氟對(duì)缺鈣型羥基磷灰石合成及其熱穩(wěn)定性的影響

饒群力，范小蘭，顧 湘，黎玲玲

(1. 上海交通大學(xué) 分析測(cè)試中心， 上海 200240； 2. 上海工程技術(shù)大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心， 上海 201620)

磷灰石陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)與天然骨相似，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已有多種合成技術(shù)[1-3].羥基磷灰石(HA)化學(xué)式為Ca10(PO4)6(OH)2，鈣磷物質(zhì)的量之比n(Ca)/n(P)為1.67，一般人工合成法得到的產(chǎn)物即為此值，而人體骨磷灰石約為1.5.要獲得與天然骨更接近的化學(xué)成分，就要降低鈣的比例含量，形成缺鈣型羥基磷灰石(D-HA)[4-5].研究表明D-HA具有良好的生物相容性和生物活性[6-8]，可以作為一種理想的骨替代材料.

但是，與化學(xué)計(jì)量化合物HA相比，缺鈣型HA在熱穩(wěn)定性方面表現(xiàn)較差.內(nèi)部鈣缺失造成晶體缺陷，導(dǎo)致其穩(wěn)定性降低，在較低溫度下便會(huì)發(fā)生脫羥基反應(yīng).作為人工骨替代支架的先驅(qū)粉體材料，化學(xué)合成的缺鈣型HA通常要經(jīng)歷后續(xù)高溫處理，以便獲得較高強(qiáng)度的多孔支架.因此，如何提高缺鈣型HA的熱穩(wěn)定性值得進(jìn)一步研究.

研究發(fā)現(xiàn)氟能明顯提高HA熱穩(wěn)定性.Eslami等[9]將等量HA和氟化羥基磷灰石(FHA)在 1 300 ℃條件下保溫煅燒1 h，純HA已經(jīng)分解為β-磷酸鈣(β-TCP)，F(xiàn)HA則沒(méi)有分解，甚至在 1 400 ℃時(shí)也僅有少量磷酸四鈣出現(xiàn).然而，氟對(duì)缺鈣型羥基磷灰石制備有何影響，合成產(chǎn)物及其熱穩(wěn)定性如何，還需要深入研究.本文采用化學(xué)沉淀法，以氟化鉀為氟源，合成得到缺鈣型氟化羥基磷灰石(D-FHA)，并研究了FHA經(jīng)煅燒發(fā)生的相變過(guò)程及氟含量對(duì)相變產(chǎn)物的影響，探討其影響機(jī)理.

1 合成實(shí)驗(yàn)及表征方法

1.1 樣品合成

采用Ca(CH3COOH)2·H2O，KH2PO4以及KF·2H2O為原料，室溫下，pH=7，連續(xù)攪拌4 h以制備FHA粉體.6種樣品的具體原料用量(n)如表1所示，合成工藝具體步驟可參考文獻(xiàn)[10].

1.2 樣品煅燒

取等量樣品分別置于6個(gè)干凈的坩堝中，蓋上坩堝蓋，防止異物如灰塵、碳粉落入樣品中.坩堝放入熔融爐中，進(jìn)行煅燒.升溫速率以10 ℃/min從室溫加熱至設(shè)定的溫度，保溫2 h，煅燒結(jié)束后，樣品隨爐冷卻.設(shè)定保溫溫度分別為200，400，600，800，1 000 和 1 100 ℃.

1.3 測(cè)試與表征

利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP) (iCAP 6300，Thermo)測(cè)量合成樣品中Ca，P，K物質(zhì)的量.X射線(xiàn)熒光光譜儀(XRF) (XRF-1800，SHIMADZU) 基本參數(shù)法(FP)定量測(cè)定F含量，工作電壓為40 kV，電流為95 mA，每個(gè)樣品測(cè)4次，取平均值.利用X射線(xiàn)衍射儀(D8 Advance，Bruker，Germany)分析煅燒前后產(chǎn)物，掃描角度2θ范圍為10°～80°，掃描速率為4°/min，采用銅靶光源，工作電壓為40 kV，電流為40 mA.

2 合成產(chǎn)物相組成

圖1列出6種合成樣品的X射線(xiàn)衍射(XRD)圖譜，其中樣品00F和02F分別不加氟和加少量氟.可以看出：樣品00F的衍射譜中，主要成分為二水合磷酸氫鈣(DCPD)的衍射峰，幾乎沒(méi)有對(duì)應(yīng)HA的衍射峰；樣品02F衍射譜中，DCPD衍射峰強(qiáng)度減小，而對(duì)應(yīng)HA的衍射峰強(qiáng)度增大.從樣品04F～10F的衍射譜可以看到，合成產(chǎn)物在成分上發(fā)生了根本的變化，DCPD衍射峰消失，只剩下FHA衍射峰.

從XRD結(jié)果來(lái)看， 樣品02F與00F相比，DCPD數(shù)量在減少，對(duì)于04F及氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高的樣品，其產(chǎn)物中DCPD完全消失.由此可見(jiàn)，氟促使DCPD向FHA轉(zhuǎn)化.氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到04F標(biāo)準(zhǔn)后，如果進(jìn)一步增加，則衍射峰峰形變窄，強(qiáng)度增大，說(shuō)明氟有促進(jìn)FHA晶體完整性提高的趨勢(shì).

在無(wú)氟和低氟條件下，產(chǎn)物中出現(xiàn)DCPD而非全部是HA或FHA，可能與制備過(guò)程中采用KOH作pH調(diào)節(jié)劑有關(guān).KOH為強(qiáng)電解質(zhì)，加入反應(yīng)液后全部電離出OH-，OH-很快與H+結(jié)合，參與合成HA的機(jī)會(huì)大為減少；添加F后，隨著加入量的提高，F(xiàn)-優(yōu)先于OH-與H+結(jié)合，從而有更多的OH-可以參與合成HA的反應(yīng).

表2 合成樣品的主要元素含量Tab.2 Contents of main elements in synthetic samples

表2為合成樣品中主要元素的含量，w為質(zhì)量分?jǐn)?shù).可見(jiàn)樣品中w(F)隨著反應(yīng)物中氟添加的增多而逐漸增加，但樣品04F～10F實(shí)際氟結(jié)合量并未達(dá)到反應(yīng)加入的氟化劑理應(yīng)得到的結(jié)合程度，這表明并非所有加入的氟都參與了替代羥基和結(jié)合磷灰石的反應(yīng).究其原因：部分F-和H+結(jié)合,促進(jìn)DCPD向FHA轉(zhuǎn)化，同時(shí)消耗了氟，使其參與結(jié)合HA的反應(yīng)概率降低.從表中可知，全部形成FHA后，n(Ca)/n(P)從樣品04F 的1.32增加到樣品10F的1.52，但均小于計(jì)量比羥基磷灰石中的比值1.67.另外，所有的合成樣品中鉀含量很低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08%～0.13%，基本保持恒定，表明鉀離子對(duì)6個(gè)樣品反應(yīng)的作用比較小，并未隨F的加入及多少而改變.

根據(jù)上述分析，在不添加氟的條件下，生成DCPD的化學(xué)反應(yīng)式為

Ca(CH3COOH)2·H2O+KH2PO4+KOH→

CaHPO4·2H2O+2K(CH3COOH)

(1)

對(duì)于樣品04F～10F，XRD圖譜顯示產(chǎn)物中FHA與空間群P63/m的HA有相似的密排六方晶體結(jié)構(gòu)，沒(méi)有出現(xiàn)CaO峰；而元素分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中n(Ca)/n(P)較低，說(shuō)明合成產(chǎn)物FHA屬于缺鈣型FHA.其中，F(xiàn)-取代部分OH-，產(chǎn)物化學(xué)式為Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x-yFy(0≤x<1，0≤y<2)，這與文獻(xiàn)[5]中給出的D-FHA化學(xué)式Ca9-x(HPO4)1+2x(PO4)5-2x(OH)1-yFy較為相似.生成化學(xué)反應(yīng)式為

6CaHPO4·2H2O+

(4-x)Ca(CH3COOH)2·H2O+

(8-y-2x)KOH+yKF·2H2O →

2(4-x)K(CH3COOH)+

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x-yFy+

2(11-x+y)H2O

(2)

由式(2)可見(jiàn)，DCPD和原料中的醋酸鈣都參與了反應(yīng)，其中DCPD占據(jù)主要比例.

3 樣品煅燒產(chǎn)物分析

將6種樣品分別在200，400，600，800，1 000，1 100 ℃條件下煅燒，通過(guò)XRD圖譜分析，得到不同氟含量和不同溫度下煅燒產(chǎn)物的相組成，如圖2所示.圖2(a)為樣品00F，02F和04F在200 ℃加熱條件下的相組成，與圖1(a)相比較，02F和00F中DCPD消失，出現(xiàn)磷酸氫鈣(DCPA)，表明200 ℃加熱條件下主要發(fā)生脫水反應(yīng)，DCPD轉(zhuǎn)變?yōu)镈CPA；同時(shí)，02F中D-FHA峰比未加熱處理前增高，雖然DCPD也轉(zhuǎn)化成DCPA，但DCPA峰比00F弱很多，表明氟促進(jìn)了DCPA向D-FHA的轉(zhuǎn)化.04F中除D-FHA外，沒(méi)有其他相存在，表明D-FHA在200℃加熱沒(méi)有明顯變化.

圖2(b)為6種樣品400 ℃加熱處理后的XRD圖譜.對(duì)比02FHA和00FHA，圖譜中可見(jiàn)DCPA消失，D-FHA峰減弱，但出現(xiàn)了焦磷酸鈣(Ca2P2O7)和極微量的磷酸鈣(β-Ca3(PO4)2).在600 ℃煅燒后，如圖2(c)所示，00F譜圖中Ca2P2O7和β-TCP峰增強(qiáng)，04F產(chǎn)物中也出現(xiàn)了少量Ca2P2O7和β-TCP.在800 ℃煅燒后，如圖2(d)所示，00F中D-FHA消失，β-Ca2P2O7繼續(xù)增多，06F產(chǎn)物中也出現(xiàn)Ca2P2O7和β-TCP.在1 000 ℃煅燒后，如圖2(e)所示，08F中也出現(xiàn)了Ca2P2O7和β-TCP 這兩種煅燒產(chǎn)物，可見(jiàn)高氟含量樣品逐漸表現(xiàn)出不穩(wěn)定性.1 100 ℃時(shí)，00F產(chǎn)物中Ca2P2O7消失，只剩β-TCP；10F產(chǎn)物也出現(xiàn)β-TCP，但未見(jiàn)Ca2P2O7，表明該溫度下分解反應(yīng)不再經(jīng)歷先轉(zhuǎn)變?yōu)镃a2P2O7這一過(guò)程.

另外，對(duì)比10F中FHA的峰形變化(圖2(b)～2(f))，發(fā)現(xiàn)隨著煅燒溫度提高，(021)晶面的峰形變窄，半高寬減小，表明隨著溫度升高，F(xiàn)HA晶粒長(zhǎng)大，結(jié)晶性提高.

3.1 熱分解相變機(jī)制

圖3為04F和10F合成態(tài)樣品在未經(jīng)加熱時(shí)的微觀(guān)形貌，通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)觀(guān)察和分析，可見(jiàn)兩者都以針狀形態(tài)為主，區(qū)別在于10F晶粒尺寸較大，針狀形態(tài)更均勻.

圖4為10F樣品經(jīng)1 100 ℃煅燒后的形貌.與煅燒前相比，加熱中晶粒長(zhǎng)大合并而造成晶粒邊界模糊.

圖2 合成樣品煅燒產(chǎn)物的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of calcined products of samples

圖3 04F和10F合成態(tài)樣品形貌Fig.3 Morphology of Sample 04F and10F as received

圖4 10F樣品1 100 ℃煅燒后的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of Sample 10F under 1 100 ℃ sintering condition

表3 不同溫度下煅燒產(chǎn)物的相組成Tab.3 Different phases obtained by calcining at different temperatures

Ca10-z(HPO4)2z(PO4)6-2z(OH)2→

Ca10-z(P2O7)z-s(PO4)6-2z+2s(OH)2(1-s)+

(z+s)H2O→(1-z)Ca10(PO4)6(OH)2+

Ca3(PO4)2+(z-s)H2O

(3)

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x-yFy

在相變過(guò)程中同時(shí)分解形成2種主要產(chǎn)物β-Ca2P2O7和β-TCP.反應(yīng)式如下：

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x-yFy→

(4-x-y/2)β-Ca3(PO4)2+y/2CaF2+

(x+y/2-1)β-Ca2P2O7+(2-y)/2H2O

(4)

而Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x-yFy轉(zhuǎn)變成為β-Ca2P2O7和β-TCP的相變機(jī)理分別如下：

(5)

(6)

3.2 氟對(duì)熱穩(wěn)定性的影響

表3結(jié)果的進(jìn)一步分析顯示：在600 ℃條件下，00F～04F中的FHA開(kāi)始分解；800 ℃時(shí)，06F中FHA開(kāi)始分解；1 000 ℃時(shí)，08F中FHA開(kāi)始分解；1 100 ℃時(shí)，10F中FHA開(kāi)始分解.可見(jiàn)隨著氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，F(xiàn)HA相變溫度隨之升高.其原因在于：① 從D-FHA的表達(dá)式

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)1-x-yFy

圖5 不同氟加入量在各煅燒溫度下產(chǎn)物中的相組成Fig.5 Phase components in calcined products at different fluorine contents and Calcination temperatures

為了更清晰地表現(xiàn)氟對(duì)合成產(chǎn)物熱穩(wěn)定性的影響，將氟加入量n(F)、煅燒溫度T與產(chǎn)物的相組成繪制于圖5中，說(shuō)明三者之間的關(guān)系，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，模擬出不同相區(qū)的分界線(xiàn).整個(gè)圖大致包含2個(gè)單相區(qū)(b和e區(qū))，3個(gè)兩相區(qū)(a，d和f區(qū))，1個(gè)三相區(qū)(c區(qū)).由圖可見(jiàn)：煅燒產(chǎn)物相組成及其含量是由溫度和氟含量?jī)蓚€(gè)因素共同決定的.氟含量低于3.2 mmol且溫度低于600 ℃時(shí)，首先出現(xiàn)兩相為D-FHA+DCPD；溫度升高，DCPD轉(zhuǎn)變?yōu)镈CPA，形成新的兩相為D-FHA+DCPA；繼續(xù)升溫，DCPA完全轉(zhuǎn)變?yōu)榻沽姿徕}，出現(xiàn)D-FHA與Ca2P2O7兩相共存于a區(qū).氟含量高于3.2 mmol且溫度較低時(shí)，只有單相D-FHA(b區(qū));氟含量介于0～8.0 mmol且溫度高于400 ℃，形成D-FHA+β-Ca2P2O7+β-TCP三相(c區(qū))；氟含量介于0～3.2 mmol且溫度為800～1 100 ℃時(shí)，形成梯形兩相區(qū)β-Ca2P2O7+β-TCP (d區(qū))；氟含量低于1.6 mmol且溫度超過(guò) 1 000 ℃，產(chǎn)物只出現(xiàn)單相β-TCP(e區(qū))；氟含量大于6.4 mmol且煅燒溫度高于 1 000 ℃，D-FHA只發(fā)生部分分解，形成D-FHA+β-TCP兩相區(qū)(f區(qū)).

3 結(jié)論

本文在氟的加入量不同而其他制備條件相同的情況下，化學(xué)合成氟化D-FHA，并將合成產(chǎn)物在不同溫度下煅燒，通過(guò)分析討論得到以下結(jié)論.

(1) 反應(yīng)物中氟含量較低時(shí)，合成產(chǎn)物主要是DCPD；隨著氟含量增加，DCPD轉(zhuǎn)變?yōu)镈-FHA，其化學(xué)式為Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)1-x-yFy.DCPD轉(zhuǎn)變?yōu)镈-FHA的合成反應(yīng)式為

6CaHPO4·2H2O+

(4-x)Ca(CH3COOH)2·H2O+

(8-y-2x)KOH+yKF·2H2O→

2(4-x)K(CH3COOH)+

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x-yFy+

2(11-x+y)H2O

(2) 煅燒過(guò)程中隨溫度升高，DCPD的相變過(guò)程為：DCPD失去結(jié)晶水轉(zhuǎn)變?yōu)镈CPA；DCPA脫水轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Ca2P2O7；最后，β-Ca2P2O7中的P—O—P鍵斷裂，形成β-TCP.

(3) D-FHA煅燒過(guò)程中發(fā)生分解轉(zhuǎn)變，同時(shí)得到β-Ca2P2O7和β-TCP，分解反應(yīng)為

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x-yFy→

(4-x-y/2)β-Ca3(PO4)2+y/2CaF2+

(x+y/2-1)β-Ca2P2O7+(2-y)/2H2O

溫度越高，D-FHA的分解比例越大.

(4) 可以通過(guò)提高氟化HA中氟含量，推遲D-FHA的分解溫度，提高其穩(wěn)定性；通過(guò)控制煅燒溫度，可以獲得不同成分的骨替代材料.

致謝感謝上海交通大學(xué)鞏夢(mèng)安和郭曉亮碩士對(duì)本文實(shí)驗(yàn)和分析工作的貢獻(xiàn)！