超聲輔助復(fù)乳法制備多孔海藻酸鈉/羥基磷灰石復(fù)合微球的研究

聶 晶，李湘南，劉小平

（武漢理工大學(xué)化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院，武漢 430070）

羥基磷灰石（HAP）由于具有的生物相容性和骨傳導(dǎo)生物活性在骨修復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但是HAP是純無(wú)機(jī)生物陶瓷材料，脆性大，不易加工成型，形狀不規(guī)則的HAP顆粒植入人體會(huì)影響周?chē)M織的愈合，壓迫神經(jīng)引發(fā)疼痛，引發(fā)炎癥反應(yīng)等［1］；在單獨(dú)作為骨填充材料時(shí)，羥基磷灰石顆粒由于粘附性差成形困難會(huì)出現(xiàn)顆粒移動(dòng)，易外溢，導(dǎo)致脫落［2－4］。為解決這些問(wèn)題，最好的方法就是將HAP與有機(jī)高分子材料進(jìn)行復(fù)合，構(gòu)筑具有一定形狀、結(jié)構(gòu)和功能的無(wú)機(jī)－有機(jī)復(fù)合材料［5］。目前研究最多的與HAP復(fù)合的高分子包括聚乳酸、明膠、海藻酸鈉（SA）、殼聚糖等［6］。高分子生物材料－納米羥基磷灰石復(fù)合微球能夠綜合高分子的生物特性、納米羥基磷灰石的各項(xiàng)性能以及微球類(lèi)材料填充性好、比表面積高、流動(dòng)性好，易于注射等優(yōu)良特性，在骨組織修復(fù)材料研究中有著重要的意義［7－10］。

以納米HAP粒子為核心的復(fù)合微球具有大的比表面積，吸附和承載藥物能力強(qiáng)，內(nèi)部存在大量微米和納米級(jí)尺寸的孔道，為藥物釋放提供了大量的通道，使被載藥物可以連續(xù)而緩慢地釋放；同時(shí)，納米HAP粒子包埋于凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，可以增加凝膠的機(jī)械強(qiáng)度［11，12］。本課題研究試圖本研究擬采用超聲輔助復(fù)乳法原位制備SA/HAP復(fù)合球［13，14］，SA的引入可以解決多孔HAP微球粘附性差、韌性差的缺點(diǎn)；同時(shí)納米HAP粒子包埋于SA凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，可以增加微球的機(jī)械強(qiáng)度。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 藥品

藥品：

四水硝酸鈣Ca（NO3）2·4H2O 天津市博迪化工有限公司

磷酸氫二銨（NH4）2HPO4國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

海藻酸鈉（粘度范圍1.05～1.15Pa·s） 天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所

環(huán)己烷 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

span－80 天津市福晨化學(xué)試劑廠

tween－80 北京鑫洲科技有限公司

氫氧化鈉 上海展云化工有限公司

無(wú)水乙醇 上海振興化工一廠

所用藥品均為分析純，所用水均為去離子水。

1.2 儀器

FA25乳化機(jī) 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司

DW－3型數(shù)顯電動(dòng)攪拌器 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司

KQ2200－DE型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司

HH－2智能數(shù)顯恒溫水浴鍋 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司

LGJ－10型冷凍干燥機(jī) 北京四環(huán)科學(xué)儀器廠制造

FA2104S型電子天平 上海天平儀器廠

1.3 多孔SA/HAP微球的制備

內(nèi)水相溶液：稱(chēng)取海藻酸鈉0.2g，加入22mL去離子水，40℃左右磁力攪拌充分溶解，得到溶液1；繼續(xù)稱(chēng)取磷酸氫二銨0.804g溶于溶液1中，用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至10，作為內(nèi)水相溶液。

W/O初乳液：將3mL司盤(pán)80溶于50mL環(huán)己烷中，磁力攪拌充分溶解，作為油相。將內(nèi)水相溶液倒入油相1 000r/min快速攪拌，同時(shí)超聲10min后得到白色的W/O初乳液。

W/O/W復(fù)乳的制備：配0.5M四水硝酸鈣溶液160mL作為外水相溶液；將上述W/O初乳液倒入外水相，400rpm攪拌10min后加入表面活性劑吐溫80，繼續(xù)攪拌形成W/O/W復(fù)乳。

在上述復(fù)乳體系中，外水相包含油相的微滴，每個(gè)油相液滴中內(nèi)含一個(gè)或者幾個(gè)分散隔離的內(nèi)水相小囊泡，在此復(fù)乳體系中存在兩個(gè)界面：外水相與油相的界面（界面2）、油相與內(nèi)水相界面（界面1）。（見(jiàn)圖1）。在實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)Ca2＋擴(kuò)散到內(nèi)水相，與內(nèi)水相中的HPO42－發(fā)生如方程式（1）所示反應(yīng)，生成HAP。

擴(kuò)散到內(nèi)水相的Ca2＋在參與反應(yīng)生成HAP的過(guò)程中也起到了內(nèi)水相中SA交聯(lián)劑的作用，內(nèi)水相的SA溶液在Ca2＋作用下原位發(fā)生膠凝作用，形成了穩(wěn)定的凝膠核，SA凝膠核的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使Ca2＋在內(nèi)水相內(nèi)部生成HAP的反應(yīng)受到抑制，HAP更多的在界面1上沉淀下來(lái)。

SA/HAP復(fù)合球的制備：制備的復(fù)乳常溫?cái)嚢?4h使反應(yīng)充分，反應(yīng)完成后乳液分層，將有機(jī)溶劑旋轉(zhuǎn)蒸干后，3 500rpm離心得到粗產(chǎn)物，依次用環(huán)己烷、丙酮、無(wú)水乙醇洗滌兩次，冷凍干燥48h制得產(chǎn)品。

1.4 復(fù)合球測(cè)試表征

利用X射線(xiàn)衍射儀（XRD，型號(hào)：D/Max－RB，日本Rigaku公司）對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行X射線(xiàn)圖譜分析，測(cè)試角度選擇10°～80°；產(chǎn)物粉末進(jìn)行KBr壓片后，傅里葉紅外光譜分析儀（FTIR，型號(hào)：Nexus，美國(guó)Thermo Nicolet公司）分析產(chǎn)物的化學(xué)組成；產(chǎn)物粉末噴金，進(jìn)行掃描電鏡（SEM，型號(hào)：JSM－5610LV，日本Jeol公司）觀察；將產(chǎn)物用無(wú)水乙醇分散后銅網(wǎng)打撈，待無(wú)水乙醇揮發(fā)后進(jìn)行透射電鏡（TEM，型號(hào)：H－600STEM/EDX PV9100，日本HITACHI公司）觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同反應(yīng)溫度對(duì)多孔SA/HAP微球形貌的影響

配制三份0.3M磷酸氫二銨溶液，按2.4中的實(shí)驗(yàn)方法操作，反應(yīng)溫度分別保持在常溫（25℃）、50℃和80℃，400rpm攪拌反應(yīng)24h。得到三份產(chǎn)物，分別進(jìn)行SEM表征，結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可以看到25℃反應(yīng)溫度下得到的微球表面光滑；圖2（b）中可以看到50℃反應(yīng)溫度下得到的復(fù)合微球有兩種表面形貌，一種為具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠微球，一種為表面相對(duì)光滑的微球，當(dāng)溫度T升高時(shí)，Ca2＋擴(kuò)散速率加快，Ca2＋擴(kuò)散進(jìn)入內(nèi)水相后，HAP的生成反應(yīng)開(kāi)始，同時(shí)，內(nèi)水相中的SA也開(kāi)始發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，粒徑大的內(nèi)水相中形成的凝膠將反應(yīng)生成的HAP沉淀包覆于其中，在冷凍干燥條件下形成具有高孔隙率的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠微球，而粒徑小的內(nèi)水相中生成SA凝膠顆粒較小，反應(yīng)中在界面上沉淀下來(lái)的HAP顆粒將SA凝膠球表面孔隙填充緊實(shí)，形成表面光滑的復(fù)合球。

當(dāng)反應(yīng)溫度繼續(xù)升高到80℃時(shí)，從圖2（c）中可以看到產(chǎn)物基本已經(jīng)沒(méi)有明顯的球形粒子了，整體成團(tuán)簇狀結(jié)構(gòu)，這是由于溫度進(jìn)一步的升高，導(dǎo)致乳液不穩(wěn)定，生成HAP的反應(yīng)還未完成就發(fā)生了破乳現(xiàn)象。

2.2 不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)多孔SA/HAP微球形貌的影響

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)反應(yīng)時(shí)間是另一個(gè)影響產(chǎn)物形貌的重要因素。將反應(yīng)溫度固定為25℃，由于反應(yīng)溫度較低，離子擴(kuò)散速度較慢，反應(yīng)進(jìn)行的時(shí)間較長(zhǎng)，所以反應(yīng)時(shí)間分別設(shè)計(jì)為12h、24h和36h，按照1.3中的實(shí)驗(yàn)方法操作，得到三份產(chǎn)物，分別進(jìn)行SEM表征，結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖片上可以看到不同反應(yīng)時(shí)間所制備的產(chǎn)物形貌有很大差別，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，可以看到多孔微球的形成過(guò)程。反應(yīng)12h后制得的微球由于生成的HAP殼層較薄，在后續(xù)的處理過(guò)程中基本碎裂，SEM圖片上只看到很少量的球形產(chǎn)物存在；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)到24h，形成的復(fù)合球在后續(xù)處理中有足夠的強(qiáng)度保持形貌穩(wěn)定。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)到36h，HAP繼續(xù)在復(fù)合球表面沉淀，明顯看到復(fù)合球表面粗糙度提高，由于新增加的為HAP納米晶粒，表面能大，所以產(chǎn)物之間的團(tuán)聚也加劇了。

2.3 多孔SA/HA微球的成分分析

配兩份0.3M磷酸氫二銨溶液，按1.3中的實(shí)驗(yàn)方法操作，反應(yīng)溫度都控制在25℃，400rpm攪拌反應(yīng)24h，得到的產(chǎn)物1。取其中一份產(chǎn)物在700℃灼燒8h完全燒除有機(jī)物，冷卻后得到產(chǎn)物2。將兩種產(chǎn)物分別在研缽中研成細(xì)小粉末，進(jìn)行XRD與IR測(cè)試分析產(chǎn)物的成分組成，結(jié)果如圖4、圖5所示。

從圖4可以看到冷凍干燥的產(chǎn)物XRD圖峰寬化，HAP特征衍射峰不明顯，這與微球中HAP顆粒為納米級(jí)，結(jié)晶度低有關(guān)。而高溫煅燒后的產(chǎn)物XRD圖譜中各衍射峰變窄而尖銳，峰強(qiáng)提高數(shù)倍，因?yàn)镠AP的晶粒隨著溫度的升高在進(jìn)一步發(fā)育完整，晶化程度有很大提高。與羥基磷灰石標(biāo)準(zhǔn)JCPDS卡片（卡片號(hào)25－0166）比對(duì)后，在圖中標(biāo)出衍射峰對(duì)應(yīng)的HAP晶面，進(jìn)一步說(shuō)明復(fù)合球中存在HAP相。

從圖5（c）中可以看到SA的特征峰：3 396cm－1處的大寬峰是—OH的伸縮振動(dòng)峰，1 600～1 700cm－1處為C=O的特征峰，1 425cm－1、1 384cm－1處為（COO）－的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰；由于部分海藻酸鈉分子中的COO－基團(tuán)與Ca2＋交聯(lián)，因此發(fā)生峰裂分，產(chǎn)生兩個(gè)峰；同時(shí)，還可以看到900～1 200cm－1和400～650 cm－1處PO3－4離子的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的特征峰；對(duì)比這些紅外光譜可以看出，復(fù)合微球中同時(shí)出現(xiàn)了SA與HAP的特征吸收峰，說(shuō)明了復(fù)合微球含有HAP和SA成分；并且相比于純物質(zhì)，在SA/HAP復(fù)合球的IR圖中，這些特征峰峰強(qiáng)變大，峰形也發(fā)生了變化，也說(shuō)明了SA中的COO－基團(tuán)有一部分與Ca2＋發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)。

3 結(jié) 論

闡述了共沉淀法結(jié)合復(fù)乳法制備多孔SA/HAP微球的機(jī)理，在磷酸二氫銨內(nèi)水相溶液中溶入海藻酸鈉制備混合溶液作為內(nèi)水相，采用W/O/W復(fù)乳法制備了SA/HAP復(fù)合微球，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探討了反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物形貌的影響，適宜的合成條件為：反應(yīng)溫度25℃，反應(yīng)時(shí)間24h，在此條件下制備的產(chǎn)物為球形粒子。采用XRD、IR分析了產(chǎn)物含有SA與HAP，并且兩者之間存在某種物理作用力。從SEM圖片上可以看到SA/HAP復(fù)合球粒徑分布在0.4～1μm之間，通過(guò)將SA/HAP復(fù)合微球進(jìn)行高溫煅燒，采用TEM和XRD技術(shù)來(lái)表征SA/HAP復(fù)合微球的微觀結(jié)構(gòu)和組成，說(shuō)明了制備的SA/HAP復(fù)合球是一種多孔微球，HAP納米粒子分布在SA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。

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