單相氟磷灰石微晶玻璃晶相特征和生物相容性研究

崔 健，姚樹玉，韓 野

(山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266590)

1 引 言

氟磷灰石晶體結(jié)構(gòu)類似于羥基磷灰石，具有接近骨骼和牙齒的結(jié)構(gòu)和主要礦物質(zhì)成分。而且，氟磷灰石晶體結(jié)構(gòu)比羥基磷灰石更加緊密[1]。因此，氟磷灰石微晶玻璃成為許多學(xué)者研究的對象。Moisescu等[2]研究了SiO2-Al2O3-CaO-P2O5-Na2O-K2O-F系微晶玻璃，利用高升溫速率制備了具有棒狀形態(tài)氟磷灰石FAP晶體的微晶玻璃 。H?land等[3]研究了磷灰石-白榴石微晶玻璃，在700 ℃熱處理8 h，然后在1050 ℃熱處理2 h，獲得了針狀氟磷灰石。O' Flynn K P 等[4]研究了磷灰石-莫來石微晶玻璃中FAP的成核和早期結(jié)晶過程，通過基礎(chǔ)玻璃組成和熱處理制度的變化可控制氟磷灰石的結(jié)晶，增加網(wǎng)絡(luò)修飾體含量能夠?qū)е路谆沂w尺寸減小。

最近，Chen等[5]研究了用高爐爐渣制備透輝石-氟磷灰石微晶玻璃的可行性，結(jié)果表明，基礎(chǔ)玻璃的結(jié)晶主要依賴于其初始原料組成。張彥輝、亢靜銳、趙英娜等[6-8]采用燒結(jié)法研究了Na2O-B2O3-SiO2-CaO-P2O5-F系生物微晶玻璃的制備，燒結(jié)終止溫度均在900 ℃以下，均獲得了以氟磷灰石為主晶相的微晶玻璃。張彥輝等[6]研究了燒結(jié)工藝的影響，但SEM照片顯示組織致密性有待于進(jìn)一步提高?？红o銳等[7]分析了微晶玻璃的收縮率、顯氣孔率、體積密度、顯微硬度等，顯微硬度最高值僅為Hv 530左右，硬度稍低。趙英娜等[8]研究了微晶玻璃的制備及生物相容性，但XRD結(jié)果表征沒有給出氟磷灰石的標(biāo)準(zhǔn)PDF圖譜，難以判斷其主晶相的唯一性。

目前雖然有一些關(guān)于熔融-淬火-燒結(jié)法制備氟磷灰石微晶玻璃的報道，但關(guān)于其析晶過程、生物相容性及性能的研究，依然需要大量細(xì)致完善的工作。因此本研究的目的是在較寬的溫度范圍內(nèi)制備單相氟磷灰石微晶玻璃，在析晶過程、體外生物相容性和顯微硬度方面進(jìn)行探討，為相關(guān)研究提供技術(shù)參考。

2 實 驗

2.1 樣品制備

采用分批混料的方法制備了基礎(chǔ)玻璃的原始配方(表1)，經(jīng)充分均勻混合制成玻璃配合料。將混合粉料置于 SX3-12-16 型程控電阻爐進(jìn)行熔制，升溫速率為10 ℃/min，熔化溫度1500 ℃，保溫1 h。將熔融后的玻璃熔漿迅速倒入去離子水中，冷淬，得到玻璃顆粒。對玻璃顆粒進(jìn)行研磨，顆粒粒度在200 μm以下。最后，將這些樣品放入耐火模具中，在900～1150 ℃的不同溫度下進(jìn)行熱處理。

表1 氟磷灰石微晶玻璃配方Table 1 Chemicals for preparing fluorapatite glass-ceramics /wt%

2.2 樣品表征

采用 D/Max2500PC 型X射線衍射儀分析基礎(chǔ)玻璃和不同溫度燒結(jié)后氟磷灰石微晶玻璃粉末的物相組成，銅靶，Kα射線；管電壓和管電流分別40 kV 和 100 mA，掃描速率8°/min，掃描范圍 5°～80°。采用FE-SEM(Nova Nano SEM 450)觀察顆粒的微觀結(jié)構(gòu)，并利用EDS 能譜儀對樣品進(jìn)行成分分析，加速電壓和真空控制分別為20 kV和全自動。在FE-SEM分析之前，在樣品表面噴上一層碳，以增加電子傳導(dǎo)。

2.3 體外生物相容性實驗

體外生物相容性研究在模擬體液(SBF)中進(jìn)行，制備SBF溶液的方法與Kokubo等[9]報道的方法相似。將經(jīng)過1100 ℃熱處理的微晶玻璃樣品粉碎成不同大小顆粒，然后將其浸泡在裝有50 mL SBF溶液的聚乙烯瓶中，溫度保持在37 ℃，浸泡時間為14 d，每天更換模擬體液一次。SBF的初始pH值保持在7.4，處于人血漿[10]正常pH值范圍內(nèi)。浸泡后，在室溫下用去離子水在空氣中輕輕沖洗。利用FT-IR (Nicolet380)和SEM/EDS (FE-SEM，Nova Nano SEM 450)分析樣品的表面組成。

2.4 顯微硬度分析

將部分燒結(jié)處理后的微晶玻璃制成金相試樣，在FM-700/SVDM4R 型顯微硬度計上測量其硬度，載荷100 g，每個樣品分別測試5個硬度值，扣除最大值和最小值，其余3個硬度值取平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 物相分析

圖1為未燒結(jié)基礎(chǔ)玻璃和900 ℃，1000 ℃，1100 ℃，1150 ℃燒結(jié)樣品XRD圖譜。從圖中可以看出,水淬處理后的基礎(chǔ)玻璃的衍射峰，呈現(xiàn)典型的非晶特征。燒結(jié)處理后出現(xiàn)衍射峰，且各衍射峰與氟磷灰石標(biāo)準(zhǔn)圖譜(JCPDS73-1727)一一對應(yīng)，可見，氟磷灰石晶體可以在較寬的溫度范圍內(nèi)從堿性玻璃中析出。衍射峰尖銳而強烈，表明它們具有高度的晶體性質(zhì)。未見雜質(zhì)峰，證實晶體類型的單一性。

XRD衍射峰強度的結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，最強的峰值在相應(yīng)溫度下具有相同的米勒指數(shù)。對于每個晶面，強度值隨著溫度的升高先增大，達(dá)到各自最大值后減小。同時，在900～1150 ℃的溫度范圍內(nèi)燒結(jié)的所有樣品，最強的衍射峰在(211)晶面。

表2 不同溫度燒結(jié)后部分晶面的衍射強度Table 2 XRD diffraction intensity of some crystalline planes at different temperatures

圖1 基礎(chǔ)玻璃以及不同溫度下燒結(jié)的微晶玻璃XRD圖譜 (a)衍射角度10°到80°；(b)衍射角度30°到36° Fig.1 XRD patterns of base glass and sintered microcrystalline glass at different temperatures (a)diffraction angle of 10° to 80°;(b)diffraction angle of 30° to 36°

3.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖2展示了不同溫度下FAP晶體的微觀結(jié)構(gòu)演變，圖2a顯示了微晶玻璃在900 ℃燒結(jié)的微觀形貌。微觀結(jié)構(gòu)致密，能清晰看到基礎(chǔ)玻璃的顆粒邊界輪廓。顆粒邊界中分布著大量直徑小于200 μm的晶體，這表明該溫度下的析晶起源于顆粒的表面。同時可以看到，微晶玻璃主要是由少量的晶體和大量的玻璃基體組成。

燒結(jié)法制備微晶玻璃的過程中包含燒結(jié)和結(jié)晶兩個基本過程，部分文獻(xiàn)通過熱分析方法探討了玻璃軟化溫度、析晶溫度和燒結(jié)終止溫度等相關(guān)工藝制度[11-12]。該燒結(jié)溫度下結(jié)構(gòu)致密，表明燒結(jié)過程已經(jīng)完成，同時又有晶體析出，因此本論文就不再進(jìn)行熱分析數(shù)據(jù)方面的表征。磷灰石屬六角晶系，螺位錯生長方式生長可使FAP晶體呈現(xiàn)針狀形態(tài)[13]；另外，在此燒結(jié)過程中，燒結(jié)顆粒表面許多缺陷，如晶界的空位和鍵的位錯變形，為原子(離子)的快速擴(kuò)散提供了通道。所以晶體在顆粒的表面或界面上成核，然后垂直于表面或界面生長，這種表面析晶機(jī)制又進(jìn)一步強化了FAP晶體的針狀形態(tài)。

圖2 不同溫度下燒結(jié)的 FAP 微晶玻璃的SEM照片以及能譜分析 (a)900 ℃；(b)1000 ℃；(c)1100 ℃；(d)1150 ℃；(e)1100 ℃燒結(jié)EDS；(f)1150 ℃燒結(jié)EDS Fig.2 SEM images and EDS patterns of FAP crystals sintered at different temperature (a)900 ℃；(b)1000 ℃；(c)1100 ℃；(d)1150 ℃；(e)1100 ℃ EDS；(f)1150 ℃ EDS

圖2b顯示了當(dāng)燒結(jié)溫度升高到1000 ℃時，晶體呈現(xiàn)多邊形塊狀和針狀兩種形態(tài)。大多數(shù)針狀晶體垂直于晶粒表面，在顆粒內(nèi)部也觀察到類似的塊狀或針狀晶體。燒結(jié)溫度進(jìn)一步升高到1150 ℃(圖2d)時，多邊形FAP的數(shù)量明細(xì)增多，平均粒徑約2.5 μm，而且針狀形態(tài)的粒徑比1100 ℃燒結(jié)樣品的粒徑要小得多，形態(tài)趨于短棒狀，但該溫度下SEM照片內(nèi)顯示的晶體數(shù)量明顯少于1100 ℃(圖2c)。這與XRD衍射分析結(jié)果相互吻合。文獻(xiàn)[14]探討了氟磷灰石微晶玻璃的析晶機(jī)理，研究認(rèn)為，氟磷灰石在生長初期不呈針狀，而是在生長后期形成針狀結(jié)構(gòu)，晶體沿著c軸生長，與本文900 ℃和1000 ℃燒結(jié)樣品的晶相特征吻合。

燒結(jié)過程包括固相燒結(jié)和有液相參與的燒結(jié)。隨著燒結(jié)溫度的升高，針狀晶體逐漸減少，晶體長度變短(圖2d)，這可能是因為部分針狀FAP晶體已經(jīng)或正在溶解于玻璃相中。同時，從1000 ℃到1150 ℃的升溫過程中，隨著玻璃熔融液相增多。樣品冷卻至室溫后，多邊形和短棒狀FAP數(shù)量的增多，表明這些晶體是在燒結(jié)保溫和冷卻過程中從液相中析出。文獻(xiàn)[2]在其研究的配方中，在高加熱速率下得到了棒狀氟磷灰石晶體，本文則通過改變燒結(jié)溫度得到了棒狀形態(tài)的氟磷灰石微晶玻璃。

為了進(jìn)一步檢查樣品的結(jié)晶特性和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，將1100 ℃和1150 ℃燒結(jié)處理后的微晶玻璃用10vol%氫氟酸腐蝕2 min，加蒸餾水沖洗，再用超聲波清洗，然后用酒精清洗，最后自然干燥。將樣品噴碳，在FE-SEM (Nova Nano SEM 450)中進(jìn)行微觀組織觀察。圖3a和b顯示大量的短棒狀晶體，因此可以推斷，圖2d觀察到的多邊形態(tài)，是短棒狀晶體的橫斷面；大量短棒狀晶體的出現(xiàn)，是由于析晶機(jī)制從表面析晶變?yōu)椴Ａ垠w凝固析晶。多邊形晶體的中空部分，或許是由于凝固終止時，晶體生長不完整造成的，有關(guān)這方面的信息有待進(jìn)一步研究。

圖3 (a)1100 ℃和(b)1150 ℃熱處理氟磷灰石晶體的SEM照片 Fig.3 SEM images of fluorapatite crystals heat treated at 1100 ℃(a) and 1150 ℃(b)

3.3 生物相容性分析

體外生物相容性簡單地說就是材料在SBF中浸泡時形成磷灰石界面層的能力，該方法可用于動物試驗前骨生物相容性材料的篩選，可顯著減少動物數(shù)量和動物實驗時間，有助于高效開發(fā)新型生物活性材料[15]。當(dāng)生物活性物質(zhì)與人血漿保持接觸時，它們在玻璃表面形成反應(yīng)性的羥基磷灰石(HAP)層，在植入物和宿主組織[16]之間形成化學(xué)結(jié)合。大部分科學(xué)界已經(jīng)接受了在體外運用模擬體液(SBF)浸泡實驗驗證生物相容性的范例[17]。

因為1100 ℃燒結(jié)樣品的晶體形貌較好，所以選取1100 ℃燒結(jié)的樣品進(jìn)行體外模擬體液浸泡實驗。在模擬體液SBF中浸泡14 d后，圖4顯示樣品表面的SEM照片和EDS結(jié)果，微晶玻璃表面出現(xiàn)衍生物(圖4a)[18]。此外，EDS分析(圖4b)顯示了主要元素Ca、P和O的存在，Ca/P比值為1.65，與羥基磷灰石中Ca/P接近(Ca/P=1.67)。圖5為在SBF中浸泡14 d的FAP的FT-IR光譜。在961 cm-1、1037 cm-1和1094 cm-1處觀察到的吸收帶(圖4)為磷酸鹽的伸縮振動，在566 cm-1、604 cm-1處的吸收帶為磷酸鹽彎曲振動。3568 cm-1(-OH伸縮振動)和635 cm-1(-OH彎曲振動)的頻帶可歸因于OH基團(tuán)[19]，結(jié)合EDS結(jié)果(圖3b)，可以證明HAP的存在。文獻(xiàn)[20]也進(jìn)行了生物相容性分析，但僅僅解釋了磷酸鈣的出現(xiàn)；本論文進(jìn)行的紅外光譜中不僅出現(xiàn)了磷酸鈣，而且也出現(xiàn)了羥基，更科學(xué)地證明了表面羥基磷灰石的形成。

圖4 在模擬體液中浸泡后的SEM照片(a)以及EDS圖譜(b) Fig.4 SEM image(a) and EDS pattern(b) of FAP after SBF bioactivity test

3.4 顯微硬度分析

900 ℃、1000 ℃、1100 ℃、1150 ℃四個燒結(jié)處理后樣品的顯微硬度平均值分別為644、670、709、657 Hv0.1(圖6)，高于文獻(xiàn)[7]的硬度值。硬度值與微晶玻璃的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而基礎(chǔ)玻璃的結(jié)晶又主要依賴于其初始原料組成[5]。不同于文獻(xiàn)[7]的研究體系，本論文研究體系中還含有適量的MgO、BaO、ZnO、Al2O3等組分，是硬度升高的主要原因，其影響機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。

圖5 在SBF浸泡過的經(jīng)過1100℃熱處理的FAP紅外吸收光譜 Fig.5 FT-IR absorption spectrum of FAP glass-ceramics at 1100 ℃ after immersion in SBF

圖6 900～1150 ℃燒結(jié)樣品的顯微硬度 Fig.6 Microhardness of the sample sintered 900-1150 ℃

4 結(jié) 論

采用熔融-淬火-燒結(jié)法制備了氟磷灰石微晶玻璃。燒結(jié)溫度從900 ℃增加到1150 ℃，沒有引起晶體類型的變化，均含有單一的FAP晶相；顯微組織結(jié)構(gòu)致密，顯微硬度平均值為644～709 Hv0.1。在低的燒結(jié)溫度下，微晶玻璃結(jié)晶以表面析晶為主，晶體形態(tài)呈現(xiàn)針狀。隨著燒結(jié)溫度的升高，晶體析出機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ垠w凝固析晶，F(xiàn)AP的顯微結(jié)構(gòu)由針狀向短棒狀形態(tài)轉(zhuǎn)變，在FE-SEM中，部分晶體呈現(xiàn)多邊形的形態(tài)。

探究了1100 ℃燒結(jié)處理并在SBF中浸泡14 d后樣品的生物相容性，樣品的FT-IR光譜不僅包括磷酸鹽的條帶，還包括3568 cm-1(-OH伸縮振動)和635 cm-1(-OH彎曲振動)的OH基團(tuán)條帶，證明了羥基磷灰石晶體的存在。因此，F(xiàn)AP微晶玻璃是一種很有前途的生物醫(yī)用材料。