以人骨、牛骨、豬骨和羊骨組織為原材料,在測試原骨組織抗壓強度后,于800℃煅燒8 h,除去有機成分及其相應的抗原性,形成不同來源的骨磷灰石。通過組成和結構測試,并比較人骨組織形成的磷灰石與其它三種動物骨組織形成的磷灰石的組成和結構差別,確定哪種動物骨組織獲得的磷灰石更接近于人骨磷灰石、在材料學性能上更適合作為人體修復和替代材料。結果表明,羊骨的抗壓強度與人骨密質骨抗壓強度接近,為(135.00±7.84) MPa。傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、X-射線衍射(XRD)分析結果表明,羊骨磷灰石和人骨磷灰石具有更接近的結構和物相組成;電感耦合等離子譜(ICP)測試結果表明,羊骨磷灰石中的微量元素與人骨磷灰石更為接近;能量彌散譜(EDS)測試結果表明,羊骨磷灰石和人骨磷灰石的Ca/P值最為接近,為1.73±0.033;掃描電鏡(SEM)分析結果表明,羊骨磷灰石與人骨磷灰石具有更接近的微觀形貌。研究顯示,羊骨與人骨具有更接近的抗壓強度、煅燒后的羊骨磷灰石無機組成成分與形貌和人骨磷灰石相似,在材料學性能方面煅燒后的羊骨磷灰石更適合作為潛在的無機生物陶瓷材料。
引用本文： 樊曉霞, 任浩浩, 陳抒天, 王廣妮, 鄧天煜, 陳星陶, 嚴永剛. 不同來源天然骨磷灰石的材料學性能比較研究. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(2): 352-356. doi: 10.7507/1001-5515.20140066 復制
引言
骨組織是由弱結晶的羥基磷灰石和膠原組成的具精密結構和特定生理功能的納米復合材料，其中磷灰石含量約為65%[1]。大量的病變、損傷和老年骨質疏松都使是骨組織的功能喪失或降低，需要及時修復和重建[2-3]。目前使用的無機修復材料主要有硫酸鈣、磷酸鈣和合成羥基磷灰石[4-6]。硫酸鈣為骨組織修復提供所需鈣離子、但是缺少骨組織需要的磷元素；磷酸鈣雖然能夠為骨組織修復提供所需鈣磷元素、但與骨組織中的磷灰石不是同一物質，其降解吸收與骨組織修復的速度不相匹配[7]。而合成的羥基磷灰石與骨組織中的磷灰石在組成和結構存在細微差別、很多性能上不能滿足骨修復的需要[8]。因為骨組織結構在不同種動物間存在著高度同源性，因此動物骨在作為替代材料時有很大的優勢，但不同宿主體之間存在免疫排斥、疾病傳染等問題，動物骨組織是不能直接用于人體骨組織修復的[9]。一般的方法是通過高溫煅燒、除去動物骨組織中的膠原等有機物質，獲得高活性的羥基磷灰石。譬如，高心等人把牛骨煅燒后的骨磷灰石作為骨缺損支架材料研究[10]，張殿忠等[11-12]在研究煅燒骨磷灰石在修復骨缺損時也取得了滿意的結果。
但是不同物種由于生存環境、食物結構和本真結構不同，其骨組織的組成和結構也存在差別，煅燒后獲得的磷灰石組成和結構也有差別，因此比較人骨組織與不同動物骨組織煅燒后的磷灰石的組成和結構，可以獲得與人骨磷灰石組成和結構更接近、活性更高、傳導性和誘導性更好的磷灰石，為病變和受損骨組織修復提供性能優異的材料。本文選取人骨組織、山羊骨組織、豬骨組織和牛骨組織通過煅燒，分析其組成和結構，以此確定哪種動物骨在煅燒后形成的磷灰石與人骨磷灰石更接近、在材料學性能方面更適合作為潛在的無機生物陶瓷材料。
1 材料與方法
1.1 材料
牛骨、豬骨和羊骨：均為新鮮成年腿骨，市場購買；
人骨：成年腿骨，重慶醫科大學第一附屬醫院提供，患者手術后自愿捐贈。
1.2 骨磷灰石樣品制備
各種新鮮骨組織于室溫下晾干，部分切為6 mm×6 mm×2 mm塊狀體，作為抗壓強度測試樣品；將部分新鮮骨組織搗碎后分置入坩堝內，在800 ℃下煅燒8 h，自然冷卻至室溫，樣品為白色骨磷灰石支架，供組成和結構形貌測試使用。
1.3 測試與表征
力學性能測試： REGER30-50型萬能力學試驗機，抗壓強度樣品尺寸為6 mm×6 mm×2 mm，壓縮速度為0.5 mm/min；傅里葉變換紅外光譜(Fourier transforms-infrared spectrum，FT-IR)分析：Nicolet 170SX 型FT-IR 儀，采用溴化鉀壓片制樣，400~400 cm-1；X-射線衍射(X-ray diffraction，XRD)分析：日本理學電機3014 型X-射線衍射儀，樣品于100 ℃干燥4 h，光源為Cu-Ka，掃描范圍為10~70°,掃描速率為2°/min,工作電流為25 mA；金屬離子含量：IRIS Advantage 型電感耦合等離子體質譜儀(Inductively Coupled Plasma,ICP)，硝酸為溶劑；Ca/P比及形貌表征：日立JEOL JSM 5600LV型掃描電鏡(scanning electron microscopy，SEM)，樣品表面做噴金處理，測試電壓20 kV。
2 結果與討論
2.1 抗壓強度測試
表 1為天然人骨、牛骨、羊骨和豬骨股骨組織的抗壓強度測試。結果表明人骨股骨組織抗壓強度最高，與羊骨股骨組織抗壓強度相差不大，達到(135.00±7.84) MPa，而牛骨與豬骨股骨組織的抗壓強度相對較低，羊骨組織作為替代材料比其他兩種動物骨組織更有優勢。一般情況下人體密致骨的抗壓強度為130~180 MPa[13]，從生物力學強度考慮，人體骨組織強度和模量越接近、力學傳導性越好、應力屏蔽越小，越有利于組織的修復和創建；單純考慮抗壓強度，這三種動物骨材料幾乎都達到了人體支撐材料的標準。但是作為人體支撐材料，除了生物力學外、要考慮其生物相容性、免疫排斥、生物活性和生物安全性，因此各種動物骨都不能直接作為人體骨組織修復材料使用、都必須經過滅活或者去除膠原方可作為人體組織修復材料使用，而滅活和除去膠原對其力學性能影響很大[14]。
表1
人骨、牛骨、羊骨和豬骨密質骨組織的抗壓強度(MPa)
Table1.
The original compressive strength of raw human thigh bone，bovine bone，goat bone and pig bone (MPa)
2.2 傅里葉變換紅外光譜分析
圖 1為4種不同來源骨磷灰石的FT-IR圖譜。從圖 1中可以看出4種骨磷灰石的FT-IR圖譜相差不大，3 446 cm-1可以歸結為O-H的伸縮振動峰；1 456 cm-1處為CO32-伸縮振動峰；1 050 cm-1附近為PO43-反對稱伸縮振動峰；566 cm-1為PO43-彎曲振動雙峰[15]，由此可以推測a、b、c、d所含物質基本一致，主要成分均為羥基磷灰石。此外我們還可以從圖 1中看出(d)中1 050 cm-1處和566 cm-1處出現的峰的吸收強度明顯較其他磷灰石高，這可能是由于羊骨磷灰石中含有較多PO43-所致。根據紅外圖譜我們可以推測4種不同來源骨磷灰石組成成分相差不大，且羊骨磷灰石中的PO43-離子含量最多。據文獻[16]報道，生物材料在植入人體內后釋放的Ca和P離子有利于細胞的增殖、分化。因此，相對其他兩種骨磷灰石材料來說，羊骨磷灰石更有作為無機生物陶瓷材料的優勢。
圖1
(a)牛骨、(b)人骨、(c)豬骨和(d)羊骨磷灰石的傅里葉變換紅外圖譜
Figure1.
FT-IR spectra of bone-like apatite of different bone resources: (a)bovine bone，(b)human bone，(c)pig bone and (d)goat bone
2.3 X-射線衍射分析
圖 2為不同來源骨磷灰石的XRD圖譜。從圖 2可以看出各種骨磷灰石樣品均出現了羥基磷灰石的特征衍射峰，峰形尖銳且極其相似，這表明灰化后的骨樣均由高結晶度的羥基磷灰石組成。文獻報道，骨的煅燒可以明顯改善骨中晶態羥基磷灰石的結晶度,并使非晶態的羥磷灰石轉變為晶態結構,這與王大志、胡耀武等[17-18]的研究結果一致。經PDF標準數據檢索,發現磷灰石樣品中除含有羥基磷灰石外,還含有相當數量的石英、鈉長石和鉀長石成分，這種細微的物相組成是合成羥基磷灰石很難精確控制的。作為骨修復替代材料，天然磷灰石中含有的各種人體所需成分有助于骨的修復和再生，與合成羥基磷灰石相比，具有很多的優勢。XRD圖譜結果表明，各種動物骨磷灰石的結構和物相與人骨磷灰石相似。
圖2
(a)牛骨、(b)人骨、(c)豬骨和(d)羊骨磷灰石的XRD圖譜
Figure2.
XRD patterns of bone-like apatite of different bone resources: (a)bovine bone，(b)human bone,(c)pig bone and (d)goat bone
2.4 電感耦合等離子譜測試
表 2為煅燒后4種不同來源骨磷灰石中的金屬含量。從表 2可以看出不同來源的磷灰石中幾種金屬離子含量不同，但是每種骨磷灰石中金屬含量的數量級是一致的。Sr是人體必需的微量元素，能促進骨骼生長發育[19]，在幾種骨磷灰石中，羊骨磷灰石中Sr的含量與人骨磷灰石中Sr的含量最為接近；Fe是血紅蛋白的重要組成成分，是輸送氧和交換氧的重要元素[20]，對比幾種磷灰石中Fe的含量得出結論，羊骨磷灰石中Fe的含量更接近人骨；Zn能夠影響人體體格和大腦的發育[21]，測試結果表明豬骨磷灰石與人骨磷灰石中Zn的含量最為接近。人體骨在修復的同時人體需要供給多種微量元素才能確保骨修復的正常發生，由于煅燒骨磷灰石中含有大量天然的微量元素，對骨再生修復起到很大的作用，因此這三種骨磷灰石材料在所含天然金屬離子中均具有相當優勢，相對其他兩種骨磷灰石，羊骨磷灰石在金屬離子含量上更具有適用性。
表2
人骨、牛骨、羊骨和豬骨磷灰石中部分金屬離子含量
Table2.
Metal ion content of bone-like apatite of different bone resources: human bone，bovine bone，goat bone and pig bone
2.5 能量彌散譜測試
由EDS測試結果可知，人體骨的無機成分和動物骨的無機成分基本都是羥基磷灰石，測試各種煅燒骨磷灰石中的Ca/P值可以很好地對比動物骨磷灰石與人骨磷灰石的差異。4種不同來源骨磷灰石的Ca/P值如表 3所示。結果顯示羊骨磷灰石和人骨磷灰石的Ca/P值接近，達到1.73±0.033；牛骨磷灰石的Ca/P值最高，為1.89±0.037； 豬骨磷灰石的Ca/P值則相對偏低，為1.61±0.031。理論上，羥基磷灰石中Ca/P值為1.67，由于各種微量元素離子對鈣離子的取代、碳酸根對磷酸根的取代，使得骨中的磷灰中Ca/P值不是嚴格的1.67，并且與生物體年齡密切相關，年齡越大Ca/P值越大[22]。本研究顯示，羊骨磷灰石與人骨磷灰石的Ca/P值相近，在無機成分構成方面更適合作為人體替代與修復材料而使用。
表3
人骨、牛骨、羊骨和豬骨磷灰石中的Ca/P值
Table3.
Ca/P value of bone-like apatite of different bone resources: human bone，bovine bone，goat bone and pig bone
2.6 掃描電鏡分析
圖 3是幾種煅燒骨磷灰石的SEM圖片，如圖 3所示，(a)和(b)呈現的掃描狀態相似，都為大量結塊的凝聚態，(c)和(d)則為結塊的松散狀，一般情況下，顆粒越疏松、比表面積越大、活性越高，越有利于細胞的黏附和傳導成骨。骨煅燒去除有機成分后，形成了天然的多孔結構，在800 ℃下煅燒的骨磷灰石有一定的降解性[9]，因此可以推斷宿主骨組織沿著多孔骨磷灰石生長的同時骨磷灰石能夠慢慢降解，溶蝕，逐步被新生成的骨組織取代。比較幾種不同來源骨磷灰石形貌，發現羊骨在煅燒后的形態更為接近人骨，在骨重建無機陶瓷材料替代方面更有優勢。
圖3
(a)牛骨、(b)豬骨、(c)羊骨和(d)人骨磷灰石的掃描形態圖
Figure3.
SEM morphologies of bone-like apatite of different bone resources：(a)bovine bone，(b) pig bone (c) goat bone and (d) human bone
2.7 有機含量測試
表 4為不同骨在煅燒前后物質的含量變化與未煅燒時骨的含量的比值，比值公式由W(%)=(W0-W1)/W0×100%計算，其中W0為原骨組織質量，W1為煅燒后骨磷灰石的質量。有機物質百分含量的數值大小反應了骨的硬度與韌性的關系，一般情況下，骨組織中無機物含量約為60%，不同組織中無機物含量有較大差別，含量越高，骨硬度越大，如牙釉質無機含量達到96%，是人體最硬的組織[23]。通過表中數據可知，牛骨中有機物質含量最低，豬骨中有機物質含量最高，豬骨與羊骨有機含量與人骨更接近，羊骨和豬骨的有機物質在含量上更有作為替代材料的優勢。
表4
人骨、牛骨、羊骨和豬骨中的有機物質百分含量
Table4.
Organic percentage content of different bone resources: human bone，bovine bone，goat bone and pig bone
3 結論
本文通過對人骨組織與牛骨、豬骨和羊骨組織的力學性能測試以及對煅燒后各種不同來源骨磷灰石的結構、組成和形貌測試比較，得到結論如下：羊骨的抗壓強度與人骨密質骨抗壓強度接近，為(135.00±7.84) MPa；FT-IR、XRD分析結果表明，羊骨磷灰石和人骨磷灰石具有更接近的結構和物相組成；ICP測試結果表明,羊骨磷灰石中的微量元素與人骨磷灰石更為接近；EDS測試結果表明，羊骨磷灰石和人骨磷灰石的Ca/P值最為接近，為1.73±0.033；SEM圖形表明，羊骨磷灰石與人骨磷灰石具有更接近的微觀形貌。不同來源研究顯示，羊骨與人骨具有更接近的抗壓強度，煅燒后的羊骨磷灰石無機組成成分與形貌和人骨磷灰石相似，在材料學性能方面煅燒后的羊骨磷灰石更適合作為潛在的無機生物陶瓷材料。
引言
骨組織是由弱結晶的羥基磷灰石和膠原組成的具精密結構和特定生理功能的納米復合材料，其中磷灰石含量約為65%[1]。大量的病變、損傷和老年骨質疏松都使是骨組織的功能喪失或降低，需要及時修復和重建[2-3]。目前使用的無機修復材料主要有硫酸鈣、磷酸鈣和合成羥基磷灰石[4-6]。硫酸鈣為骨組織修復提供所需鈣離子、但是缺少骨組織需要的磷元素；磷酸鈣雖然能夠為骨組織修復提供所需鈣磷元素、但與骨組織中的磷灰石不是同一物質，其降解吸收與骨組織修復的速度不相匹配[7]。而合成的羥基磷灰石與骨組織中的磷灰石在組成和結構存在細微差別、很多性能上不能滿足骨修復的需要[8]。因為骨組織結構在不同種動物間存在著高度同源性，因此動物骨在作為替代材料時有很大的優勢，但不同宿主體之間存在免疫排斥、疾病傳染等問題，動物骨組織是不能直接用于人體骨組織修復的[9]。一般的方法是通過高溫煅燒、除去動物骨組織中的膠原等有機物質，獲得高活性的羥基磷灰石。譬如，高心等人把牛骨煅燒后的骨磷灰石作為骨缺損支架材料研究[10]，張殿忠等[11-12]在研究煅燒骨磷灰石在修復骨缺損時也取得了滿意的結果。
但是不同物種由于生存環境、食物結構和本真結構不同，其骨組織的組成和結構也存在差別，煅燒后獲得的磷灰石組成和結構也有差別，因此比較人骨組織與不同動物骨組織煅燒后的磷灰石的組成和結構，可以獲得與人骨磷灰石組成和結構更接近、活性更高、傳導性和誘導性更好的磷灰石，為病變和受損骨組織修復提供性能優異的材料。本文選取人骨組織、山羊骨組織、豬骨組織和牛骨組織通過煅燒，分析其組成和結構，以此確定哪種動物骨在煅燒后形成的磷灰石與人骨磷灰石更接近、在材料學性能方面更適合作為潛在的無機生物陶瓷材料。
1 材料與方法
1.1 材料
牛骨、豬骨和羊骨：均為新鮮成年腿骨，市場購買；
人骨：成年腿骨，重慶醫科大學第一附屬醫院提供，患者手術后自愿捐贈。
1.2 骨磷灰石樣品制備
各種新鮮骨組織于室溫下晾干，部分切為6 mm×6 mm×2 mm塊狀體，作為抗壓強度測試樣品；將部分新鮮骨組織搗碎后分置入坩堝內，在800 ℃下煅燒8 h，自然冷卻至室溫，樣品為白色骨磷灰石支架，供組成和結構形貌測試使用。
1.3 測試與表征
力學性能測試： REGER30-50型萬能力學試驗機，抗壓強度樣品尺寸為6 mm×6 mm×2 mm，壓縮速度為0.5 mm/min；傅里葉變換紅外光譜(Fourier transforms-infrared spectrum，FT-IR)分析：Nicolet 170SX 型FT-IR 儀，采用溴化鉀壓片制樣，400~400 cm-1；X-射線衍射(X-ray diffraction，XRD)分析：日本理學電機3014 型X-射線衍射儀，樣品于100 ℃干燥4 h，光源為Cu-Ka，掃描范圍為10~70°,掃描速率為2°/min,工作電流為25 mA；金屬離子含量：IRIS Advantage 型電感耦合等離子體質譜儀(Inductively Coupled Plasma,ICP)，硝酸為溶劑；Ca/P比及形貌表征：日立JEOL JSM 5600LV型掃描電鏡(scanning electron microscopy，SEM)，樣品表面做噴金處理，測試電壓20 kV。
2 結果與討論
2.1 抗壓強度測試
表 1為天然人骨、牛骨、羊骨和豬骨股骨組織的抗壓強度測試。結果表明人骨股骨組織抗壓強度最高，與羊骨股骨組織抗壓強度相差不大，達到(135.00±7.84) MPa，而牛骨與豬骨股骨組織的抗壓強度相對較低，羊骨組織作為替代材料比其他兩種動物骨組織更有優勢。一般情況下人體密致骨的抗壓強度為130~180 MPa[13]，從生物力學強度考慮，人體骨組織強度和模量越接近、力學傳導性越好、應力屏蔽越小，越有利于組織的修復和創建；單純考慮抗壓強度，這三種動物骨材料幾乎都達到了人體支撐材料的標準。但是作為人體支撐材料，除了生物力學外、要考慮其生物相容性、免疫排斥、生物活性和生物安全性，因此各種動物骨都不能直接作為人體骨組織修復材料使用、都必須經過滅活或者去除膠原方可作為人體組織修復材料使用，而滅活和除去膠原對其力學性能影響很大[14]。
表1
人骨、牛骨、羊骨和豬骨密質骨組織的抗壓強度(MPa)
Table1.
The original compressive strength of raw human thigh bone，bovine bone，goat bone and pig bone (MPa)
2.2 傅里葉變換紅外光譜分析
圖 1為4種不同來源骨磷灰石的FT-IR圖譜。從圖 1中可以看出4種骨磷灰石的FT-IR圖譜相差不大，3 446 cm-1可以歸結為O-H的伸縮振動峰；1 456 cm-1處為CO32-伸縮振動峰；1 050 cm-1附近為PO43-反對稱伸縮振動峰；566 cm-1為PO43-彎曲振動雙峰[15]，由此可以推測a、b、c、d所含物質基本一致，主要成分均為羥基磷灰石。此外我們還可以從圖 1中看出(d)中1 050 cm-1處和566 cm-1處出現的峰的吸收強度明顯較其他磷灰石高，這可能是由于羊骨磷灰石中含有較多PO43-所致。根據紅外圖譜我們可以推測4種不同來源骨磷灰石組成成分相差不大，且羊骨磷灰石中的PO43-離子含量最多。據文獻[16]報道，生物材料在植入人體內后釋放的Ca和P離子有利于細胞的增殖、分化。因此，相對其他兩種骨磷灰石材料來說，羊骨磷灰石更有作為無機生物陶瓷材料的優勢。
圖1
(a)牛骨、(b)人骨、(c)豬骨和(d)羊骨磷灰石的傅里葉變換紅外圖譜
Figure1.
FT-IR spectra of bone-like apatite of different bone resources: (a)bovine bone，(b)human bone，(c)pig bone and (d)goat bone
2.3 X-射線衍射分析
圖 2為不同來源骨磷灰石的XRD圖譜。從圖 2可以看出各種骨磷灰石樣品均出現了羥基磷灰石的特征衍射峰，峰形尖銳且極其相似，這表明灰化后的骨樣均由高結晶度的羥基磷灰石組成。文獻報道，骨的煅燒可以明顯改善骨中晶態羥基磷灰石的結晶度,并使非晶態的羥磷灰石轉變為晶態結構,這與王大志、胡耀武等[17-18]的研究結果一致。經PDF標準數據檢索,發現磷灰石樣品中除含有羥基磷灰石外,還含有相當數量的石英、鈉長石和鉀長石成分，這種細微的物相組成是合成羥基磷灰石很難精確控制的。作為骨修復替代材料，天然磷灰石中含有的各種人體所需成分有助于骨的修復和再生，與合成羥基磷灰石相比，具有很多的優勢。XRD圖譜結果表明，各種動物骨磷灰石的結構和物相與人骨磷灰石相似。
圖2
(a)牛骨、(b)人骨、(c)豬骨和(d)羊骨磷灰石的XRD圖譜
Figure2.
XRD patterns of bone-like apatite of different bone resources: (a)bovine bone，(b)human bone,(c)pig bone and (d)goat bone
2.4 電感耦合等離子譜測試
表 2為煅燒后4種不同來源骨磷灰石中的金屬含量。從表 2可以看出不同來源的磷灰石中幾種金屬離子含量不同，但是每種骨磷灰石中金屬含量的數量級是一致的。Sr是人體必需的微量元素，能促進骨骼生長發育[19]，在幾種骨磷灰石中，羊骨磷灰石中Sr的含量與人骨磷灰石中Sr的含量最為接近；Fe是血紅蛋白的重要組成成分，是輸送氧和交換氧的重要元素[20]，對比幾種磷灰石中Fe的含量得出結論，羊骨磷灰石中Fe的含量更接近人骨；Zn能夠影響人體體格和大腦的發育[21]，測試結果表明豬骨磷灰石與人骨磷灰石中Zn的含量最為接近。人體骨在修復的同時人體需要供給多種微量元素才能確保骨修復的正常發生，由于煅燒骨磷灰石中含有大量天然的微量元素，對骨再生修復起到很大的作用，因此這三種骨磷灰石材料在所含天然金屬離子中均具有相當優勢，相對其他兩種骨磷灰石，羊骨磷灰石在金屬離子含量上更具有適用性。
表2
人骨、牛骨、羊骨和豬骨磷灰石中部分金屬離子含量
Table2.
Metal ion content of bone-like apatite of different bone resources: human bone，bovine bone，goat bone and pig bone
2.5 能量彌散譜測試
由EDS測試結果可知，人體骨的無機成分和動物骨的無機成分基本都是羥基磷灰石，測試各種煅燒骨磷灰石中的Ca/P值可以很好地對比動物骨磷灰石與人骨磷灰石的差異。4種不同來源骨磷灰石的Ca/P值如表 3所示。結果顯示羊骨磷灰石和人骨磷灰石的Ca/P值接近，達到1.73±0.033；牛骨磷灰石的Ca/P值最高，為1.89±0.037； 豬骨磷灰石的Ca/P值則相對偏低，為1.61±0.031。理論上，羥基磷灰石中Ca/P值為1.67，由于各種微量元素離子對鈣離子的取代、碳酸根對磷酸根的取代，使得骨中的磷灰中Ca/P值不是嚴格的1.67，并且與生物體年齡密切相關，年齡越大Ca/P值越大[22]。本研究顯示，羊骨磷灰石與人骨磷灰石的Ca/P值相近，在無機成分構成方面更適合作為人體替代與修復材料而使用。
表3
人骨、牛骨、羊骨和豬骨磷灰石中的Ca/P值
Table3.
Ca/P value of bone-like apatite of different bone resources: human bone，bovine bone，goat bone and pig bone
2.6 掃描電鏡分析
圖 3是幾種煅燒骨磷灰石的SEM圖片，如圖 3所示，(a)和(b)呈現的掃描狀態相似，都為大量結塊的凝聚態，(c)和(d)則為結塊的松散狀，一般情況下，顆粒越疏松、比表面積越大、活性越高，越有利于細胞的黏附和傳導成骨。骨煅燒去除有機成分后，形成了天然的多孔結構，在800 ℃下煅燒的骨磷灰石有一定的降解性[9]，因此可以推斷宿主骨組織沿著多孔骨磷灰石生長的同時骨磷灰石能夠慢慢降解，溶蝕，逐步被新生成的骨組織取代。比較幾種不同來源骨磷灰石形貌，發現羊骨在煅燒后的形態更為接近人骨，在骨重建無機陶瓷材料替代方面更有優勢。
圖3
(a)牛骨、(b)豬骨、(c)羊骨和(d)人骨磷灰石的掃描形態圖
Figure3.
SEM morphologies of bone-like apatite of different bone resources：(a)bovine bone，(b) pig bone (c) goat bone and (d) human bone
2.7 有機含量測試
表 4為不同骨在煅燒前后物質的含量變化與未煅燒時骨的含量的比值，比值公式由W(%)=(W0-W1)/W0×100%計算，其中W0為原骨組織質量，W1為煅燒后骨磷灰石的質量。有機物質百分含量的數值大小反應了骨的硬度與韌性的關系，一般情況下，骨組織中無機物含量約為60%，不同組織中無機物含量有較大差別，含量越高，骨硬度越大，如牙釉質無機含量達到96%，是人體最硬的組織[23]。通過表中數據可知，牛骨中有機物質含量最低，豬骨中有機物質含量最高，豬骨與羊骨有機含量與人骨更接近，羊骨和豬骨的有機物質在含量上更有作為替代材料的優勢。
表4
人骨、牛骨、羊骨和豬骨中的有機物質百分含量
Table4.
Organic percentage content of different bone resources: human bone，bovine bone，goat bone and pig bone
3 結論
本文通過對人骨組織與牛骨、豬骨和羊骨組織的力學性能測試以及對煅燒后各種不同來源骨磷灰石的結構、組成和形貌測試比較，得到結論如下：羊骨的抗壓強度與人骨密質骨抗壓強度接近，為(135.00±7.84) MPa；FT-IR、XRD分析結果表明，羊骨磷灰石和人骨磷灰石具有更接近的結構和物相組成；ICP測試結果表明,羊骨磷灰石中的微量元素與人骨磷灰石更為接近；EDS測試結果表明，羊骨磷灰石和人骨磷灰石的Ca/P值最為接近，為1.73±0.033；SEM圖形表明，羊骨磷灰石與人骨磷灰石具有更接近的微觀形貌。不同來源研究顯示，羊骨與人骨具有更接近的抗壓強度，煅燒后的羊骨磷灰石無機組成成分與形貌和人骨磷灰石相似，在材料學性能方面煅燒后的羊骨磷灰石更適合作為潛在的無機生物陶瓷材料。
