HA-PLA和Zn摻雜HA-PLA的界面結(jié)構(gòu)及性能模擬

袁秋華，石 鑫，萬 磊，林亞寧，徐安平，張自強(qiáng)，陳澤匯，鄧立波，倪 卓

1) 深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東深圳 518060；2)中國電子科技集團(tuán)公司第九研究所，四川綿陽621010

羥基磷灰石(hydroxyapatite，HA)的分子式為Ca10(PO4)6(OH)2，具有與人體類骨磷灰石相似的組成和結(jié)構(gòu)，而且具有良好的生物活性和相容性，植入人體不會引起排斥反應(yīng)，能與人骨形成很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)[1]，所以羥基磷灰石被廣泛應(yīng)用于硬組織替代材料[2-3]．但是由于純HA力學(xué)性能差、脆性大、 強(qiáng)度較低和易斷裂等缺點(diǎn)， 限制了其臨床應(yīng)用．

摻雜是指在一種材料中，加入極其少量的其他元素或者化合物[4]，使該材料具有更高的使用價(jià)值．通過在羥基磷灰石的分子結(jié)構(gòu)上摻雜其他微量元素，可使其結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化.目前主要摻雜的微量元素有鍶、銀、鋅和鎂等．鋅是人體必需的微量元素，在肝臟、肌肉以及骨骼中含量較多，同時(shí)鋅參與構(gòu)成人體內(nèi)的200多種酶，并直接參與了人體蛋白質(zhì)與核酸的合成，在維持機(jī)體正常生長發(fā)育以及許多代謝方面起著重要的作用[5]．當(dāng)用羥基磷灰石作為骨替代材料時(shí)，鋅的消耗量逐漸增大，通常會進(jìn)補(bǔ)含鋅的食物，加快治愈創(chuàng)傷[6]，因此鋅摻雜羥基磷灰石在骨修復(fù)方面有較大的價(jià)值．人工合成的鋅摻雜羥基磷灰石(Zn-doped hydroxyapatite, ZnHA)有著較優(yōu)良的生物相容性、生物活性以及骨誘導(dǎo)性，但是由于羥基磷灰石自身的韌性低、脆性高等缺點(diǎn)，往往需要在該材料中加入另一相來增強(qiáng)其力學(xué)性能[7]．

聚乳酸(polylactic acid，PLA)具有良好的生物可降解性、黏性及生物相容性，被廣泛用于材料領(lǐng)域[8].通過將鋅摻雜的羥基磷灰石與聚乳酸混合并制得復(fù)合金屬涂層，可增加材料的黏結(jié)性能與力學(xué)強(qiáng)度，滿足骨替代工程對支架材料的性能要求[9-10]．本研究采取分子動力學(xué)[11](molecular dynamic，MD)的計(jì)算方法，通過牛頓力學(xué)模擬分子體系的運(yùn)動，研究HA-PLA、缺陷HA-PLA以及Zn摻雜HA-PLA的界面結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)．

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 純HA和ZnHA粉體的制備

本研究通過化學(xué)沉淀法制備ZnHA[12]，具體做法：將鈣鹽、鋅鹽以及磷酸鹽混合攪拌，通過控制反應(yīng)過程中的pH值和溫度，最終可合成Zn摻雜的羥基磷灰石(實(shí)驗(yàn)中控制鈣鋅總量與磷的摩爾比為1.67∶1.00)．鈣源取自Ca(NO3)2·4H2O，磷源取自Na2HPO4，鋅源取自Zn(NO3)2·6H2O．首先是制備純HA，將Na2HPO4和Ca(NO3)2·4H2O分別溶于適量去離子水， 且鈣與磷的質(zhì)量比為1.67∶1.00．具體是將Na2HPO4溶液緩慢滴加到Ca(NO3)2·4H2O中，為避免形成缺鈣磷灰石，利用恒流滴定泵可完成該操作.設(shè)置滴定速率為2 mL/min，反應(yīng)在恒溫(加熱)磁力攪拌器中完成，磁力攪拌器的速率可設(shè)置為200～500 r/min，水浴溫度為40 ℃．反應(yīng)中用NaOH溶液調(diào)控pH值，讓其維持在10.5～11.0．充分反應(yīng)2 h后，將混合液倒入大燒杯中放置24 h，而后將沉淀物進(jìn)行抽濾，并洗滌樣品，以去除樣品中多余的雜質(zhì)離子．將洗滌過的濾餅放入60 ℃的烘箱中干燥2 h，然后對充分干燥的產(chǎn)物進(jìn)行研磨，置于馬弗爐中煅燒3 h，煅燒溫度為700 ℃，獲得最終產(chǎn)品用同樣的濕化學(xué)法可合成鋅摻雜羥基磷灰石粉體.鋅摻雜的比例需要設(shè)置一定的濃度梯度，保持摩爾比n(Zn)/n(Zn+Ca)分別為5%、10%、15%和20%，依次標(biāo)記為5ZnHA、10ZnHA、 15ZnHA和20ZnHA．具體過程是：首先將一定量的Na2HPO4溶解于去離子水中，再按上述比例稱取適量的Zn(NO3)2·6H2O和Ca(NO3)2·4H2O，溶于去離子水中，并保持n(Zn+Ca)/n(P)=1.67. 將Zn(NO3)2·6H2O和Ca(NO3)2·4H2O混合溶液轉(zhuǎn)移至三頸燒瓶中，放入磁子，磁力攪拌速率可設(shè)置為200～500 r/min，水浴溫度為40 ℃．同樣利用恒流滴定泵以2 mL/min的速度向三頸燒瓶中滴加Na2HPO4溶液，用NaOH溶液調(diào)控pH值，使其穩(wěn)定在10.5～11.0．待恒溫?cái)嚢? h后，將反應(yīng)完全的混合液倒入大燒杯中放置24 h，然后將陳化好的沉淀物用真空泵抽濾，并依次使用去離子水及無水乙醇洗滌樣品，洗滌后的濾餅放入60 ℃的烘箱中干燥2 h．干燥后得到的前驅(qū)體經(jīng)過研磨后，放入700 ℃馬弗爐里煅燒3 h，最終得到不同濃度的鋅摻雜的羥基磷灰石成品．

1.2 基材預(yù)處理

試驗(yàn)中選取304型號不銹鋼板作為鋅摻雜羥基磷灰石-聚乳酸復(fù)合涂層(ZnHA-PLA)的硬質(zhì)基片，尺寸為10 mm×10 mm×1 mm，用硅砂紙打磨鋼板的其中一面，依次用丙酮、無水乙醇以及純凈水進(jìn)行超聲清洗潔凈，放入干燥箱60 ℃干燥備用．

1.3 鋅摻雜羥基磷灰石-聚乳酸復(fù)合涂層的制備

取適量PLA，溶解于二氯甲烷中，攪拌至PLA完全溶解.將適量過篩后的鋅摻雜HA粉體加入到PLA溶液中(PLA與HA的質(zhì)量比為1∶1)，繼續(xù)攪拌5 h，得到混合均勻且有一定黏度的ZnHA-PLA懸浮液．采用KW-4A型勻膠機(jī)在304鋼板基片上制備復(fù)合涂層，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為3 000 r/min，旋涂完畢后將樣品放在37 ℃真空烘箱中干燥12 h，得到鋅摻雜的羥基磷灰石-聚乳酸復(fù)合涂層．

1.4 ZnHA-PLA復(fù)合涂層的XRD分析

采用X射線衍射儀(X-ray diffractomter，XRD)對純HA-PLA和Zn摻雜HA-PLA復(fù)合涂層進(jìn)行研究，其XRD譜圖如圖1．由圖1可見，所有復(fù)合涂層都出現(xiàn)了HA的特征峰，如(002)、(211)、(112)、(300)、(202)、(310)、(222)、(213)和(004)等，這些特征峰都與HA的JCPDS標(biāo)準(zhǔn)峰(標(biāo)準(zhǔn)卡片，PDF No：09-0432)一致，且復(fù)合涂層中無其他雜質(zhì)峰出現(xiàn)．隨著鋅含量的增加，峰強(qiáng)度逐漸減弱，峰寬逐漸增大．通過XRD圖譜分析，樣品的結(jié)晶度(XC)估算公式為

(1)

其中，V112/300是晶面(112)和(300)之間凹陷部分的強(qiáng)度；I300是晶面(300)的強(qiáng)度．根據(jù)計(jì)算，5ZnHA-PLA、10ZnHA-PLA、15ZnHA-PLA和20ZnHA-PLA樣品的結(jié)晶度分別為73%、71%、63%和59%．這是因?yàn)閆n2+(0.074 nm)與Ca2+(0.100 nm)之間存在半徑差，隨著Zn2+替代Ca2+進(jìn)入HA晶格，使得晶格變形，晶胞參數(shù)改變，導(dǎo)致結(jié)晶度發(fā)生變化．

圖1 不同摩爾分?jǐn)?shù)ZnHA-PLA復(fù)合涂層的XRD圖Fig.1 XRD patterns of different mole fractions of ZnHA-PLA composite coatings

1.5 ZnHA-PLA復(fù)合涂層的XPS分析

通過X-射線光電子能譜分析儀(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)探究復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成，如圖2．圖2(a)顯示了5ZnHA-PLA復(fù)合涂層(n(Zn)/n(Zn+Ca)為5%)的全元素掃描XPS光譜：Ca(LMM)、Zn(2p)、O(KLL)、O(1s)、Ca(2s)、Ca(2p)、C(1s)、P(2s)、Zn(3s)、Ca(3s)和Ca(3p). 圖2(b)為Zn(2p)的XPS高倍譜，顯示1個(gè)較強(qiáng)的Zn(2p1/2)和1個(gè)較弱的Zn(2p3/2)的結(jié)合能峰，表明Zn存在于復(fù)合涂層中.結(jié)合前面XRD圖譜分析，可以說明有部分Zn離子成功取代Ca離子摻雜進(jìn)入HA晶格中. 圖2(c)為Ca(2p)的高倍能譜擬合曲線圖譜，可以看出Ca(2p)分為兩個(gè)能級軌道，即2p(3/2)和2p(1/2)，對應(yīng)的結(jié)合能分別是350.3 eV和346.9 eV，這表明復(fù)合涂層中的鈣離子以柱形分布和螺旋軸向分布兩種形式存在．

1.6 ZnHA-PLA復(fù)合涂層的黏結(jié)強(qiáng)度測試

復(fù)合涂層的黏結(jié)強(qiáng)度反映了涂層與硬質(zhì)基片之間的結(jié)合能力，是判斷涂層能否作為植入材料的一個(gè)重要指標(biāo).若黏結(jié)強(qiáng)度較弱，則涂層很容易從基材表面脫落，造成涂層失敗．黏結(jié)強(qiáng)度測試結(jié)果如圖3所示，每個(gè)樣品均測試5次，并以均值為最終結(jié)果．純HA-PLA復(fù)合涂層的黏結(jié)強(qiáng)度為12.05 MPa，當(dāng)鋅的摩爾分?jǐn)?shù)增至5%和10%時(shí)，復(fù)合涂層的黏結(jié)強(qiáng)度分別增加到12.15 MPa和12.23 MPa．但是從圖3可看出，當(dāng)鋅的摩爾分?jǐn)?shù)增加到15%和20%時(shí)，復(fù)合涂層的黏結(jié)強(qiáng)度有一定程度降低，這可能與羥基磷灰石的結(jié)晶度有關(guān)．當(dāng)鋅的摻雜摩爾分?jǐn)?shù)適量時(shí)，結(jié)晶度變化不大，與有機(jī)相的界面作用增強(qiáng)．摻雜一旦過量，HA結(jié)晶度迅速降低，與有機(jī)相的作用減弱，黏結(jié)強(qiáng)度隨之降低．

圖2 5ZnHA-PLA涂層的XPS圖譜Fig.2 XPS spectra of 5ZnHA-PLA composite coating

圖3 不同Zn含量HA-PLA復(fù)合涂層的黏結(jié)強(qiáng)度Fig.3 Adhesion strength testing of HA-PLA composite coatings with different Zn contents

2 模擬方法與結(jié)果

2.1 模擬優(yōu)化

COMPASS力場能模擬孤立分子的結(jié)構(gòu)、振動頻率和熱力學(xué)性質(zhì)[14]，本研究利用Materials Studio 8量子力學(xué)軟件平臺進(jìn)行模擬計(jì)算．

圖4為各物質(zhì)優(yōu)化后的模型結(jié)構(gòu).羥基磷灰石的空間群為P63/m，晶體結(jié)構(gòu)如圖4(a)，晶格參數(shù)為a=b=0.943 2 nm，c=0.688 1 nm.其中，a與b的夾角為90°，a與c的夾角為120°[15]．確定HA的模型后，對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的HA晶格參數(shù)為a=b=0.954 3 nm，c=0.688 4 nm，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的誤差在1.5%以內(nèi)．

通過對羥基磷灰石粉體的XPS分析，容易看出在羥基磷灰石的結(jié)構(gòu)中存在兩種鈣離子，在摻雜過程中Zn離子更易取代Ca(Ⅱ)位點(diǎn)[16].從這我們可確定缺陷(去除Ca(Ⅱ))羥基磷灰石以及鋅摻雜(取代Ca(Ⅱ))羥基磷灰石的模型，然后對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖4(b)和(c)所示．可以得出，鋅摻雜羥基磷灰石的晶格參數(shù)a=0.958 5 nm、b=0.958 7 nm、c=0.690 9 nm，顯然鋅原子的摻雜影響到了羥基磷灰石的晶體結(jié)構(gòu)，摻雜后的晶格參數(shù)發(fā)生了變化．

圖4 各物質(zhì)優(yōu)化后的模型結(jié)構(gòu)Fig.4 Optimized model structures

乳酸分子中有1個(gè)羥基和1個(gè)羧基，在一定條件下，—OH與其他乳酸分子的—COOH脫水縮合，構(gòu)成了聚乳酸．聚乳酸是以乳酸為主要原料聚合得到的聚合物，原料來源充分且可再生，其生產(chǎn)過程無污染，產(chǎn)品可以生物降解，可實(shí)現(xiàn)在自然界中的循環(huán)[17]，因此是理想的綠色高分子材料．本研究通過MS軟件中的Polymer builder模塊構(gòu)建40個(gè)單元體的PLA聚合物，然后采用Forcite工具中的Dynamics模塊進(jìn)行優(yōu)化，參數(shù)設(shè)置為正則系統(tǒng)、溫度為300 K，進(jìn)行60 ps的MD運(yùn)算，得到優(yōu)化后的PLA結(jié)構(gòu)模型，如圖4(d)所示．

圖5 純HA各晶面與PLA在MD模擬前后的結(jié)構(gòu)Fig.5 Interfacial structures between pure HA crystal faces and PLA before and after relaxation by MD method

在建立并優(yōu)化純羥基磷灰石、缺陷羥基磷灰石以及鋅摻雜羥基磷灰石后，再分別建立它們與優(yōu)化好的聚乳酸的復(fù)合結(jié)構(gòu)，將聚乳酸鏈置于羥基磷灰石的表面．為了讓聚乳酸鏈只與羥基磷灰石的一個(gè)面反應(yīng)，在復(fù)合層表面增加3 nm的真空層，然后用Dynamics模塊對建立好的復(fù)合模型進(jìn)行分子動力學(xué)計(jì)算[18]．分子動力學(xué)模擬前后的復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖5至圖7．從圖5至圖7可見，在純HA-PLA、缺陷HA-PLA和Zn摻雜HA-PLA復(fù)合結(jié)構(gòu)運(yùn)行分子動力學(xué)后，聚乳酸結(jié)構(gòu)模型向羥基磷灰石表面逐漸靠近，聚乳酸的羧基統(tǒng)一朝向羥基磷灰石表面取向排列，將聚乳酸“拉”向羥基磷灰石表面，在此過程中羥基磷灰石羥基與聚乳酸的羧基之間的作用可能會導(dǎo)致氫鍵的產(chǎn)生．

圖6 缺陷HA各晶面與PLA在MD模擬前后的結(jié)構(gòu)Fig.6 Interfacial structures between defective HA surfaces and PLA before and after relaxation by MD method

圖7 ZnHA各晶面與PLA在MD模擬前后的結(jié)構(gòu)Fig.7 Interfacial structures between ZnHA crystal faces and PLA before and after relaxation by MD method

2.2 結(jié)果分析

彈性模量是反映材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)，包括楊氏模量(E)、剪切模量(G)和體積模量(B)等[19-21]．表1為純HA-PLA、缺陷HA-PLA以及ZnHA-PLA(各個(gè)晶面)的彈性模量數(shù)值．其中，E(x)、E(y)和E(z)分別表示x、y、z方向的楊氏模量．純HA-PLA、缺陷HA-PLA和ZnHA-PLA的(110)晶面的彈性數(shù)值變化見圖8．結(jié)合表1及圖8可見，相較于缺陷HA-PLA和ZnHA-PLA，純HA-PLA各晶面的彈性模量值明顯較大，且其(110)晶面數(shù)值最大．而缺陷HA-PLA的(110)、(100)以及(001)晶面的彈性模量數(shù)值有顯著降低，且3個(gè)方向的楊氏模量數(shù)值有較大差異．ZnHA-PLA各晶面的彈性模量相對純HA-PLA有所降低，但相較于缺陷HA-PLA仍有較大提高，且(110)晶面的楊氏模量在3個(gè)方向上基本呈各向同性．

表1 HA-PLA、缺陷HA-PLA和ZnHA-PLA復(fù)合結(jié)構(gòu)的彈性性能Table 1 Elastic properties of HA-PLA, defective HA-PLA and ZnHA-PLA composite structures GPa

圖8 羥基磷灰石、缺陷羥基磷灰石和鋅摻雜羥基磷灰石各(110)晶面與聚乳酸結(jié)合后的彈性模量Fig.8 The modulus of elasticity of each (110) crystal face of HA，defective HA and Zn-doped HA combined with PLA

另外，本研究發(fā)現(xiàn)Zn的摻入會使HA-PLA的彈性性能有所下降，但與缺陷HA-PLA相比，Zn摻雜的HA-PLA仍具有較好的穩(wěn)定性與彈性性能．因此從彈性性能角度看，Zn摻雜HA-PLA是一種可行的方案．

3 結(jié) 語

本研究通過對ZnHA-PLA復(fù)合涂層進(jìn)行XRD、XPS和黏結(jié)強(qiáng)度等實(shí)驗(yàn)分析，證明該涂層中Zn離子取代部分Ca離子成功進(jìn)入了羥基磷灰石晶體晶格，摻雜適量的Zn離子可增加復(fù)合涂層的黏結(jié)強(qiáng)度．通過運(yùn)用量子力學(xué)軟件對純羥基磷灰石、缺陷和鋅摻雜的羥基磷灰石各晶面與聚乳酸復(fù)合模型的彈性性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，Zn離子的摻入會使HA晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，彈性性能也有所下降．但與缺陷HA-PLA相比，Zn摻雜的HA-PLA仍具有較好的穩(wěn)定性與彈性性能，因此Zn摻雜HA是一種可行的方案，這也為實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)．通過對HA-PLA復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子動力學(xué)計(jì)算，表明PLA的羧基與HA的羥基之間互相吸引，形成氫鍵，使兩相之間有較強(qiáng)的界面作用，因此HA與PLA能夠較好地進(jìn)行復(fù)合．由于HA(110)晶面的羥基密度最大，因此PLA與HA(110)晶面的結(jié)合最為緊密，這也是HA(110)-PLA的彈性性能最佳的原因．