基于PPF交联复合技术的仿生材料制备及性能测试与试验结果

白玉飞　杨海燕

摘 要：针对传统骨折用推注仿生材料存在生物力学缺陷的问题，提出一种新型聚富马酸丙二醇酯（PPF）交联复合仿生材料的制备。试验结果表明：PPF交联复合材料的优化配比PPF为9 g，β-TCP为3 g，N-VP为4.5 mL，BP为0.09 g，DMPT为9 μL；以此条件制备的复合物交联温度为4.6 ℃，抗压强度和压缩模量分别为98 MPa和1.1 GPa；以小牛椎体为试验对象，骨折后小牛椎体注射PPF交联复合物后，高度恢复百分比约为60%；术后强度约为（1 848±219） N，术后刚度约为（182±15） N/mm，与术前椎体的强度较为接近，可以有效避免进入骨折椎体后因应力过大引起的相邻椎体应力性骨折，满足康复用仿生材料的使用需求。

关键词：康复仿生材料；脊柱骨折骨水泥；生物力学性能

中图分类号：TQ427 文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0064-04

Preparation and performance testing with experimental results of biomimetic materials based on PPF crosslinking composite technology

BAI Yufei，YANG Haiyan

（Beijing Rehabilitation Hospital affiliated to Capital Medical University，Beijing 100144，China）

Abstract：In response to the biomechanical deficiencies of biomechanical defects of traditional implant bionic materials for fracture，a new type of cross-linked composite bionic material of polypropylene fumarate （PPF） was proposed. The test results showed that the optimal ratio of PPF crosslinked composite PPF was 9 g，β- TCP was 3 g，N-VP was 4.5 mL，BP was 0.09 g，DMPT was 9 μ L. The crosslinking temperature of the composite prepared under this condition was 4.6 ℃，the compressive strength and compressive modulus were 98 MPa and 1.1 GPa respectively. The calf vertebral body was taken as the test object.After fracture，the calf vertebral body was injected with PPF cross-linked compound，and the percentage of high recovery was about 60%.The postoperative strength was about 1 848±219 N，and the postoperative stiffness was about 182±15 N/mm，which was close to the preoperative strength of the vertebral body.It can effectively avoid the stress fracture of adjacent vertebral body caused by excessive stress after entering the fractured vertebral body，and meet the use demand of bionic materials for rehabilitation.

Key words：biomimetic rehabilitation materials;spinal fracture bone cement;biomechanical properties

隨着现代人口老龄化问题的加剧，越来越多的人受骨质疏松症的困扰。脊柱压缩性骨折是骨质疏松症最常见并发症之一，多表现为突发，持续时间长，患者需要长时间受到椎体体位变化而引起的背部疼痛。若未及时得到治疗，可能导致脊柱向后凸畸形，影响胸腔容积，进而导致肺功能受损，造成严重的后果。为了更好的治疗脊柱压缩性骨折，部分学者也进行了很多研究，如薛广系统研究了保守治疗、传统椎弓根螺钉内固定术和微创治疗对脊柱压缩性骨折的治疗效果。试验结果，通过往脊柱压缩性骨折部位注射骨水泥，能有效的减缓患者的症状［1］。比较了经皮椎体成形术（PVP）与球囊扩张椎体后凸成形术（PKP）用于治疗脊柱压缩性骨折的临床效果。试验结果表明，KPK方法可有效恢复椎体高度，减少骨水泥的渗透，是目前较为科学的治疗脊柱压缩性骨折的方法［2］。对骨水泥的灌注量进行优化，研究了骨水泥灌注量对脊柱压缩性骨折的治疗效果。试验结果表明，不考虑骨水泥渗漏的情况，占骨折椎体体积16%骨水泥对椎体骨折的治疗效果最佳［3-4］。以上学者的研究表明，通过在脊柱压缩性骨折部位注射骨水泥是治疗脊柱压缩性骨折的有效方法，缓解患者的症状。但目前所用的骨水泥存在不可避免的生物缺陷，如凝固后强度和刚度明显高于脊柱原本的强度和刚度，这就容易造成骨水泥进入骨折椎体后因应力过大引起的相邻椎体应力性骨折的问题。为了寻找一种安全性更高的骨水泥，本试验以文献［5］的研究为参考，制备了一种新型PPF交联复合材料，为治疗脊柱压缩性骨折提供新的材料。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料：富马酸二乙酯（AR），穗华生物科技；丙二醇（AR）， 百瑞新材料；对苯二酚（AR），晶科化工；氯化锌（AR），铭之鑫化工；二氯甲烷（AR）， 广宇化工；乙烯基吡咯烷酮（ N-VP）（AR），裕德顺化工；医用磷酸三钙（β-TCP）（AR），晨明生物科技；二甲基-β-丙酸噻亭（DMPT）（AR），鹏宇生物科技；磷化硼（BP）（AR），广奥生物科技。

主要设备：R-1020型旋转蒸发仪天辰仪器；DJ-1型智能磁力搅拌机予华仪器；DZF型真空干燥箱弘创干燥设备；HY-0580型生物力学试验机，企业想检测仪器。

1.2 试验方法

1.2.1 聚富马酸丙二醇酯的制备

（1）按照1∶3的摩尔比依次将富马酸二乙酯和丙二醇放入三口烧瓶中，然后在避光条件下，按照富马酸二乙酯∶对苯二酚∶氯化锌=1∶0.02∶0.01的摩尔比依次放入催化剂氯化锌和阻滞剂对苯二酚;

（2）按照3 min/℃的升温速率将温度提升至150 ℃后进行保温反应，保温时间为8 h，得到前聚体HPF和乙醇;

（3）在智能磁力搅拌机的作用下进行搅拌降温处理，控制降温过程为4 h将反应物温度降至100 ℃;

（4）将真空装置连接至三口烧瓶上，然后在真空装置的作用下将体系压力降至低于10 mmHg。按照5 min/℃的升温速率体系温度提升至150 ℃，保温反应12 h，停止对反应物的加热，自然降温至100 ℃以下，开放缓冲瓶的进气阀门，平衡反应体系的内外压，关闭真空泵;

（5）待反应体系降至室温后，按照与反应物1∶1的体积比将二氯甲烷分批次缓慢的加入至反应体系内，然后依次用浓度为1 mol/L的盐酸和饱和氯化钠溶液进行清洗，最后放入无水硫酸钠干燥，干燥时间为12 h;

（6）在R-1020型旋转蒸发仪和循环水式多用真空泵的作用下加热减压去除多余的二氯甲烷溶剂，加热温度为40 ℃。在DZF型真空干燥箱的作用下对产物进行干燥，产物为棕黄色透明粘稠液体状的聚富马酸丙二醇酯（PPF）。

1.2.2 PPF交联复合物的制备

（1）将 N-VP 一分为二，其中一部分依次加入PPF、β-TCP、DMPT，震荡使其充分溶解备用；另一部分放入BP，充分震荡使其充分混合。将2部分 N-VP溶液混合并充分搅拌;

（2）通过5 mL注射器抽取混合物，待其充分固化后，得到乳白色圆柱形样品，对样品进行切割打磨。复合物配比如表1所示。

1.2.3 小牛椎体试验

试验选择PMMA 骨水泥作为PPF交联复合物人工骨仿生材料的对比进行小牛椎体试验，确定PPF交联复合物作为人工骨仿生材料的可行性。

（1）选择多组经过处理的、受力面积接近的小牛腰2、腰3锥体分为2份：一份为注射PPF交联复合物；一份为注射PMMA 骨水泥，分别记为A组和B组；

（2）通过HY-0580型生物力学试验机制造压缩骨折模型，小牛椎体初始强度、刚度与压缩后高度通过力学试验机记录；

（3）分别在室温条件下注射PPF交联复合物和PMMA 骨水泥，当注射阻力增大至无法推注，记录每个椎体样品的注入量。将注射有填充物的小牛椎体静置12 h，使其充分凝固，测量并记录椎体术后高度；

（4）通过HY-0580型生物力学试验机再次进行力学测试，记录术后椎体强度与刚度。

1.3 性能测试

1.3.1 力学性能测试

（1）将小牛椎体固定在生物力学试验机上，对椎体施加100 N的力1 min，以去除椎体自身松弛、蠕变和时间效应对试验结果的影响；

（2）以1 mm/min的速率对椎体进行垂直施压，直至样品坍塌，小牛椎体初始强度、刚度与压缩后高度通过力学试验机记录；

（3）以同样的方法对术后小牛椎体进行试验，记录术后椎体初始强度、刚度与压缩后高度。

椎体高度恢复百分比表达式为［6-7］：

hz=（h1-h2）／（h0-h2）×100%（1）

式中：hz为术后椎体高度恢复，%；h1为椎体术后高度，cm；h2为椎体压缩后高度，cm；h0为椎体初始高度，cm。

2 结果与讨论

2.1 PPF交联复合物力学性能表征

在PPF与β-TCP、DMPT复合的过程中，通过红外电子温度计对各组交联温度进行记录，通过生物力学机对压缩过程中的抗压强度和压缩模量数据进行记录，试验结果如图1所示。

由图1可知，在反应过程中，随体系内β-TCP质量比的增加，交联温度、抗压强度和压缩模量均有一定增加。

从交联温度方面看，最高交联温度仅为47.6 ℃，明显对于 PMMA骨水泥反应时中心最高温度100 ℃，这就说明PPF交联复合物作为人骨仿生材料使用时，不会因为交联温度过高而造成周边组织的损伤，提升仿生材料的安全性［8-9］。

从力学性能方面看，PPF与β-TCP质量比为3∶1时，复合物抗压强度和压缩模量分别为98 MPa和1.1 GPa，当PPF与β-TCP质量比为2∶1时，复合物抗压强度和压缩模量分别为100 MPa和0.45 GPa，PPF與β-TCP质量比为3∶1时的复合物抗压强度介于人体松质骨与皮质骨的抗压强度间，压缩模量更接近于人体松质骨压缩模量，因此可认定，PPF与β-TCP质量比为3∶1制备的复合物更满足骨组织工程填充材料的力学要求［12］。在后续试验中，选择第3组配比继续进行试验，即优化配比：PPF为9 g，β-TCP为3 g，N-VP为4.5 mL，BP为0.09 g，DMPT为9 μL。以此条件制备的复合物交联温度为47.6 ℃，抗压强度和压缩模量分别为98 MPa和1.1 GPa。

2.2 小牛椎体试验结果

2.2.1 高度恢复情况

通过生物力学试验机对手术前后小牛椎体高度进行测试记录，确定不同仿生材料对椎体高度的影响，结果表2所示。

由表2可知，注射PPF交联复合物和PMMA 骨水泥的高度恢复百分比分别约为60%和62%，两组椎体高度恢复情况并没有明显的差异。以上变化就说明了，在椎体恢复高度方面，PPF交联复合物和PMMA 骨水的作用较为类似，满足康复用仿生材料的使用需求［13-14］。

2.2.2 生物力学表征

对手术前后的小牛椎体生物力学进行测试，结果如表3。

由表3可知，PPF交联复合物和PMMA 骨水泥的注射量分别约为3.5、3.7 mL，注射量差异较小，因此注射量对力学性能的影响较小，几乎可以忽略不计，因此在后续试验中比较力学性能时，不考虑注射量对生物力学的影响［16-18］。对注射后椎体的强度进行比较可以发现，PPF交联复合物和PMMA 骨水泥的术后强度分别约为（1 848±219）、（3105±452） N，骨水泥组术后强度明显高于PPF交联复合物组。与术前小牛椎体强度进行对比可以发现，PPF交联复合物组的强度与小牛椎体初始强度较为接近，而骨水泥组的术后强度明显高于小牛椎体的初始强度。对小牛椎体术后刚度进行统计，PPF交联复合物和PMMA 骨水泥的术后刚度分别为（182±15）、（296±37） N/mm，刚度的变化术后强度的变化较为接近。以上数据变化说明，以骨水泥为仿生材料修复椎体，力学强度和刚度明显高于小牛初始椎体，但较高的力学强度和刚度在椎体内部可能引发诸多并发症，造成一些不好的结果［19-20］。而PPF交联复合物的力学强度和刚度与椎体初始强度和刚度较为接近，可以很好促进骨折后椎体的恢复，避免并发症的发生。

3 结语

试验制备的PPF交联复合物仿生材料与人体骨折椎体的力学性能较为接近，达到骨修复仿生材料使用标准。

（1）PPF与β-TCP质量比为3∶1时，交联温度约为46 ℃，复合物抗压强度和压缩模量分别为98 MPa和1.1 GPa，抗压强度介于人体松质骨与皮质骨的抗压强度间，压缩模量更接近于人体松质骨压缩模量，满足骨组织工程填充材料的力学要求；

（2）注射PPF交联复合物高度恢复百分比约为60%，与PMMA骨水泥高度恢复并没有明显的差异。在椎体恢复高度方面，PPF交联复合物和PMMA骨水的作用较为类似，满足康复用仿生材料的使用需求；

（3）注射PPF交联复合物的小牛椎体术后强度约为（1848±219）N，术后刚度约为（182±15）N/mm，与术前椎体的强度较为接近，可以有效避免进入骨折椎体后因应力过大引起的相邻椎体应力性骨折。

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收稿日期：2023-02-15；修回日期：2023-05-26

作者簡介：白玉飞（1990-），女，本科，护师，研究方向：康复护理与健康管理;E-mail：13466593768@163.com。

通讯作者：杨海燕（1987-），女，本科，主管护师，研究方向：康复护理与健康管理;E-mail：13466593768@163.com。

引文格式：白玉飞 杨海燕.基于PPF交联复合技术的仿生材料制备及性能测试与试验结果[J].粘接，2023，50（6）：64-67.