氟摻雜羥基磷灰石的制備及性能表征

宋士濤，徐 菁，楊 寬，吳素霞，彭友舜，廉 琪

(河北科技師范學院，河北秦皇島，066600)

羥基磷灰石(hydroxyapatite，簡稱HA或HAP)屬表面活性材料，它與生物體硬組織有相似的化學成分和結構。由于其具有良好的生物活性和相容性，植入人體后對組織無刺激和排斥作用，能與骨形成很強的化學結合，可用于骨缺損的充填材料，為新骨的形成提供支架，發(fā)揮骨傳導作用，是理想的硬組織替代材料［1］。雖然羥基磷灰石的生物活性較好，但由于其自身強度低、韌性及力學性能差、熱穩(wěn)定性差等缺陷而限制了其應用的廣泛性，難以滿足醫(yī)學要求。如何能獲得力學性能、生物相容性與熱穩(wěn)定性完美結合的羥基磷灰石是材料學家們探討的問題。為了解決這些問題，人們采用不同工藝方法來制備羥基磷灰石復合材料、涂層材料及納米材料，其中氟摻雜便是途徑之一。

無論是在自然的HA還是合成的HA中，都存在F－取代HA中羥基離子［2］。牙齒中HA的質量分數(shù)為0．95 ～0．97，其中氟的質量分數(shù)為0．000 4 ～0．000 7［3］。體液中一定的含氟量有助于骨骼和牙齒的正常生長，F(xiàn)－的注入有利于骨質疏松癥的治療［4］。由F－部分取代羥基磷灰石中的OH－形成的氟取代的磷灰石，簡稱FHA(Ca10(PO4)6(OH)2－2xF2x，0≤x≤1)，在骨以及牙齒等植入體中具有廣闊的應用前景。在人體體液環(huán)境中，F(xiàn)HA具有比HA更低的溶解度，有更長的存留時間。合成HA熱穩(wěn)定性不好，燒結溫度高于900℃會分解成其它相［5］，如磷酸鈣(TCP∶Ca3(PO4)2)，而FHA的熱穩(wěn)定性好于HA，氟磷灰石(Ca10(PO4)6F2)直到1 400℃仍然不分解，因此作為涂覆生物惰性材料表面的生物活性涂層更具有潛力。由于F－比OH－小，使得FHA的晶格常數(shù)比HA小，因而FHA的晶體結構更加致密，F(xiàn)HA與HA能形成全范圍的固溶體形成FHA［6］，因此通過F－取代OH－，在保持HA部分生物活性的同時［7～9］，可以減小HA涂層的溶解度，提高它的穩(wěn)定性，改進HA涂層長期穩(wěn)定性較差的問題。此外，高F含量的FHA無細胞毒性［10］，因此FHA有潛力成為優(yōu)良的人體硬組織替代材料。筆者采用共沉淀法制備氟摻雜的羥基磷灰石，并對合成氟羥基磷灰石的結構和性能進行了測定。

1 實驗部分

1．1 FHA 的制備

按照Ca10(PO4)6(OH)2－2xFx的化學計量比稱取Ca(NO3)2·4H2O，(NH4)2HPO4和NaF，并分別配成溶液。將(NH4)2HPO4溶液緩慢滴加到Ca(NO3)2·4H2O和NaF混合溶液中，用氨水調節(jié)pH值為10．0～11．0，同時快速攪拌，滴定完成后，繼續(xù)攪拌60 min。靜置陳化24 h。抽濾，反復洗滌。將濾餅置于干燥箱中70℃干燥24 h。最后放到馬弗爐中于900℃溫度下煅燒2 h，獲得白色的FHAP粉末，反應流程如圖1所示。實驗通過控制反應溶液濃度和反應溫度，分別合成了高溫高濃度(70℃，0．5 mol/L)高溫低濃度(70℃，0．1 mol/L)和常溫低濃度(20℃，0．1 mol/L)等3種氟摻雜的羥基磷灰石樣品Ca10(PO4)6(OH)2-2xFx(x=0．00，0．25，0．50，0．75，1．00)，化學反應式為:

圖1 FHA的制備反應流程

1．2 FHA 的表征

采用日本理學D/MAX2500型X射線衍射儀對樣品進行物相分析，Cu靶，管電壓40 kV，管電流200 mA，掃描范圍為20°～60°，掃描速度10°/min。利用FTIR-8900型傅立葉紅外光譜儀測試樣品的FT-IR圖譜，采用KBr壓片和空氣參比方式采集紅外數(shù)據(jù)，儀器的測量范圍為400～4 000 cm－1;利用KYKY-2008型掃描電子顯微鏡(SEM)表征樣品的表面形貌電壓20 kV，電流為200 mA。

1．3 羥基磷灰石生物活性的測試

通過合成羥基磷灰石樣品對氨基酸的吸附性能來表征樣品的生物活性。稱取氨基酸晶體粉末0．05 g于250 mL容量瓶定容后稀釋20倍，震蕩使其溶解，配成100 mL 10 mg·L－1的溶液。以水為空白，在400～190 nm波長范圍內(nèi)用紫外光譜儀對氨基酸溶液進行掃描，得氨基酸的紫外吸收光譜圖，然后將一定量HA粉體加入到氨基酸溶液中，在振蕩器上震蕩一段時間，使其達到吸附平衡，離心，取上清液在相同波長范圍內(nèi)測紫外吸收光譜圖。

2 結果與分析

2．1 XRD 物相分析

常溫低濃度、高溫低濃度和高溫高濃度下合成Ca10(PO4)6(OH)2－2xFx品XRD譜圖，與HA標準卡片(JCPDS 01-074-0566)對照可知，3種條件下均合成了FHA粉體，少量F的摻雜并沒有改變HA晶體結構(圖2～圖4)。但是不同溫度下合成HA晶體的分散性和結晶性稍有差別，高溫下合成FHA晶型更完美，這說明不同溫度下，溶解度不同，其成核速率和晶形定向排列的速度不同，晶形的生長就受影響。由XRD譜圖還可以看出，隨著F－摻雜量的增加，衍射峰位置有向大角度方向移動趨勢，這是因為F－半徑(0．132 nm)小于OH－半徑(0．168 nm)，引起晶格收縮，晶格間距變小，衍射角度變大的緣故，并且更進一步證明F－取代了晶格中OH－的位置。

常溫條件下合成的HA晶型生長不夠完美，有雜質峰出現(xiàn)(圖2)。在常溫條件下，當x＞0．50時，衍射譜圖上有CaF2的特征峰出現(xiàn)，而高溫條件下則沒有出現(xiàn)，這是因為高溫條件下增加了CaF2的活性，加快了替換的進程。3種條件下，當x=0時衍射譜圖上均出現(xiàn)了β-TCP(磷酸三鈣)相，而摻氟后的FHA沒有TCP的生成，可以推斷是氟的摻入提高了HA的高溫穩(wěn)定性。

根據(jù)謝樂公式計算樣品的平均晶粒尺寸，并通過Jade 5．0軟件對合成FHA粉體的晶胞參數(shù)進行計算，結果如表1所示。謝樂公式如下:

公式中，D為平均晶粒尺寸(nm);K為謝樂常數(shù)，其值取0．89;λ為X射線波長，為0．154 056 nm;β為衍射峰的半峰寬(rad);θ為布拉格衍射角。

表1 高溫高濃度下合成FHA的粒徑與晶胞參數(shù)

隨著氟摻雜量增加，F(xiàn)HA的粒徑和晶胞參數(shù)呈逐漸減小的趨勢(表1)。其原因可能為:(1)氟離子比羥基基團要小，氟離子為0．132 nm，而羥基為0．168 nm，因此通過氟取代量的增加，其晶格參數(shù)會相應減少;(2)F－和 OH－相比由于F－的電負性較氧原子要大，所以通過F－的強電負作用，對羥基基團中氫原子的吸使得OH-F-OH氫鍵鍵能增強，從而使得FHA晶格參數(shù)變小。

2．2 SEM 分析

高溫高濃度下合成FHA樣品的SEM照片如圖5所示?？梢钥闯觯瑇=0．25時合成的FHA的粉體粒度較小，結構疏松，孔分布均勻，比表面積增大，類似于骨骼內(nèi)部的填充物質結構。而x=0．50時FHA的整體粒度較大，孔較少，說明當x=0．25時合成FHA具有較強的生物吸附性能。根據(jù)Hidekazut，Akemiy，Kazukiko等FHA的形成機理［11］，在低氟濃度時，生成FHA之前可能先生成HA，之后F－再取代OH－形成FHA。在高氟濃度時，羥基磷灰石表面通過吸附氟離子形成CaF2，然后CaF2溶解產(chǎn)生F－，F(xiàn)－和OH－的交換，最后形成FHA?？梢圆孪離=0．50時FHA表面可能有部分CaF2沉積，CaF2溶解度較低，并不具有生物活性，因而導致其溶解性能和化學吸附性能都較x=0．25時差，生物活性降低。

圖5 FHA粉體的掃描電子顯微鏡照片a:x=0．25，b:x=0．50

2．3 羥基磷灰石生物活性分析

圖6～圖8為不同條件下合成FHA材料吸附氨基酸的紫外譜圖。可以看出，不同樣品對谷氨酸都有明顯的吸附作用，其中x=0．25時合成FHA吸附效果最好，x=1．00時最差，且高溫高濃度條件制得的FHA效果更優(yōu)。通過對比常溫低濃度和高溫低濃度合成樣品紫外譜圖可以看出，在低濃度下氟摻雜量的變化對FHA材料的吸附性能影響較小。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，當x＞0．25時，隨著摻氟量的增加FHA對氨基酸的吸附性能逐漸降低，當x=0．75與x=1．00時FHA對氨基酸的吸附性能小于純HA，這與XRD分析結果一致。原因可能為HA吸附氨基酸的能力較強，大量的的氨基酸分子吸附于FHA的表面，使FHA分子懸浮于上清液，使溶液的相對濃度增大，從而增大了溶液的吸光度。圖9為3種條件下合成FHA中吸附性能最好的氨基酸溶液紫外譜圖，可知高溫高濃度下合成FHA具有更好的生物活性。

2．4 IR 分析

為確定是否是化學吸附導致FHA吸附能力發(fā)生變化，對吸附后的FHA進行紅外分析。結果表明，700～400 cm－1間的吸收峰為Ca-O鍵的特征吸收峰，1 500～1 750 cm－1處為-COOH特征吸收峰，在3 573 cm－1處為-OH的吸收峰(圖10)。

圖6 常溫低濃度條件下制備的FHA的紫外光譜

圖7 高溫低濃度條件下制備的FHA的紫外光譜

圖8 高溫高濃度條件下制備的FHA的紫外光譜

圖9 三種條件下吸附性能最好的FHA吸附曲線

圖10 不同氟摻雜量FHA吸附后產(chǎn)物的紅外光譜

其中，-COOH和-OH的特征吸收峰只有x=0到x=0．50時存在，而x=0．75與x=1．00基本消失。因此可以推斷，當x=0到x=0．50時FHA對谷氨酸的吸附為化學吸附。溶液的吸光度增大，化學吸附為影響因素之一。而x=0．75與x=1．00時，F(xiàn)HA并沒有產(chǎn)生化學吸附。但此時溶液的吸光度仍然較純氨基酸大，可以推斷FHA的溶解也為影響因素之一。隨著氟的加入FHA的化學吸附性并沒有一直增強，說明氟的加入對FHA化學吸附性的影響也不是單一的?？梢酝茢啵碾娯撔暂^強，HA中氟的加入增強了FHA的表面電勢，使氨基酸更強的吸附。但氟的離子半徑較小，氟的加入可能會使FHA的晶型更加致密，使谷氨酸無法進入FHA的晶格之中。在x=0與x=0．25之間，氟的電負性的影響起主導作用，因而隨著氟含量增加吸附性增強。在x大于0．25后，氟對晶體密度的影響起主導作用，因而隨著氟含量的增加化學吸附性降低甚至消失。x=0．75和x=1．00的吸光度較HA的小，說明氟的加入也影響了FHA的溶解度，隨著氟的加入，F(xiàn)HA的溶解度在不斷減小。

3 結 論

采用液相共沉淀法在不同條件下合成了氟摻雜的羥基磷灰石材料，XRD和SEM分析顯示少量氟的摻雜沒有改變HA的結構，但明顯影響了其生物活性，合成FHA材料為多孔結構。不同溫度和不同氟摻雜量合成樣品生物活性不同，其中高溫高濃度下合成FHA生物活性較高，當氟摻雜量x=0．25時合成FHA粉體具有良好的生物活性與熱穩(wěn)定性，是一種良好的骨替代材料。但本次研究未開展生物學性能實驗(如細胞實驗)，缺少材料體外生物學性能評價，有待進一步深入研究。

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