的穩(wěn)定，而且有助于維持載體強(qiáng)度。

各組日均釋藥量均隨造孔劑的增加而上升，表明內(nèi)層孔結(jié)構(gòu)可以調(diào)控β-TCP陶瓷載體釋藥速率。每組日均釋放量均在藥物有效濃度之內(nèi)(0.005～0.5μg/mL)[15]，且釋藥量最多的一組4周也僅僅釋放了10%的藥物，符合臨床上局部病灶長(zhǎng)期應(yīng)用抗生素治療感染的要求。降解過程中新骨逐漸形成[16-19]，為藥物緩釋治療骨組織感染伴骨缺損提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，但仍需進(jìn)一步進(jìn)行動(dòng)物體內(nèi)研究以明確β-TCP微結(jié)構(gòu)對(duì)體內(nèi)釋藥速率的影響及其生物學(xué)效應(yīng)。

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(收稿：2015-12-03; 修回：2016-02-01)

(本文編輯：盧千語)

The impact of porosity on the structure and drug releasing rate of porous β-tricalcium phosphate ceramics bioceramicsHANChen1,2,XIEYou-zhuan1,2,ZHANGJun1,2,LUJian-xi3.DepartmentofOrthopaedic,ShanghaiNinthPeople’sHospital,ShanghaiJiaotongUniversitySchoolofMedicine1,Shanghai200011,China;ShanghaiKeyLaboratoryofOrthopaedicImplants2,Shanghai200011,China;ShanghaiBio-luBiomaterialsCompanyLimited3,Shanghai200335,China

【Abstract】ObjectiveTo investigate the influence of porosity on the structure and drug release rate of β-tricalcium phosphate ceramics (β-TCP). Methods The β-TCP disks were produced by adding different weight ratio of pore-forming agents during the fabrication of β-TCP disks. The porosity, mechanical properties and scanning electronic microscopic images of the discs were studied. The porous β-TCP drug delivery system was produced. The releasing process was studied in the phosphate buffer saline (PBS) for four weeks. Results There was a linear correlation between the porosity and the polymethylmethacrylate (PMMA) content. With the increase of porosity, the compressive strength declined (P>0.05), and the release rates increased. The daily release rates were stable without the obvious undulation.Conclusion The porosity could significantly change the structure of β-TCP and regulate the drug release rate, which may help to control the release procedure of porous β-TCP drug delivery system.

【Key words】β-tricalcium phosphate； Drug delivery system； Porosity

Corresponding author:XIE You-zhuanE-mail: phoque711@163.com

DOI：10.3969/j.issn.1673-7083.2016.02.014

通信作者：謝幼專E-mail: phoque711@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(81071453)、上海市科委基金(1441901700)