Page 24 - 《精细化工》2023年第3期
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·480·                             精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 40 卷

                                                               热法和化学共沉淀法相较于固相反应法，制备工艺
                                                               更简单、煅烧时间更短，其中化学共沉淀法混合更
                                                               均匀，应用更广泛。

                                                               2   硅酸钙骨水泥的性能研究

                                                               2.1   力学性能
                                                                   人皮质骨的抗压强度在 90~230 MPa 之间，松
                                                               质骨的抗压强度在 2~45 MPa 之间          [3,51-52] ，骨的弹性
                                                               模量在 3~20 GPa 之间    [53] 。如果植入材料的弹性模量
                                                               过高，在材料/组织界面区域容易发生应力屏蔽而导
                                                                         [42]
                                                               致骨的吸收       ，所以，骨修复材料的力学性能，特
                       a、b—沉淀法；c、d—溶胶-凝胶法                      别是抗压强度      [54-55] 和弹性模量  [56] ，是决定骨修复材
                       图 1   硅酸钙粉体的 SEM 图     [44]                                            [57]
                Fig. 1    SEM images of calcium silicate powder [44]   料能否应用于人体的重要因素之一          。提高 CSC 力
                                                               学性能的常用方法有：掺杂金属离子、有机物、纳
            1.4   水热法                                          米粒子或与其他骨水泥复合。
                                                                               2+
                                                                                    2+
                 通过温度和压力的协同作用，采用水热合成法                              研究发现，Zn 、Sr 等金属离子的掺入能够提
            能在较短时间内获得超细、高纯度的粉体，可以避免                            高 CSC 的抗压强度      [58-59] 。ELTOHAMY 等 [58] 将 Zn 2+
                                                                                       2+
                                                                                                   2+
            溶胶-凝胶法会产生有害气体的缺陷。SINGH 等                  [47-48]  加入到 C 3 S 中替代部分 Ca 后发现，Zn 可以减缓
                                                                                      2+
            在温度为 205~215  ℃、压力为 17~19 MPa、Ca/Si                骨水泥的固化反应，当 Zn 替代量为 10%（摩尔分
            物质的量之比为 2.0 的条件下，通过水热反应制备                          数）时，骨水泥的抗压强度达 35 MPa。LIU 等                 [59]
            了 CSH 粉体，然后将 CSH 粉体在 900  ℃下煅烧分                    利用溶胶-凝胶法成功合成了掺锶硅酸三钙〔Sr x Ca 3 -
            解得到高反应活性的 β-Ca 2 SiO 4 （缩写为 β-C 2 S），28 d          xSiO 5 ，x 代表 Sr 掺入量，取值为 0~2%（摩尔分数）〕
                                                                                         2+
            抗压强度达到 35 MPa，而使用 B 2 O 3 作为稳定剂在                   骨水泥，在固化 14 d 后，Sr 掺入量为 0.25%（摩
            1450  ℃下制备的 β-C 2 S 的抗压强度在 28 d 只有                 尔分数）的 Sr x Ca 3 -xSiO 5 抗压强度最高达 45 MPa。
            5 MPa [48] ，所以，水热法制备的 β-C 2 S 具有更高的抗                   加入有机物也可提高 CSC 的抗压强度。CHUNG
            压强度。                                               等 [35] 将 γ-聚谷氨酸（γ-PGA）和 C 3 S 复合，发现少
                 HO 等  [49] 在不使用乙醇和酸性介质的条件下，                   量的 γ-PGA 可将骨水泥抗压强度提高到 22.3 MPa，
            采用水热法合成了 CS 粉体，以水为溶剂，将 TEOS                        高浓度的 γ-PGA 对加速水化过程起到重要作用，但
            和 HNO 3 混合，在烘箱中 120  ℃加热 24 h，随后在                  也会导致局部 pH 更高、对细胞更有害，当复合物
            高温炉中 800  ℃煅烧 2 h，冷却至室温后研磨成粉                       中 γ-PGA 掺量（以复合物质量计）25.0%增加到
            末，并将其与水调和成骨水泥。DING 等                [50] 通过一种      33.3%时，细胞活力下降了 10%，当 γ-PGA 在复合材
            简单的压力-水热法制备了硅酸钙-明胶（CS-Gel）复                        料的掺入量为 20%~25%时，细胞活力大于 120%，且
            合材料。首先采用溶胶-凝胶法制备出 CS 粉末，后                          与其他掺量相比具有最佳的抗压强度，高于 18 MPa。
            将 CS 粉末与明胶溶液混合，粉液比为 2 g/L，将混                       ZHANG 等   [60] 制备了硅酸三钙/聚磷酸盐/聚乙烯醇
            合物在室温下干燥 12 h，用单轴压机在 500 MPa 压                     （C 3S/CPP/PVA）有机-无机复合骨水泥，该复合骨
            力下在圆柱形不锈钢模具中成型 1 min，在 60 ℃的                       水泥固化时间短（5.5~37.5 min），C 3 S 与 CPP 质量
            去离子水中浸泡 1 h，进行水热处理，然后在 60  ℃                       比为 5∶5~6∶4 时，骨水泥的抗压强度稳定在 28
            的烤箱中干燥 2 d 最终得到 CS-Gel 复合材料，其抗                     MPa 左右；此外，PVA 有效地降低了骨水泥的脆性；
            压强度最大能达到 141.7 MPa，可用于骨组织的承重                       骨水泥表面也可持续降解，在 56 d 内达到最大降解
            部位。                                                率，为 49%，且骨水泥结构完好。
                 水热合成法作为溶胶-凝胶法的替代方法，可在                             SHIE 等 [61] 在 CSC 中掺入质量分数为 1%的石墨
            相同的反应和煅烧温度下制备出活性和抗压强度高                             烯，可使其杨氏模量比未掺石墨烯的 CSC 提高约
            的硅酸钙类粉体。                                           47.1%。TANG 等   [62] 将氧化石墨烯（GO）加入到含
                 综上，硅酸钙类骨水泥常用的制备方法中，固                          球文石型 CaCO 3 的 C 3 S 骨水泥（V-C 3 S）中，结果
            相法需高温反复煅烧；水热法和固相反应法需在制                             表明，V-C 3 S 凝结时间为 13 min，随着 GO 掺入量
            备过程中加入稳定剂来稳定晶型；溶胶-凝胶法、水                            （以复合物质量计）的增加，GO/V-C 3 S 凝结时间逐
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