氟磷灰石的微乳液法制備及其表征

龍劍平，郝孝麗，林金輝

（成都理工大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)院，成都610059）

羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA或 HAP）是自然骨無機(jī)質(zhì)的主要成分，具有良好的生物相容性和生物活性，可以引導(dǎo)骨的生長［1，2］。人工合成羥基磷灰石的成分、結(jié)構(gòu)與人體骨組織的無機(jī)質(zhì)成分結(jié)構(gòu)相類似，它具有無毒、無刺激性、無致敏性、無致突變性和致癌性，可與骨發(fā)生化學(xué)作用，有很好的骨傳導(dǎo)性，能與骨組織形成牢固的骨性結(jié)合［3，4］，是公認(rèn)性能良好的骨修復(fù)替代材料。但在臨床應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，羥基磷灰石在人體中的降解速度較快，導(dǎo)致涂層的剝落，以致種植體在人體內(nèi)快速失效［5］。這是由于實(shí)際人骨中的無機(jī)組元并不是一種純的羥基磷灰石，其中含有碳酸根和鈉、鎂等金屬離子［6］，目前科學(xué)家仍無法人工合成出與人骨完全相同的材料，因此，限制了羥基磷灰石在臨床上的廣泛應(yīng)用。

為了滿足臨床應(yīng)用的要求，常需在其中添加一些元素以改善其臨床性能。研究發(fā)現(xiàn)人工合成羥基磷灰石時(shí)，如果其羥基被F－部分取代，其分子式即變?yōu)镃a10（PO4）6F2，形成氟磷灰石（fluoroapatite，F(xiàn)A），氟離子取代羥基后可以改善磷灰石的溶解性，促進(jìn)骨細(xì)胞增殖，提高磷酸鈣在成骨過程中的生物礦化組織和骨組織中的磷灰石晶體形成，F(xiàn)A作為活性涂層還可以顯著提高涂層的穩(wěn)定性，改善植入體臨床應(yīng)用中存在的不足［7，8］。

目前，F(xiàn)A制備方法主要有等離子噴涂、激光熔覆法、溶膠－凝膠法和濺射法等。本工作采用微乳液法，利用OP乳化劑／異辛烷／正葵醇／（NH4）2HPO4溶液、Ca（NO3）2溶液及KF溶液四元微乳液體系合成了氟磷灰石（FA）。采用X射線粉晶衍射儀（XRD）、傅里葉紅外吸收光譜（FT－IR）測(cè)試了樣品物相組成及晶體結(jié)構(gòu)，采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了樣品形貌，采用電子能譜（EDS）分析儀定量分析了合成粉末的元素組成。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 微乳液體系的確定

采用三元相圖表述OP乳化劑／異辛烷／正葵醇／（水、（NH4）2HPO4溶液、Ca（NO3）2溶液以及 KF溶液）四元微乳液體系。主要操作步驟：（1）配制乳化劑：OP乳化劑與正葵醇首先按照質(zhì)量比為3∶2混合；（2）配制微乳液：乳化劑和異辛烷按照不同比例（設(shè)兩者的比例為R）混合；（3）滴定：在攪拌速度為20r／s的轉(zhuǎn)速下分別進(jìn)行（NH4）2HPO4溶液、Ca（NO3）2溶液以及KF溶液的滴定，記下體系由清澈變渾濁（繼續(xù)攪拌幾分鐘體系不再變透明）的點(diǎn)為相變點(diǎn)（飽和微乳液）；（4）整理數(shù)據(jù)：將四元體系質(zhì)量總和設(shè)為1，得到各物質(zhì)的單元質(zhì)量；（5）繪制相圖：利用軟件Origin7.0繪制出三元相圖；（6）選取相圖中微乳液區(qū)的合適位置，配制微乳液體系。

1.2 氟磷灰石的制備

采用微乳液法制備氟磷灰石的主要過程包括：（1）微乳液的配制：將OP乳化劑，正葵醇，異辛烷混合得到透明澄清液體，用移液管向其緩慢滴入濃度為0.6mol／L的磷酸氫二銨（（NH4）2HPO4），在磁力攪拌器中（恒溫37℃）以20r／s的速度攪拌10min，使得混濁溶液變?yōu)橥该鞒吻迦芤?。然后向該溶液中滴加濃度?.2mol／L的KF，得到渾濁乳液，以同樣的速度攪拌10min，在此過程中用NaOH溶液（3mol／L）或者HCl溶液（3mol／L）調(diào)節(jié)pH，最后用酸式滴定管在10min時(shí)間內(nèi)向該乳液中緩慢滴加Ca（NO3）2溶液，在此過程中不斷調(diào)節(jié)pH值，使其保持固定。化學(xué)反應(yīng)如下：

6（NH4）2HPO4＋10Ca（NO3）2＋2KF＋6NaOH＝Ca10（PO4）6F2（FA）＋2KNO3＋12NH4NO3＋6NaNO3＋6H2O

（2）攪拌：在恒溫磁力攪拌器中保持37℃以20r／s的速度攪拌4h。（3）沉化：4h后將轉(zhuǎn)速置為0，繼續(xù)在37℃條件下保溫陳化24h。（4）離心：24h后取出乳液，對(duì)其進(jìn)行離心純化。離心機(jī)的速率為6000r／min，離心過程如下：①在乳液中加入無水乙醇，在磁力攪拌器中攪拌10min無水乙醇對(duì)乳液起到破乳作用，利于分離提純，除去有機(jī)溶劑。再將攪拌后的乳液置入離心機(jī)中離心15min。②取出，倒掉清液，向離心后的白色沉淀物中再次加入適量無水乙醇，搖勻，再次離心15min。③取出，倒掉液體，在白色沉淀物中再次加入適量蒸餾水，搖勻，再次離心15min后，得到沉淀物。（5）干燥：將白色沉淀物置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，在60°下保溫1200min。（6）研磨：將得到干燥的白色顆粒，經(jīng)研磨得到白色FA粉末。

1.3 分析測(cè)試

采用D／MAX－ⅢC型X射線粉晶衍射儀、TENSOR傅里葉紅外吸收光譜儀測(cè)定樣品晶體結(jié)構(gòu)及物相組成，采用HITACHI S530型掃描電子顯微鏡對(duì)所制得樣品進(jìn)行形貌分析。采用SA M800／ser型電子能譜分析儀定量分析合成粉末的元素組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 制備氟磷灰石的微乳液體系配比的確定

2.1.1 OP乳化劑＋正葵醇／異辛烷／水溶液微乳液體系三元相圖

經(jīng)過系統(tǒng)滴定實(shí)驗(yàn)將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量轉(zhuǎn)換，并將OP乳化劑／異辛烷／正葵醇／（（NH4）2HPO4溶液、Ca（NO3）2溶液及KF溶液）四元微乳液體系質(zhì)量總和設(shè)為1，將滴定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為各物質(zhì)所占的單元質(zhì)量，得到結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，利用Origin7.0軟件繪制得到OP乳化劑＋正葵醇／異辛烷／水溶液四元微乳液體系的三元相圖如圖1所示。

圖1 微乳液體系三元相圖Fig 1 The phase diagram of unit triplet microemulsion system

從圖1中可以看出，磷酸氫二銨的微乳液區(qū)（A）最窄，說明該系統(tǒng)對(duì)磷酸氫二銨的增容性能最弱，對(duì)氟化鉀（微乳液區(qū)A＋B＋C）的增容性最好，硝酸鈣溶液（微乳液區(qū)A＋B）處于中間狀態(tài)。

2.1.2 制備氟磷灰石配比的確定

為了使實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單方便，微乳液體系的配比盡量保證磷酸氫二銨、氟化鉀、硝酸鈣溶液的體積相等，同時(shí)盡可能地靠近它們的微乳液疊加區(qū)域，選擇以處于中間狀態(tài)的硝酸鈣溶液的質(zhì)量為基準(zhǔn)。因此，在三元相圖（圖1）中選擇各相質(zhì)量比為12∶5∶3的相點(diǎn)來制備FA，將總質(zhì)量設(shè)為120g，得到各試劑的配比如表2所示。

表2 制備FA的微乳液配比Table 2 Ratio for preparation FA microemulsion

2.2 氟磷灰石的XRD分析

圖2為不同pH值下合成的FA及pH＝10.4下合成HA的XRD圖譜，圖2表明所得粉末的最強(qiáng)峰值在31.5°到32°之間，對(duì)比HA的標(biāo)準(zhǔn)卡片，說明主晶相為磷灰石相。HA與FA的衍射特征峰基本一致，但是相較而言，F(xiàn)A的峰形更尖銳，半高寬較小，晶體結(jié)晶程度更高。分析認(rèn)為這是由于—F取代了—OH，由于F離子比羥基更小，Ca—F鍵鍵能增強(qiáng)，晶體內(nèi)部的原子鍵能提高，因而其晶體結(jié)構(gòu)更緊密，結(jié)晶程度更好。由此也可以說明，氟的加入提高了磷灰石的穩(wěn)定性。圖2表明，pH＝7.5條件下生成的氟磷灰石（002），（211），（213）晶面衍射峰峰形最為尖銳，說明在該條件下所制備的FA結(jié)晶程度更高，因此得出在弱堿條件下更有利于FA的生成。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)pH值與人體體液pH＝7.4極為接近，因此其更具優(yōu)良的醫(yī)用研究價(jià)值。

圖2 不同pH值下合成FA及HA的X射線衍射譜圖Fig 2 XRD patterns of FA and HA under different pH value

2.3 氟磷灰石的FT－IR分析

圖3為不同pH值下合成FA和pH＝10.4下合成HA的FT－IR譜圖。圖3表明，1032cm－1和607.16cm－1為PO3－4的振動(dòng)峰，3446.17cm－1和1615.19cm－1左右的吸收峰分別對(duì)應(yīng)于H2O中O—H的收縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，在867cm－1和1407～1468cm－1處出現(xiàn)了CO2－3的吸收峰，表明此為含微量碳酸根的磷灰石，類似于天然骨磷灰石的組成。還有在2923.7，2848cm－1處為 OP乳化劑、異辛烷等有機(jī)物的吸收峰，說明在分離提純過程中未洗干凈。對(duì)比FA和HA紅外圖譜發(fā)現(xiàn)，HA的紅外光譜圖在3570cm－1左右出現(xiàn)了吸收峰，而這吸收峰正對(duì)應(yīng)羥基中的O—H的伸縮振動(dòng)，說明在不同pH條件下合成的FA中均未存在羥基，即說明—OH被—F所取代。

圖3 不同pH值下合成的FA以及HA的紅外光譜圖Fig 3 IR spectrum of FA and HA under different pH value

2.4 氟磷灰石的SEM形貌

圖4為不同pH值下合成FA粉末的SEM圖譜。從圖4可以看出，不同pH值下制備的FA的形貌均為球狀顆粒，但是粒子的分散性均不佳，團(tuán)聚較嚴(yán)重。FA屬于六方晶系晶體，具有沿［0001］方向生長形成針狀晶體的結(jié)晶習(xí)性，但反應(yīng)產(chǎn)物始終處于表面活性劑異辛烷的包覆下，相當(dāng)于在微小反應(yīng)器內(nèi)生長，晶體的生長習(xí)性改變，最終制備出球狀顆粒。相對(duì)來講pH＝6.0條件下合成的FA分散性最好，顆粒大小相對(duì)來講較均勻，其最小粒徑約為50nm。pH＝9.0條件下合成FA團(tuán)聚程度較為嚴(yán)重，較多結(jié)為緊實(shí)塊狀。

圖4 FA的掃描電鏡照片 （a）pH＝9.0FA；（b）pH＝6.0FAFig 4 SEM micrographs of FA （a）FA synthesized at pH＝9.0；（b）FA synthesized at pH＝6.0

2.5 氟磷灰石的EDS能譜分析

圖5為pH＝7.5條件下合成FA的EDS圖譜，表3為所測(cè)物質(zhì)所含元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。從表3看出，在pH＝7.5條件下合成的FA中不存在氫元素，進(jìn)而證實(shí)所制備的FA中不存在羥基，與FT－IR圖譜分析一致。C，O，F(xiàn)，P，Ca的原子分?jǐn)?shù)依次為12.40%，53.00%，6.84%，10.56%，17.11%，可知 Ca／P 比約為1.62，與FA中Ca／P比1.67很接近。而F在Ca10（PO4）6F2中原子分?jǐn)?shù)約為3.58%，與實(shí)際百分含量6.84%相差較大，因此所測(cè)物質(zhì)中含有其他氟的物相。

圖5 pH＝7.5條件下合成的FA的電子能譜分析譜圖Fig 5 EDS spectrum of FA synthesized at pH＝7.5

表3 pH＝7.5條件下合成FA化學(xué)成分表Table 3 Element composition of FA compounded at pH＝7.5

3 結(jié)論

（1）采用OP乳化劑＋正葵醇／異辛烷／水溶液、磷酸氫二銨、氟化鉀、硝酸鈣微乳液體系可以合成球狀顆粒氟磷灰石。

（2）在弱堿條件下更利于氟磷灰石的合成，同時(shí)結(jié)晶程度更高，在pH＝7.5條件下所制備氟磷灰石的Ca／P比約為1.62。

［1］ 郝應(yīng)其，孫元.生物材料及人工關(guān)節(jié)［M］.北京：北京航空材料研究所，1986.

［2］ 崔福齋，馮慶玲.生物材料學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1996.

［3］ TAS A C.Synthesis of biomimetic Ca－h(huán)ydroxyapatite powders at 37℃in synthetic body fluids［J］.Biomaterials，2000，21：1429－1438.

［4］ OYANE A.Apatite deposition on calcium alginate fibres in simulated body fluid［J］.Biomaterials，2003，24：1729－1735.

［5］ FULMER M T，BROWN P W.Hydrolysis of dicalcium pHospHate dihydrate to hydroxyapatite［J］.Journal of Materials Science，1998，9（4）：197－202.

［6］ 顧興卿，徐國風(fēng).生物醫(yī)學(xué)材料學(xué) ［M］.天津：天津科技翻譯出版公司，1993.

［7］ BERTONI E，BIGI A，COJAZZI G，et al.Nanocrystals of magnesium and fluoride substituted hydroxyapatite［J］.Journal of Inorganic Biochemistry，1998，72：29－35.

［8］ ZHENG Lin，ZHOU Hong－min，YI Dan－qing，et al.Thermophysical properties and bioactivity research of FHA ［J］.Functional Materials，2010，41（1）：100－104.