天然表面活性劑輔助制備羥基磷灰石材料研究*

谷婉婷，董雨萱，劉 彤，韓 冰，詹舒輝，蔣建新，韓春蕊，2，宋 杰

(1. 北京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，林業(yè)生物質(zhì)材料與能源教育部工程研究中心，北京 100083；2. 江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210042；3. 美國(guó)密西根大學(xué)(弗林特) 生物與化學(xué)系，美國(guó) 密西根州48502)

0 引 言

羥基磷灰石(HAP)是脊椎動(dòng)物骨質(zhì)的主要成分，具有良好的生物相容性并與骨組織形成牢固的骨性結(jié)合等特點(diǎn)，被認(rèn)為性能良好的骨修復(fù)替代材料[1]。HAP由于其穩(wěn)定性和較好的生物相容性，成為了藥物遞送材料的研究熱點(diǎn)[2]。目前合成HAP材料的方法有水熱法[3]、沉淀法[4]、溶液凝膠法[5]，模板法[6]等。其中模板法制備HAP在結(jié)晶性能、粒徑尺寸、比表面積等的控制表現(xiàn)出突出的優(yōu)越性。Wan等[7]用十二烷基硫酸鈉(SDS)陰離子表面活性劑作為模板，層狀雙金屬氫氧化物(LDH)作為新型基因載體，合成了層狀羥基磷灰石納米板，將其用作DNA的裝載材料。Wu等[8]以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的膠束作為晶體生長(zhǎng)的成核中心，利用低溫共沉淀法，洗滌除去表面活性劑模板，成功合成了介孔羥基磷灰石納米粒子。以上所用模板均為具有一定柔性結(jié)構(gòu)的石油基表面活性劑，為開(kāi)發(fā)更環(huán)保天然和生物相容性好的表面活性劑用于HAP制備，本課題組采用自制生物質(zhì)松香基磷酸酯陰離子剛性表面活性劑，得到多層組裝結(jié)構(gòu)的形貌均勻的羥基磷灰石材料，研究發(fā)現(xiàn)松香陰離子表面活性劑在材料制備中起到模板和離子吸附作用，影響材料形貌[9-10]。但松香磷酸酯合成過(guò)程復(fù)雜，副產(chǎn)物多，產(chǎn)物純化具有一定困難，對(duì)HAP合成具有一定影響。前期研究發(fā)現(xiàn)，天然萜類(lèi)表面活性劑無(wú)患子皂苷可作為模板，用于合成無(wú)機(jī)材料。詹等[11]將無(wú)患子皂苷與十二烷基苯磺酸鈉復(fù)配，并將其作為模板制備得到形貌均勻的氫氧化鎳材料。無(wú)患子皂苷不僅具有松香的萜類(lèi)剛性結(jié)構(gòu)，且提取方便，克服了松香衍生物合成困難的問(wèn)題。本文采用無(wú)患子皂苷輔助制備HAP材料，以期獲得天然表面活性劑制備HAP的優(yōu)良方法，同時(shí)結(jié)合量子化學(xué)，深入探討表面活性劑法制備無(wú)機(jī)材料的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

四水合硝酸鈣；磷酸二氫銨；乙醇；(除無(wú)患子皂素外其余均為分析純)。GS-L型反應(yīng)釜(威海嘉毅化工機(jī)械有限公司)；Hitachi S4800N II掃描電子顯微鏡； X射線(xiàn)衍射儀(德國(guó)布魯克)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 無(wú)患子皂苷的提取

無(wú)患子皂苷的提取方法參照文獻(xiàn)[12]。

1.2.2 HAP材料的合成

根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)探索，在180 ℃條件下制備HAP雜化材料形貌相對(duì)較好，且無(wú)患子皂苷的臨界膠束濃度(CMC)為0.2 g/L[11]。因此本研究直接在180 ℃時(shí)探討酸堿條件下不同濃度的影響。配制0.087 mol/L的四水合硝酸鈣溶液、0.052 mol/L的磷酸二氫銨溶液、無(wú)患子皂苷的乙醇溶液0.5 g/L(2.5CMC)、1.0 g/L(5CMC)、2.0 g/L(10CMC)調(diào)節(jié)材料形貌，用氫氧化鈉調(diào)節(jié)體系pH。實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

1.2.3 HAP材料的表征

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM， JSM-7001F，日本)觀(guān)察合成樣品的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和形貌。

X射線(xiàn)衍射儀(XRD)用于樣品的晶相分析。在XRD進(jìn)行分析(Bruker D8 ADVANCE，德國(guó))的衍射光譜記錄從15到70°；采用CuKa(波長(zhǎng)0.154056 nm，40 mA，40 kV)速率為0.05°/s。

1.2.4 量子化學(xué)計(jì)算

利用Gaussian，在HF/6-31G(d)水平下，進(jìn)行無(wú)患子皂苷量子化學(xué)計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM表征

2.1.1 酸性條件下無(wú)患子皂苷輔助制備HAP

樣品1～8所得HAP材料的掃描電鏡照片分別如圖1中a～h。其中，酸性條件下，以無(wú)患子皂苷輔助制備得到的HAP材料掃描電鏡圖分別對(duì)應(yīng)圖1(c)、e、g。從圖1 c中可以看出，在酸性條件下，加入少量無(wú)患子皂苷所制備的材料與不加時(shí)(圖1a)相比平均長(zhǎng)度變短。從局部放大圖中可以看出，樣品為長(zhǎng)度、寬度不均勻的六棱柱狀；當(dāng)無(wú)患子皂苷濃度進(jìn)一步增大到1g/L時(shí)，如圖1 e所示，材料的大小逐漸變均勻，并有形成組裝結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)，棒狀材料的長(zhǎng)度在30-40 μm，寬度在1μm左右；當(dāng)體系中無(wú)患子皂苷濃度增加到2 g/L時(shí)，如圖1 g所示，材料有一部分形成了由棒狀單體組裝成的蒲公英狀聚集體，蒲公英的直徑在10 μm左右，組裝體棒的長(zhǎng)度在5 μm左右。從圖1 c、e、g中材料的變化趨勢(shì)可以看出，隨著無(wú)患子皂苷濃度的增加，材料形貌呈均一化，聚集化的趨勢(shì)改變。說(shuō)明無(wú)患子皂苷能限制晶體在某個(gè)方向上的生長(zhǎng)，從而使得材料形貌變得均一化。樣品3、5和7所用皂苷濃度分別為2.5CMC、5CMC、10CMC，皂苷在體系中聚集形成有序的膠束微結(jié)構(gòu)，使反應(yīng)在一定的空間內(nèi)進(jìn)行[13]，進(jìn)而起到模板的作用，濃度越高，組裝形貌越明顯[14]。另外，與課題組以松香磷酸酯合成的HAP材料相比[9]，所得蒲公英形貌規(guī)則性稍差，主要是由于松香磷酸酯制備HAP，其即作為表面活性劑，又作為磷源，松香磷酸酯水解過(guò)程原位生成HAP，HAP形成速度慢，材料可控性強(qiáng)[15]。

2.1.2 堿性條件下無(wú)患子皂苷輔助制備HAP

圖1 羥基磷灰石材料掃描電鏡圖Fig 1 SEM images of HAP

2.2 XRD表征

圖2為所得HAP材料XRD衍射譜圖，其中a～d分別為樣品1、2、7和8的XRD衍射譜圖。試樣在25 °、 29 °、32 °、33 °、34 °、39 °、46 °、47 °、49 °和53 °處出現(xiàn)特征峰，與標(biāo)準(zhǔn)卡JCPDS Card No. 73-0293 和標(biāo)準(zhǔn)卡JCPDS Card No. 09-432(002)、(210)、(211)、(112)、(300)、(202)、(212)、(401)、(213)和(004)面對(duì)應(yīng)，可以確定所得試樣屬于六角棒狀結(jié)構(gòu)[17]。對(duì)比a和b 衍射峰發(fā)現(xiàn)，酸性條件下(002)、(112)和(202)面的衍射明顯不如堿性條件，即酸性條件下，此3個(gè)晶體面生長(zhǎng)較弱，說(shuō)明酸性條件為長(zhǎng)棒狀結(jié)構(gòu)，而堿性條件趨于形成顆粒，與SEM電鏡結(jié)果相符。對(duì)比圖2 c和d也有類(lèi)似的規(guī)律，不同的是，c的(002)面衍射峰明顯增強(qiáng)，可能是在此條件下以無(wú)患子皂苷為模板形成的簇狀形貌影響了晶面的變化。樣品7在小于10°出現(xiàn)的明顯峰，可能是HAP在生成過(guò)程中，由于靜電、吸附等作用引入了表面活性劑無(wú)患子皂苷有機(jī)結(jié)構(gòu)[9]。

圖2 羥基磷灰石材料XRD圖(a、b、c和d分別為樣品1、2、7和8)Fig 2 XRD of HAP (a, b, c and d were samples of 1, 2, 7 and 8)

2.3 無(wú)患子皂苷量子化學(xué)分析

為考察無(wú)患子皂苷在HAP合成過(guò)程中的作用，對(duì)無(wú)患子皂苷化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行量子化學(xué)運(yùn)算和分析。圖3Ⅰ為無(wú)患子皂苷化學(xué)結(jié)構(gòu)式，無(wú)患子皂苷不僅含有多個(gè)六元環(huán)剛性骨架親油結(jié)構(gòu)，還含有羥基、糖苷等親水基團(tuán)。由于取代基羥基和多糖骨架上取代甲基上氫位置不同，化合物存在如圖3Ⅱa-e所示空間構(gòu)型異構(gòu)體。圖中紅色、灰色和白色分別代表O、C和H原子。進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其中圖3Ⅱa結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)化合物能量最高，為-1 571 707.720 kcal/mol，是由于多糖基與4號(hào)位的羥基距離較近，存在較大的空間位阻；而Ⅱb、Ⅱc、Ⅱd結(jié)構(gòu)中，通過(guò)多糖基和羥基取代位置的變化，逐漸消除了空間位阻的影響，因此能量逐漸減?。黄渲孝騟的能量最小，為-1 571 718.607 kcal/mol，表明圖3Ⅱe對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，為無(wú)患子皂苷分子最優(yōu)存在結(jié)構(gòu)。

圖3 無(wú)患子皂苷(Ⅰ)結(jié)構(gòu)式；(Ⅱa-e)不同分子構(gòu)型Fig 3 The molecular configuration of sapogenin compounds: (Ⅰ) structural formula; (Ⅱa-e) spatial configuration

在HAP材料形成過(guò)程中，皂苷的影響主要表現(xiàn)為模板和吸附作用，為探究無(wú)患子皂苷在合成HAP過(guò)程中的靜電吸附機(jī)理，選取圖3Ⅱe對(duì)應(yīng)無(wú)患子最優(yōu)構(gòu)型進(jìn)行靜電勢(shì)能運(yùn)算，得到無(wú)患子皂苷靜電勢(shì)圖如圖4所示。圖中外環(huán)境顏色越深代表電荷越集中，從圖中可以看出，皂苷分子的負(fù)電荷主要分布在兩部分，一部分為左側(cè)多糖中羥基，另一部分為右側(cè)酯鍵位置，相比，右側(cè)具有更多負(fù)電中心聚集，其對(duì)HAP合成過(guò)程中鈣離子具有較大吸附作用。

圖4 無(wú)患子皂苷的靜電勢(shì)圖Fig 4 Electrostatic potential diagrams of sapogenin

2.4 形成機(jī)理分析

圖5 羥基磷灰石材料形成機(jī)理Fig 5 The formation mechanism of HAP

3 結(jié) 論

(1)以Ca(NO3)2為鈣源，以NH4H2PO4為磷源，無(wú)患子皂苷作為輔助劑，制備得到蒲公英和納米顆粒HAP材料。通過(guò)對(duì)無(wú)患子皂苷結(jié)構(gòu)進(jìn)行量子化學(xué)優(yōu)化和靜電勢(shì)能研究分析，依靠多糖親水端的負(fù)電中心電荷作用，可將Ca2+吸附在膠束聚集體表面，從而控制了復(fù)合材料的形貌。

(2)加入無(wú)患子皂苷后，在酸性條件下，皂苷可作為模板使棒狀結(jié)構(gòu)變短，濃度達(dá)到一定程度，部分六角棒狀結(jié)構(gòu)組合形成蒲公英狀，表明材料中可能含有無(wú)患子皂苷有機(jī)結(jié)構(gòu)。堿性條件下形成的HAP樣品為顆粒狀，無(wú)患子皂苷表面活性劑起到修飾作用，使顆粒均勻。

無(wú)患子皂苷在HAP的引入，可大幅提高材料載藥等性能。無(wú)患子皂苷輔助制備HAP材料，具有原料制備更簡(jiǎn)單，提純純度高優(yōu)點(diǎn)，所得材料分散性好，是一種簡(jiǎn)便優(yōu)良制備HAP的方法，所得到的HAP材料在載藥等性能可能具有優(yōu)異潛在應(yīng)用價(jià)值。