以碳酸鈣為模板制備空心羥基磷灰石微球及其表征*

陳繼偉，沈 娟，胡文遠(yuǎn)，齊永成

(西南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 綿陽(yáng) 621010)

?

以碳酸鈣為模板制備空心羥基磷灰石微球及其表征*

陳繼偉，沈 娟，胡文遠(yuǎn)，齊永成

(西南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 綿陽(yáng) 621010)

以碳酸鈣為模板和鈣源，與磷酸氫二銨通過水熱反應(yīng)，制備出尺寸均勻、形態(tài)規(guī)則的空心羥基磷灰石微球。采用X射線衍射(XRD)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)測(cè)試制備的樣品，結(jié)果顯示，制備的空心羥基磷灰石微球具有與碳酸鈣微球模板相似的形貌，空心，尺寸均勻且形貌規(guī)則。并通過改變水熱反應(yīng)時(shí)間探索了羥基磷灰石微球的形成機(jī)理。此羥基磷灰石空心微球在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。

羥基磷灰石；空心微球；碳酸鈣；水熱法；形成機(jī)理

0 引 言

羥基磷灰石具有與生物體骨骼的無(wú)機(jī)成分相似的結(jié)構(gòu)和組成，決定了其具有良好的生物相容性、生物活性和骨傳導(dǎo)性能[1-2]，因此，羥基磷灰石被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如藥物傳輸[3-4]和組織修復(fù)[5-7]等方面。而羥基磷灰石的形貌及性質(zhì)決定了羥基磷灰石的應(yīng)用，空心羥基磷灰石微球具有較大的比表面積，在藥物傳輸和組織修復(fù)中具有更廣闊的應(yīng)用前景。

制備羥基磷灰石微球的方法較多，但大多制備方法較復(fù)雜或?qū)υO(shè)備要求較高，如噴霧干燥[8-9]需要較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過程和較高設(shè)備要求，Xiao等[11]采用玻璃轉(zhuǎn)化法制備出規(guī)則的羥基磷灰石微球，但制備溫度為1 200 ℃，而且消耗大量的原料。其它制備羥基磷灰石微球的方法大多采用有機(jī)試劑[12-14]，這嚴(yán)重影響了羥基磷灰石微球在生物體中的應(yīng)用。本文利用自制的碳酸鈣微球作為模板，不采用有機(jī)試劑利用水熱法制備出空心羥基磷灰石微球。水熱反應(yīng)時(shí)間直接影響羥基磷灰石微球的質(zhì)量，尤其是在固液離子交換反應(yīng)中，水熱反應(yīng)時(shí)間對(duì)羥基磷灰石微球的轉(zhuǎn)化具有較大的影響，而此類的研究報(bào)道卻較少。本文采用較少種類的試劑且整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程不采用對(duì)生物體有毒的有機(jī)試劑制備出空心羥基磷灰石微球，并通過控制水熱反應(yīng)時(shí)間的不同，探索了羥基磷灰石微球的形成機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

無(wú)水氯化鈣(CaCl2，ACS)，阿拉丁化學(xué)有限公司；無(wú)水碳酸鈉(Na2CO3，AR)，磷酸氫二銨((NH4)2HPO4，AR)和一水檸檬酸(C6H8O7·H2O, AR)均來(lái)自于成都市科龍化工試劑廠；氫氧化鈉(NaOH，AR)，成都聯(lián)合化工研究所。

1.2 儀器與設(shè)備

Ultra 55場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，德國(guó)蔡司儀器公司； Libra 200FE 透射電子顯微鏡，德國(guó)蔡司儀器公司；X’Pert PRO多功能X射線衍射儀，荷蘭帕納科公司；Spectrum One 型傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó)PE儀器公司。

1.3 碳酸鈣微球的制備

碳酸鈣的制備采用與文獻(xiàn)[15]報(bào)道中類似的方法。稱取0.1 mol的一水檸檬酸加入100 mL CaCl2濃度為0.5 mol/L的溶液中，攪拌使其溶解均勻，用1.0 mol/L 的NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液的pH值為5.8，攪拌下快速倒入100 mL 0.5 mol/L的Na2CO3溶液，混合均勻后靜置沉降24 h。過濾，用蒸餾水洗滌數(shù)次，50 ℃烘干。

1.4 空心羥基磷灰石微球的制備

0.0024 mol的(NH4)2HPO4在40 mL蒸餾水中充分溶解，加入0.004 mol實(shí)驗(yàn)室制備的CaCO3(鈣磷摩爾比為5∶3)，用1.0 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液的pH值為12.0，轉(zhuǎn)入40 mL的聚四氟乙烯壓力釜中140 ℃水熱一定時(shí)間(15，28和40 h)。自然冷卻至室溫，用蒸餾水洗滌數(shù)次，50 ℃干燥24 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳酸鈣微球的表征

圖1和2分別為實(shí)驗(yàn)室制備的碳酸鈣微球的XRD圖和FT-IR圖。樣品的X射線衍射峰尖銳，說明結(jié)晶性良好。對(duì)照方解石(JCPDS 5-586)和球霰石(JCPDS33-268)的X射線衍射標(biāo)準(zhǔn)卡片發(fā)現(xiàn)樣品由方解石和球霰石兩種晶型構(gòu)成。碳酸鈣具有方解石、文石和球霰石3種常見的晶型，方解石熱力學(xué)最穩(wěn)定，

圖1 制備的碳酸鈣微球的XRD圖(C=方解石，V=球霰石)

Fig 1 XRD spectrum of as-prepared calcium carbonate microspheres (C=calcite, V=vaterite)

圖2 制備的碳酸鈣的FT-IR圖

Fig 2 FT-IR spectrum of as-prepared calcium carbonate microspheres

球霰石最不穩(wěn)定[16]，通常制備的碳酸鈣均為方解石。因此可以推斷檸檬酸的添加促進(jìn)了球霰石的產(chǎn)生。從FT-IR圖中可以看出，樣品在712和874 cm-1處出現(xiàn)方解石的特征吸收峰，而745 cm-1處的峰值是球霰石的特征峰[17-19]，再次證明了制備的碳酸鈣微球具有方解石和球霰石兩種晶型。FT-IR圖譜在1 490 cm-1處出現(xiàn)較強(qiáng)非晶碳酸鈣的吸收峰，說明制備的碳酸鈣樣品中含有一定量的非晶碳酸鈣，這可能是檸檬酸的加入抑制了碳酸鈣的結(jié)晶，在產(chǎn)生球霰石的同時(shí)產(chǎn)生了部分非晶碳酸鈣。

2.2 空心羥基磷灰石微球的表征

圖3 水熱反應(yīng)不同時(shí)間碳酸鈣轉(zhuǎn)化成羥基磷灰石微球的XRD圖

Fig 3 XRD spectra of calcium carbonate microspheres prepared hollow hydroxyapatite microspheres by hydrothermal different time

圖4 水熱反應(yīng)不同時(shí)間碳酸鈣轉(zhuǎn)化成羥基磷灰石微球的FT-IR圖

Fig 4 FT-IR spectra of calcium carbonate microspheres prepared hollow hydroxyapatite microspheres by hydrothermal different time

2.3 空心羥基磷灰石微球的形貌

以碳酸鈣微球?yàn)槟０逯苽淞u基磷灰石微球，碳酸鈣的形貌直接影響羥基磷灰石微球的形貌。圖5是以本文制備的碳酸鈣微球?yàn)槟０逯苽涞牧u基磷灰石微球。從圖中可以看出，制備的空心HAp微球與作為原料的碳酸鈣微球形貌一致，球形度較高，且分散性良好。隨著水熱反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)，圖5(a)、(c)和(e)中碎片增多，說明隨著水熱時(shí)間的增加，制備的空心HAp微球逐漸破碎，成球率降低。由圖5(b)、(d)和(f)可以看出，制備的羥基磷灰石球是由六方柱形和其它形貌的小顆粒組成，且隨著水熱時(shí)間的增加，六方柱形顆粒的量逐漸增加，其它形貌顆粒逐漸減少。一般羥基磷灰石呈現(xiàn)六方柱狀，推測(cè)六方柱狀顆粒為羥基磷灰石，其它形貌顆粒為碳酸鈣顆粒，隨著水熱時(shí)間的增長(zhǎng)，碳酸鈣逐漸轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石，因此碳酸鈣逐漸減少，羥基磷灰石逐漸增多。水熱反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)(圖5(a)和(b))，微球表面基本無(wú)缺損，水熱反應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)到28 h時(shí)，由圖5(c)可以看出有部分殘缺球出現(xiàn)，而且球面中心凹陷(圖5(d))。水熱反應(yīng)時(shí)間為40 h時(shí)，由圖5(e)可以看出殘缺碎片進(jìn)一步增加，而圖5(f)可以清楚地看出制備的羥基磷灰石空心。圖6為對(duì)應(yīng)樣品的透射電鏡圖，水熱反應(yīng)15 h時(shí)，微球?yàn)閷?shí)心微球，隨水熱反應(yīng)時(shí)間的增加，微球中心有透射光通過，隨著水熱反應(yīng)時(shí)間的進(jìn)一步增加，當(dāng)水熱反應(yīng)時(shí)間達(dá)到40 h時(shí)，微球變?yōu)榭招奈⑶?。由圖中可以明顯的看出隨著水熱反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)，微球逐漸成為空心微球的過程。

圖5 水熱反應(yīng)不同時(shí)間碳酸鈣轉(zhuǎn)化成羥基磷灰石微球的FESEM圖

Fig 5 FESEM images of calcium carbonate microspheres prepared hollow hydroxyapatite microspheres by hydrothermal different time

圖6 水熱反應(yīng)不同時(shí)間碳酸鈣轉(zhuǎn)羥基磷灰石微球的TEM圖

Fig 6 TEM images of calcium carbonate microspheres prepared hollow hydroxyapatite microspheres by hydrothermal different time

2.4 空心羥基磷灰石微球的成球機(jī)理

碳酸鈣微球與磷酸氫二銨溶液在水熱條件下反應(yīng)制備羥基磷灰石。由氫氧化鈉調(diào)節(jié)反應(yīng)開始時(shí)的pH值，水熱反應(yīng)溫度為140 ℃。反應(yīng)體系形成高溫高壓環(huán)境，而碳酸鈣微溶于水，因此反應(yīng)可以認(rèn)為是高溫高壓下的固液離子交換反應(yīng)[21]。溶液中，存在如下反應(yīng)

(1)

(2)

(3)

Ca10-x-y/2(HPO4)x(PO4)6-x-y(CO3)y(OH)2-x

(4)

反應(yīng)產(chǎn)物不易溶于水，進(jìn)一步促進(jìn)方程(1)碳酸鈣的水解。隨水熱時(shí)間的增加，碳酸鈣微球中碳酸鈣量進(jìn)一步減少，產(chǎn)生的羥基磷酸鈣量進(jìn)一步增加。這與XRD圖和FT-IR圖顯示的一致。隨著反應(yīng)時(shí)間增加，溶液對(duì)碳酸鈣微球的侵蝕進(jìn)一步增加，微球的缺陷增多，破碎產(chǎn)生的碎片逐漸增多，而且隨著反應(yīng)(1)和(4)的進(jìn)行，反應(yīng)(4)產(chǎn)生的物質(zhì)不易溶于水，產(chǎn)生沉淀，形成碎片或附著于碳酸鈣微球表面(圖7(c))。因此隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，反應(yīng)產(chǎn)生的碎片增多，這與圖5顯示的一致。

圖7 碳酸鈣微球水熱法制備空心羥基磷灰石微球的機(jī)理圖

3 結(jié) 論

采用自制的碳酸鈣微球?yàn)槟０?，制備了粒徑約為800 nm～2 μm形態(tài)均勻、尺寸一致的空心羥基磷灰石微球。通過改變水熱反應(yīng)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)水熱反應(yīng)時(shí)間不但影響碳酸鈣的轉(zhuǎn)化率，也影響羥基磷灰石的結(jié)晶性。水熱反應(yīng)時(shí)間為40 h時(shí)碳酸鈣微球基本完全轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石微球，且呈空心狀態(tài)。水熱時(shí)間越長(zhǎng)，碳酸鈣轉(zhuǎn)化率越大，羥基磷灰石的結(jié)晶性越低。這種方法制備的空心羥基磷灰石采用較少的試劑，呈球性較好，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

[1] Stipniece L, Salma-Ancane K, Borodajenko N, et al. Characterization of Mg-substituted hydroxyapatite synthesized by wet chemical method[J]. Ceramics International, 2014, 40: 3261-3267.

[2] Liao Jianguo, Zuo Yi, Zhang Li, et al. Study on bone-like nano-apatite crystals[J]. Journal of Functional Materials, 2009, 40(5): 877-880.

廖建國(guó), 左 奕, 張 利, 等. 納米類骨磷灰石晶體合成[J]. 功能材料, 2009, 40(5): 877-880.

[3] Ye F, Guo H, Zhang H, et al. Polymeric micelle-templated synthesis of hydroxyapatite hollow nanoparticles for a drug delivery system[J]. Acta Biomaterialia, 2010, 6: 2212-2218.

[4] Guo Y, Wang Y, Chen T, et al. Hollow carbonated hydroxyapatite microspheres with mesoporous structure: Hydrothermal fabrication and drug delivery property[J]. Materials Science and Engineering C, 2013, 33: 3166-3172.

[5] Dubnika A, Zalite V. Preparation and characterization of porous Ag doped hydroxyapatite bioceramic scaffolds[J]. Ceramics International, 2014, 40: 9923-9930.

[6] Kim S, Park C. Mussel-inspired transformation of CaCO3to bone minerals[J]. Biomaterials, 2010, 31: 6628-6634.

[7] Lim P, Chang L, Tay B, et al. Proposed mechanism of antibacterial action of chemically modified apatite for reduced bone infection[J]. ACS Appled Materials & Interfaces, 2014, 6: 17082-17092.

[8] Cho J, Lee J, Chung S, et al. Effect of grain size and density of spray-pyrolyzed hydroxyapatite particles on the sinterability of hydroxyapatite disk[J]. Ceramics International, 2014, 40: 6691-6697.

[9] Jiao Y, Lu Y, Xiao G, et al. Preparation and characterization of hollow hydroxyapatite microspheres by the centrifugal spray drying method[J]. Powder Technology, 2012, 217: 581-584.

[10] Fu H, Rahaman M, Day D. Effect of process variables on the microstructure of hollow hydroxyapatite microspheres prepared by a glass conversion method[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2010, 93(10): 3116-3123.

[11] Xiao W, Fu H, Rahaman M, et al. Hollow hydroxyapatite microspheres: A novel bioactive and osteoconductive carrier for controlled release of bone morphogenetic protein-2 in bone regeneration[J]. Acta Biomaterialia, 2013, 9: 8374-8383.

[12] Wang H, Zhai L, Li Y, et al. Preparation of irregular mesoporous hydroxyapatite[J]. Materials Research Bulletin, 2008, 43: 1607-1614.

[13] Yang Hui，Li Huan. Preparation and sustained release properties of porous hydroxyapatite hollow microspheres[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2011, 42(11): 2412-2417.

楊 輝, 李 歡. 多孔羥基磷灰石中空微球制備及緩釋性能[J]. 人工晶體學(xué)報(bào), 2011, 42(11): 2412-2417.

[14] Liu Ying, Zhao Xu, Pan Yan, et al. Study on bone-like nano apatite crystals[J]. Acta Physico-chimica Sinica, 2009, 25(7): 1467-1471.

劉 瑩, 趙 旭, 潘 琰, 等. 簡(jiǎn)單方法制備羥基磷灰石中空微球[J]. 物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2009, 25(7): 1467-147.

[15] Chen Xianyong，Tang Qin，Hu Weibing，et al. Preparation and characterization of twin spherical calcium carbonate by the direct mixing precipitation method [J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 2010, 31(10): 1940-1944.

陳先勇, 唐 琴, 胡衛(wèi)兵, 等. 孿生球狀碳酸鈣的直接混合沉淀法制備及表征[J]. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào), 2010, 31(10): 1940-1944.

[16] Hwang D, Cho K, Choi M, et al. Effects of sodium dodecyl benzenesulfonic acid (SDBS) on the morphology and the crystal phase of CaCO3[J]. Korean Journal of Chemical Engineering, 2011, 28: 1927-1935.

[17] Zhang Qun，Chen Min，Sun Xinyuan，et al. Preparation of CaCO3under the presence of sodium citrate[J].Journal of Synthetic Crystals, 2012, 41(2): 539-543.

張 群, 陳 敏, 孫新園, 等. 檸檬酸鈉作用下碳酸鈣的制備[J]. 人工晶體學(xué)報(bào), 2012, 41(2): 539-543.

[18] Guan Yebin, Yao Qizhi, Zhou Gentao. Hydrous amorphous calcium carbonate: A biomimetic mineralization study[J]. Geological Journal of China Universities, 2011, 17(1): 46-52.

官葉斌, 姚奇志, 周根陶. 含水非晶碳酸鈣的仿生礦化研究[J]. 高校地質(zhì)學(xué)報(bào), 2011, 17(1): 46-52.

[19] Guo Y, Yao Y, Guo Y, et al. Hydrothermal fabrication of mesoporous carbonated hydroxyapatite microspheres for a drug delivery system[J]. Microporous and Mesoporous Materials, 2012, 155: 245-251.

[20] Verma G, Barick K, Manoja N, et al. Rod-like micelle templated synthesis of porous hydroxyapatite[J]. Ceramics International, 2013, 39: 8995-9002.

[21] Guo Y, Yao Y, Ning C, et al. Fabrication of mesoporous carbonated hydroxyapatite microspheres by hydrothermal method[J]. Materials Letters, 2011, 65: 2205-2208.

Preparation and characterization of hollow hydroxyapatite microspheres used calcium carbonate as template

CHEN Jiwei,SHEN Juan, HU Wenyuan,QI Yongcheng

(School of Materials Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010, China)

Uniform and hollow hydroxyapatite microspheres were prepared by calcium carbonate as the template with diammonium phosphate using hydrothermal method. As-prepared hollow hydroxyapatite microspheres were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), Field emission scanning electron microscopy (FESEM) and Transmission electron microscopy (TEM). Results showed that as-prepared hollow hydroxyapatite microspheres had the similar morphology and size with calcium carbonate microspheres. The formation mechanism of prepared hollow hydroxyapatite microspheres was explored by changed the reaction time. Therefore, as-prepared hollow hydroxyapatite microspheres have great application prospect in the biomedical field.

hydroxyapatite; hollow microspheres; calcium carbonate; hydrothermal method; formation mechanism

1001-9731(2016)04-04169-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21201142)；四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)資助項(xiàng)目(2015JY0147)

2015-05-25

2015-09-17 通訊作者：沈 娟，E-mail: sj-shenjuan@163.com，胡文遠(yuǎn)

陳繼偉 (1989-)，男，河南漯河人，碩士，師承沈娟副研究員，從事生物醫(yī)學(xué)材料研究。

TQ174.75

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.04.034