貽貝殼在不同方法下合成羥基磷灰石多孔微球的性能研究

李超群 ,顧忠旗 ,黃 繼 ,石 娟 ,周麗萍 ,王 晴 ,婁永江*

（1.寧波大學(xué) 食品與藥學(xué)學(xué)院,浙江 寧波 315832;2.嵊泗縣海洋科技研究所,浙江 舟山 202450）

羥基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)是自然界中天然存在的礦物質(zhì),廣泛存在于脊椎動(dòng)物的牙齒和骨骼中[1-2].作為一種典型的生物材料,其具有良好的生物相容性、生物活性和離子交換性[3].目前HA 主要應(yīng)用于藥物控釋[4]、基因傳遞[5-6]、組織工程[7]、骨組織修復(fù)[8]以及其他生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1].張?jiān)碌萚9]闡述了納米HA 在口腔骨缺損中的臨床應(yīng)用.Tank 等[10]成功地用鈷摻雜的納米HA 進(jìn)行抗菌和溶血研究.同時(shí),HA 具有很強(qiáng)的吸附作用,可以用來吸附重金屬和其他污染物,也可以用來制備復(fù)合物、殺菌劑和催化劑等[3,11-16].Singh 等[17]研究了鈣磷鹽在微波和水熱及有無表面活性劑條件下合成HA 納米棒.Aggarwal 等[18]以鈣磷鹽為原料,用水熱法合成HA 介孔顆粒.HA 具有介孔特性,使其具備較強(qiáng)的吸附和載體作用,因此更具有合成HA 類復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì).傳統(tǒng)制備HA 采用硝酸鈣和無機(jī)磷酸鹽合成.但是近年來無機(jī)鈣鹽和磷酸鹽的礦物原料受限,而以貝殼為原料制備納米帶狀HA、多孔HA 具備低成本、低污染以及富含微量元素等優(yōu)勢(shì)[19].且有研究表明[20-21],生物來源的HA 相較于化學(xué)合成的HA 具有更佳的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和相互交通.

近幾年來,貝類加工的副產(chǎn)物產(chǎn)生的廢棄貝殼每年多達(dá)數(shù)10 萬t[3],除以貝殼為原料制備成各種食藥級(jí)鈣劑外,利用貝殼制備HA 鮮有報(bào)道[22].利用廢棄貝殼開發(fā)生物材料可以解決資源缺乏問題,提高副產(chǎn)物的附加值,經(jīng)濟(jì)效益巨大[20].此外,球形多孔HA 相比于其他形狀,具有比表面積大、更多的藥物和金屬負(fù)載量、良好的力學(xué)性能和流變性能,更有利于合成具有特殊功能的材料[23].但是對(duì)于植物來源或者蛋殼類,因其主要成分為CaCO3,因而大多采用高溫分解CaCO3后與磷酸鹽前驅(qū)體反應(yīng)制備HA,這種方法存在產(chǎn)物的形狀和尺寸難以控制的問題[21].

本文選用舟山嵊泗的貽貝殼作為CaCO3原料,采用水熱法、沉淀法、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)模板劑法以及反相微乳液法制備HA,并對(duì)合成的HA 進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征,開展了貝殼合成球形、多孔HA 的技術(shù)研究,且選用銀離子驗(yàn)證貽貝殼HA 的吸附作用.研究表明:該方案可行,并有助于解決廢棄貝殼環(huán)境污染問題;同時(shí),對(duì)實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)生產(chǎn)HA 上具有減少成本、提高HA 藥物和重金屬吸附量以及合成功能性材料等作用.

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

HNO3、HCl、NaOH、Na2CO3為分析純,購于阿拉丁試劑有限公司;貽貝殼取自舟山市嵊泗枸杞貽貝養(yǎng)殖區(qū);(NH4)2HPO4、NH4H2PO4為分析純,購于上海麥克林生化科技有限公司;Na2HPO4?12H2O、無水乙醇、曲拉通X-100(Triton X-100)、吐溫80(Tween 80)為分析純,購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為分析純,購于北京索萊寶科技有限公司.

JE-OLJSM6700 型X 射線能譜(EDS)和掃描電子顯微鏡(SEM),產(chǎn)自日本電子株式會(huì)社;D8 Advance 型X 射線粉末衍射儀(XRD),產(chǎn)自德國布魯克公司;Nicolet 6700 智能型傅里葉紅外光譜(FTIR),產(chǎn)自美國賽默飛世爾;ASAP20202 HD88全自動(dòng)比表面積及微孔孔隙分析儀(BET),產(chǎn)自美國麥克儀器公司;SPECTRO ARCOS 電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES),產(chǎn)自德國斯派克分析儀器公司.

1.2 方法

1.2.1 碳酸鈣的制備

貝殼洗滌烘干后,取25 g 研磨過30 目的貝殼粉,加入500 mL 1 mol?L-1的HCl 溶液,反應(yīng)48 h,將得到的濾液用1 mol?L-1的NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH 至7,定容至1 000 mL 容量瓶中;取100 mL 該溶液,快速倒入100 mL 0.25 mol?L-1的Na2CO3溶液中,攪拌2 h,分別用無水乙醇和純水洗滌、過濾,烘干制得貝殼CaCO3.然后用EDS 進(jìn)行元素分析.

1.2.2 多孔HA 的制備

(1)水熱法(樣品a):取2.50 g CaCO3、0.86 g(NH4)2HPO4和0.99 g NH4H2PO4(鈣磷摩爾比1.67),放入聚四氟乙烯內(nèi)襯中,加30 mL 純水,調(diào)pH 至10,密封后置140 ℃干燥箱控溫24 h,反應(yīng)結(jié)束可見上層液體澄清透明,離心得沉淀物分別用乙醇和純水各洗滌3 次,約60 ℃干燥制得樣品[16].

(2)沉淀法(樣品b):在30 mL 純水中加入1 g CaCO3、2 g Na2HPO4·12H2O,磁力攪拌直到產(chǎn)生白色懸濁混合溶液,調(diào)pH 至11,超聲30 min,密封后在50 ℃下反應(yīng)80 h,離心得沉淀物,分別用乙醇和純水各洗滌3 次,約60 ℃干燥制得樣品.

(3)CTAB 模板劑法(樣品c):取CTAB 0.25 g,加入20 mL 純水?dāng)嚢柚寥芤撼吻?加入Na2HPO4?12H2O 0.79 g,攪拌30 min 至溶液澄清,調(diào)pH 至10,標(biāo)記為溶液1.將2.36 g CaCO3溶于10 mL 水,調(diào)pH 至11,標(biāo)記為溶液2.將溶液2 滴加到溶液1中,攪拌24 h,離心得沉淀物分別用乙醇和純水各洗滌3 次,約60 ℃干燥6 h,接著550 ℃煅燒6 h 制得樣品.

(4)反相微乳液法(樣品d):以鈣磷質(zhì)量比為5:3配置CaCO3溶液和Na2HPO4?12H2O溶液.將Triton X-100 和Tween 80 溶于環(huán)己烷中,加入體積比為5:4 的正己醇和正丁醇,然后滴加CaCO3懸濁液,攪拌中加入等體積數(shù)Na2HPO4?12H2O 溶液,調(diào)pH至11,攪拌10 min,密封沉淀24 h,無水乙醇破乳,離心得沉淀物分別用乙醇和純水各洗滌3 次,約80 ℃干燥6 h,接著550 ℃煅燒6 h 制得樣品.

1.3 吸附銀離子實(shí)驗(yàn)

4 種樣品分別取4 g 加入100 mL 水,超聲震散,再加入100 mL 2 g?L-1硝酸銀,常溫反應(yīng)7 h,過濾,去離子水洗滌,60 ℃烘干,研磨過300 目篩,得到納米級(jí)載銀羥基磷灰石(AgHAp).ICP-OES 表征測(cè)試4 種產(chǎn)物中銀離子的吸附含量.

1.4 表征方法

SEM 和EDS:粉末樣品涂在樣品臺(tái)上,噴金后分析.

XRD:標(biāo)識(shí)X 射線、Cu Kα 輻射,波長0.154 06 nm,電壓40 kV,電流40 mA,掃描范圍5°～90°,每步掃描時(shí)間0.2 s,溫度20 ℃,相對(duì)濕度50%.

FTIR:KBr 壓片,掃描范圍400～4 000 cm-1,掃描次數(shù)32 次?min-1.

BET:樣品預(yù)熱至100 ℃后,置入氮?dú)鈿夥罩?2 h,BET 比表面積在相對(duì)壓力0.05～0.20 之間計(jì)算,樣品介孔分布由等溫曲線脫附分支運(yùn)用孔徑分布測(cè)試(BJH)方法計(jì)算,總孔容在相對(duì)壓力為0.974時(shí)得到.

ICP-OES:將制得的樣品各取0.5 g,根據(jù)國標(biāo)法溶解于100 mL 硝酸(V硝酸:V水=5:95)中,溶解后取1 mL 定容至250 mL,之后利用ICP-OES 測(cè)試溶液中元素的濃度[19].

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 9.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理.

2 結(jié)果與討論

2.1 碳酸鈣的EDS 表征

圖 1 為貝殼碳酸鈣的EDS 圖像,從圖1 可知,貽貝殼制備的CaCO3為方解石型,形狀為球形和少量立方體型,主要組成元素為O、C 和Ca,含有微量的Na.采用舟山貽貝碳酸鈣水熱法制備HA,反應(yīng)結(jié)束后上層溶液澄清透明.王潤南等[16]選擇連云港海灘的貝殼粉采用水熱法制備HA,反應(yīng)后上層溶液為淺黃色,表明貽貝碳酸鈣中含有微量或沒有有機(jī)質(zhì),純度較好.

2.2 4 種方法制得產(chǎn)物的表征

2.2.1 SEM 表征觀察形貌

圖 2 為不同方法制得的HA 樣品的SEM 圖譜,其中水熱法制得HA 為球狀.4 種樣品表面富集針狀納米粒子,詳見表1.

圖2 4 種方法制得樣品的SEM 圖譜

表1 4 種樣品SEM 表征結(jié)果

2.2.2 XRD 表征分析產(chǎn)物結(jié)構(gòu)

圖 3 為4 種方法制得的樣品的XRD 圖譜.從圖3 可知,樣品a 有明顯的HA 特征峰且無雜峰,表明貝殼CaCO3已經(jīng)轉(zhuǎn)化為HA;此外,HA 特征峰強(qiáng)度大、峰線窄且非常尖銳,說明產(chǎn)物具有良好的結(jié)晶度[3],這與文獻(xiàn)[24]得到的結(jié)果相似.樣品b 同樣含有HA 的特征峰,但有雜峰,文獻(xiàn)[25]中CaCO3的XRD 圖譜可以佐證樣品b 含有CaCO3雜峰.樣品c也有明顯的HA 特征峰和雜質(zhì)峰,參考文獻(xiàn)[1]中CaCO3/HA顆粒的XRD 圖譜,可以推測(cè)樣品c有未轉(zhuǎn)化的CaCO3,且轉(zhuǎn)化率低;根據(jù)文獻(xiàn)[26-27]中CaCO3的XRD 圖譜,可以判斷樣品c 為方解石型CaCO3/HA 復(fù)合材料.樣品d 與樣本品c 基本一致,均為CaCO3/HA 復(fù)合物.對(duì)照文獻(xiàn)[19]中CaCO3/HA 復(fù)合生物材料的XRD 圖譜可知,用反相微乳液法制HA 的轉(zhuǎn)化度不高,CaCO3殘留量大.

圖3 4 種方法制得樣品的XRD 圖譜

2.2.3 FTIR 表征進(jìn)行定性分析

圖 4 為4 種方法制得樣品的FTIR 圖譜.從圖4 可知,樣品a 在波數(shù)3 450.62 cm-1附近的寬吸收帶對(duì)應(yīng)為H2O(3 400～3 500 cm-1)中O-H 的拉伸模式[3,28-29].在波數(shù)為1 039.50、603.20、565.96 cm-1附近檢測(cè)到PO43-基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰,表明樣品中含有HA,這與XRD 分析結(jié)果一致[3,19,28-29].樣品b在波數(shù)3 446.40 cm-1處的吸收峰為H2O 的特征峰.在1 038.44、603.89、567.06 cm-1處是PO43-官能團(tuán)的特征峰[3,30].在1 420.66、874.53、711.98 cm-1處為CaCO3中CO32-的特征吸收峰[22].出現(xiàn)這些峰的原因可能是實(shí)驗(yàn)過程中吸收了空氣中的CO2,使磷酸鹽被碳酸鹽替換;抑或CaCO3未反應(yīng)完全[31].樣品c 在波數(shù)為3 571.92 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)HA 中-OH 產(chǎn)生的伸縮振動(dòng)峰[32].在3 469.74 cm-1處的吸收峰為H2O 中O-H 的特征峰.而在1 046.66、602.61、570.66 cm-1處的吸收峰是HA中PO43-的特征峰[29,32-33].在1 419.98、1 091.07、874.78、711.94 cm-1處為CaCO3紅外光譜吸收峰.根據(jù)文獻(xiàn)[22]的研究結(jié)果判斷為方解石CaCO3,這與XRD判斷一致.樣品d在波數(shù)3467.75cm-1處的吸收峰為H2O 的 O-H 特征峰.1 047.72、1 091.53、962.35 cm-1處的吸收峰為P-O 的伸縮振動(dòng)峰[31],在603.23、570.38 cm-1處為O-P-O 的彎曲振動(dòng)峰[34].參考文獻(xiàn)[22]研究結(jié)果,在1 421.01、874.60、847.56、712.05 cm-1處出現(xiàn)明顯的CaCO3的CO32-特征峰.CaCO3的振動(dòng)吸收峰強(qiáng)度大,即大部分CaCO3未轉(zhuǎn)化成HA[28],這與XRD 的分析結(jié)果一致.

圖4 4 種方法制得樣品的FTIR 圖譜

2.2.4 BET 表征產(chǎn)物介孔結(jié)構(gòu)

圖 5 和圖6 為4 種方法制得樣品的BET 圖譜.

圖5 4 種方法制得樣品的氮?dú)馕?脫附等溫曲線

圖6 4 種方法制得樣品的孔徑分布

從圖5 和圖6 可知,4 種樣品均出現(xiàn)明顯的回滯環(huán),吸附-脫附等溫曲線屬于Ⅳ型等溫線[35].在接近飽和蒸氣壓P0時(shí)出現(xiàn)急劇上升,這是介孔結(jié)構(gòu)的特征[1].

4 種樣品的BET 表征數(shù)據(jù)見表2.從表2 可知,4 種樣品的比表面積大小為:樣品a>樣品c>樣品b>樣品d;孔體積大小為:樣品a>樣品c>樣品d>樣品b;孔徑大小為:樣品b>樣品a>樣品c>樣品d;平均孔徑大小為:樣品a>樣品c>樣品d>樣品b.綜上表明:樣品a 的介孔結(jié)構(gòu)和比表面積較好,更有利于吸附重金屬、有機(jī)物以及藥物等.

表2 4 種方法制得樣品的BET 表征數(shù)據(jù)

2.2.5 ICP 表征測(cè)定元素含量

通過表3 數(shù)據(jù)計(jì)算可知,樣品a 中的鈣磷比為1.84.XRD 和FTIR 表征結(jié)果表明:樣本a 全部為HA,推測(cè)樣品a 的HA 為缺磷型羥基磷灰石[36].樣品b 的鈣磷比為9.62,樣品c 的鈣磷比為5.81,樣品d 的鈣磷比為5.70,假設(shè)這3 種樣品中的羥基磷灰石為普通型,鈣磷比為1.67,3 種樣品中CaCO3轉(zhuǎn)化為HA 的程度由大到小依次為:樣品d＞樣品c＞樣品b.

表3 4 種樣品中鈣磷元素含量 mg·L-1

通過ICP-OES 表征測(cè)得樣品a、樣品b、樣品c 和樣品d 在相同條件下吸附的銀含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.62%、3.24%、1.00%和0.93%.計(jì)算可知:樣品a 的吸附率為75.10%,樣品b 的吸附率為66.95%,樣品c 的吸附率為20.20%,樣品d 的吸附率為18.75%.吸附力從大到小排序?yàn)?樣品a>樣品b>樣品c>樣品d,樣品a 的吸附率最大,即羥基磷灰石比CaCO3/HA 復(fù)合材料的負(fù)載量多.在加入鈣磷比1.67 且采用水熱法制備HA 的條件下,貽貝殼AgHAp 粉體的銀含量略優(yōu)于陳華軍等[37]用鈣磷鹽制備的AgHAp 粉體的銀含量,驗(yàn)證了有關(guān)生物來源的HA 較化學(xué)合成HA 具有相互交通的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的結(jié)論[20].

3 結(jié)論

(1)舟山市貽貝殼中的 CaCO3為方解石型,EDS 分析得出其安全性良好,無有害金屬,確定貝殼制備HA 方案安全可行.

(2)以貽貝殼為鈣源時(shí)用水熱法易合成出HA多孔微球,反應(yīng)完全;用沉淀法、CTAB 模板劑法和反相微乳液法易合成出方解石型CaCO3/HA復(fù)合材料.

(3)HA 多孔微球比方解石型CaCO3/HA 復(fù)合材料的比表面積和孔徑結(jié)構(gòu)更優(yōu)異,有利于合成更多特殊功能的復(fù)合材料.

(4)水熱法制備的貽貝殼HA 載銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.62%,吸附率達(dá)75.10%,吸附作用略優(yōu)于化學(xué)合成HA,且成本低,可實(shí)現(xiàn)貽貝殼的高值化利用.