初始鈣-磷物質(zhì)的量比值對超長羥基磷灰石納米纖維微觀結(jié)構(gòu)的影響

王銀川 肖桂勇＊, 徐偉莉 齊美麗 顏文熙 武延秋 呂宇鵬＊,

(1山東大學(xué)，材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點實驗室，濟(jì)南 250061)

(2山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061)

(3山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院，濟(jì)南 250357)

(4生物醫(yī)用材料改性技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，德州 251100)

0 引言

羥基磷灰石(HA，Ca10(PO4)6(OH)2)作為脊椎動物骨骼和牙齒中的主要無機(jī)成分，因其良好的生物活性、生物相容性、骨誘導(dǎo)性和骨傳導(dǎo)性，在載藥、蛋白分離、骨缺損和組織工程修復(fù)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1?2]。但傳統(tǒng)HA陶瓷因脆性大、韌性差的缺陷使其局限應(yīng)用于非動態(tài)載荷領(lǐng)域，極大地限制了HA的臨床應(yīng)用價值[3]。研究表明纖維復(fù)合陶瓷中的纖維可通過吸收斷裂能并防止裂紋快速擴(kuò)展來有效增強(qiáng)陶瓷的力學(xué)性能[4]。然而，目前常用的C、Al2O3、ZrO2、SiC等生物惰性纖維雖然有效提高了復(fù)合材料的斷裂韌性，但會導(dǎo)致復(fù)合陶瓷的生物相容性降低，甚至可能導(dǎo)致細(xì)胞毒性[5?6]。因此，制備高長徑比的HA纖維實現(xiàn)HA陶瓷的自增韌，成為目前的研究熱點[7?8]。

盡管已有水熱法[9]、均相沉淀法[10]、水熱均相沉淀法[11?12]和溶劑熱法[13]等[8]多種方法用于合成HA纖維，但制備超高長徑比和柔韌的HA纖維目前仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。晶體生長與起始物密切相關(guān)，其中表面活性劑可有效調(diào)控晶體形貌和尺寸[3,14]。此外，晶體的形核率和生長還取決于溶液的過飽和度，而過飽和度與初始鈣?磷物質(zhì)的量比值(nCa,0/nP,0)直接相關(guān)。初始Ca2+濃度恒定時，過低的nCa,0/nP,0會導(dǎo)致溶液的過飽和度過高，生成大量HA小晶核，并促使其沿a軸生長，進(jìn)而影響HA纖維的微觀結(jié)構(gòu)[3]。因此，選擇合適的、可調(diào)控HA晶體沿c軸擇優(yōu)生長的表面活性劑和適宜的nCa,0/nP,0，有望合成超長柔韌的HA纖維。研究表明具有合適鏈長脂肪酸分子的羧基在共面時，羧基間的間距與HA晶體(100)和(001)晶面上共面的Ca2+間距相匹配，從而誘導(dǎo)HA晶體的擇優(yōu)生長取向[15?16]。并且脂肪酸作為有機(jī)弱酸，在一定pH范圍內(nèi)可作為pH響應(yīng)性分子維持溶液的pH值穩(wěn)定[17?18]。

我們以油酸作為表面活性劑，制備出具有高柔韌性和高長徑比的HA納米纖維，探討了溶劑熱條件下不同nCa,0/nP,0對HA納米纖維微觀結(jié)構(gòu)的影響。并基于不同nCa,0/nP,0下HA形貌和結(jié)構(gòu)演變推測出相應(yīng)的影響機(jī)理，以期為不同脂肪酸作為表面活性劑制備超長HA納米纖維時參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗所用無水氯化鈣(CaCl2，AR)、氫氧化鈉(NaOH，AR)、二水合磷酸二氫鈉(NaH2PO4·2H2O，AR)、無水乙醇(C2H5OH，AR)統(tǒng)一購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，油酸(C18H34O2，AR)購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，無需進(jìn)一步提純即可使用。

1.2 一維羥基磷灰石納米纖維產(chǎn)物的制備

采用溶劑熱法制備得到一維納米結(jié)構(gòu)的HA產(chǎn)物。首先，在室溫下將12.00 g油酸、11.00 g無水乙醇和10 mL去離子水混合得到溶液A。隨后依次向混合液 A 中逐滴加入 CaCl2水溶液(0.2 mol·L?1，20 mL)和NaOH水溶液(1.25 mol·L?1，20 mL)得到反應(yīng)液B。最后向反應(yīng)液B中逐滴加入20 mL含一定量NaH2PO4·2H2O的水溶液得到混合物C。本研究中nCa,0/nP,0值分別設(shè)置為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0。上述過程均在密閉體系且劇烈的磁力攪拌下進(jìn)行。之后將混合物C轉(zhuǎn)移到100 mL水熱反應(yīng)釜中，控制填充度為80%，在180℃下恒溫24 h。待反應(yīng)釜冷卻至室溫后，將制備得到的產(chǎn)物用無水乙醇和去離子水清洗3次，最終離心、干燥。

1.3 表 征

利用RIGAKU UltimaⅣ型X射線衍射儀(XRD)檢測產(chǎn)物的相組成，輻射源為λ=0.154 18 nm的銅靶(CuKα)，加速電壓和加速電流分別為40 kV和40 mA，掃描范圍為10°～60°。利用配有牛津X?max 80型X射線能譜儀(EDS)的JSM?7800F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)分析檢測產(chǎn)物表面形貌和微觀區(qū)域的化學(xué)成分，因樣品不導(dǎo)電，測試前將樣品分散在無水乙醇中，然后滴在鋁箔上，待干燥后進(jìn)行噴鉑處理。利用Nexus 670型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)分析產(chǎn)物官能團(tuán)組成，掃描范圍為4 000～400 cm?1，測試前將約0.2 mg樣品與約20 mg溴化鉀研磨混合后壓片。

所制備產(chǎn)物的元素含量基于EDS結(jié)果獲得，晶粒尺寸(Dhkl)根據(jù)德拜?謝樂公式計算得到[19?20]，結(jié)晶度(XC)可由以下公式確定[21]：

XC=1?V112/300/I300

式中，V112/300為(112)和(300)晶面衍射峰之間峰谷的衍射強(qiáng)度；I300為(300)晶面衍射峰的衍射強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 nCa,0/nP,0對HA物相與化學(xué)成分的影響

圖1是不同nCa,0/nP,0值下制備產(chǎn)物的XRD圖及相應(yīng)的晶粒尺寸、c/a值。如圖1a所示，不同nCa,0/nP,0對產(chǎn)物的物相無明顯影響，所制備的產(chǎn)物為HA(PDF No.09?0432)。nCa,0/nP,0=2.0～1.4時，所制備的產(chǎn)物在32.5°附近的漫散包表明產(chǎn)物中存在非晶磷酸鈣(ACP)；隨著nCa,0/nP,0值的降低，4種產(chǎn)物的(002)晶面衍射峰的相對強(qiáng)度逐漸降低，且nCa,0/nP,0=1.4的產(chǎn)物的漫散包最強(qiáng)值從32.3°變?yōu)?3.1°，表明隨著nCa,0/nP,0值的降低，HA晶體的擇優(yōu)生長取向由a軸向c軸轉(zhuǎn)變且ACP含量逐漸降低。nCa,0/nP,0=1.2時，衍射峰由漫散包突變?yōu)檩^尖銳的衍射峰，說明該nCa,0/nP,0值為產(chǎn)物主要組成由非晶態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)折點且產(chǎn)物的形貌可能發(fā)生明顯的改變。隨著nCa,0/nP,0值的進(jìn)一步降低(nCa,0/nP,0=1.0～0.6)，各產(chǎn)物的最強(qiáng)峰均為(300)晶面，說明低nCa,0/nP,0值是利于HA晶體沿著c軸擇優(yōu)生長；但結(jié)合表1和圖1b可以看出，nCa,0/nP,0=1.0時所得產(chǎn)物具有最高的結(jié)晶度和晶粒尺寸，雖然nCa,0/nP,0=0.8時產(chǎn)物具有最大的c/a值，但是其晶粒尺寸已急劇減小。以上結(jié)果表明，nCa,0/nP,0=1.0為溶劑熱法制備一維HA納米纖維的最佳值，較低的nCa,0/nP,0有利于HA晶體沿著c軸擇優(yōu)生長，但過低的nCa,0/nP,0值會導(dǎo)致生成的HA晶體具有較小的晶粒尺寸且同時沿c軸和a軸生長。

表1 不同nCa,0/nP,0值下制備產(chǎn)物的合成參數(shù)和表征結(jié)果比較Table 1 Comparison of synthesis parameters and characteristics of as?prepared products synthesized with various nCa,0/nP,0values

圖1 不同nCa,0/nP,0值下制備產(chǎn)物的(a)XRD圖、(b)晶粒尺寸和c/a值Fig.1 (a)XRD patterns,(b)crystallite sizes,and c/a values of as?prepared products synthesized with various nCa,0/nP,0values

通過FTIR進(jìn)一步研究nCa,0/nP,0對HA納米纖維化學(xué)成分的影響(圖2)。如圖2所示，3 422 cm?1處的吸收峰是吸附在樣品表面的游離水峰[22]；3 566和631 cm?1處對應(yīng) HA 中 OH?的伸縮振動吸收峰[23]；1 096、1 071、1 027、605 和 560 cm?1處對應(yīng) HA 中PO43?的振動吸收峰[24]。另外，3 007 cm?1處對應(yīng)油酸根離子中=CH的特征峰，2 923和2 853 cm?1處對應(yīng)油酸根離子中—CH2—的振動峰，1 557和1 465 cm?1處對應(yīng)油酸根離子中—COO?的特征峰[25]。以上吸收峰的存在表明樣品表面吸附有油酸根離子。此外，各產(chǎn)物中屬于油酸根的特征峰峰強(qiáng)隨nCa,0/nP,0值的降低亦逐漸降低，可能是nCa,0/nP,0的降低會導(dǎo)致各樣品表面油酸根離子附著量逐漸減少。

圖2 不同nCa,0/nP,0值下制備產(chǎn)物的FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectra of as?prepared products synthesized with various nCa,0/nP,0values

2.2 nCa,0/nP,0對HA形貌的影響

圖3和表2是不同nCa,0/nP,0值下制備產(chǎn)物的FESEM圖及相應(yīng)的EDS元素分析結(jié)果。如圖3所示，隨著nCa,0/nP,0值的降低，產(chǎn)物的形貌逐漸由繩結(jié)狀向繩結(jié)狀與纖維狀共存，再到超長柔韌納米纖維，最后到納米纖維與納米針束狀纖維共存演變。nCa,0/nP,0=2.0時，從嵌入的高倍圖中可以看出，繩結(jié)狀產(chǎn)物表面附著有少量納米顆粒(圖3a)，結(jié)合表2元素含量和相應(yīng)的XRD結(jié)果(圖1a)推測，繩結(jié)狀產(chǎn)物可能為ACP、沿a軸擇優(yōu)生長的HA和油酸根離子組成的混合物。nCa,0/nP,0=1.4～1.8時，纖維形貌隨nCa,0/nP,0值降低逐漸增多，而繩結(jié)狀形貌逐漸減少，但仍可觀察到兩者表面均附著有納米顆粒(圖3b～3d)。nCa,0/nP,0=0.8～1.2時，繩結(jié)狀形貌徹底消失，產(chǎn)物由高長徑比(>10 000)的HA納米纖維組成(圖3e～3g)，纖維呈任意角度彎曲而不斷裂，表明纖維具有較高的柔韌性[17]。但nCa,0/nP,0降至0.6時，產(chǎn)物主要形貌變?yōu)榧{米針束狀纖維，并存在少量HA納米纖維。此外，結(jié)合相應(yīng)的FTIR結(jié)果可知，產(chǎn)物完全由纖維組成時油酸根的特征峰峰強(qiáng)幾乎消失，這可能是因為組成繩結(jié)狀產(chǎn)物的ACP和HA納米顆粒具有較纖維狀HA更大的比表面積，從而能附著有較多的油酸根離子。而產(chǎn)物中ACP和HA納米顆粒的量隨nCa,0/nP,0值降低而減少，導(dǎo)致各產(chǎn)物中屬于油酸根的紅外特征峰峰強(qiáng)隨nCa,0/nP,0降低而逐漸降低。

圖3 不同nCa,0/nP,0值下制備產(chǎn)物的FESEM圖Fig.3 FESEM images of as?prepared products synthesized with various nCa,0/nP,0values

表2 不同nCa,0/nP,0值下制備產(chǎn)物的EDS元素分析結(jié)果Table 2 Compositions of as?prepared products synthesized with various nCa,0/nP,0values derived from EDS analysis

表1中產(chǎn)物的nCa/nP結(jié)果表明，HA產(chǎn)物的nCa/nP值隨nCa,0/nP,0值的降低而降低。具有柔韌纖維狀形貌的HA產(chǎn)物的nCa/nP=1.11～1.35，遠(yuǎn)低于HA的理論nCa/nP值(1.67)。這可能歸因于油酸誘導(dǎo)HA晶核沿c軸擇優(yōu)生長，導(dǎo)致HA晶體中出現(xiàn)鈣缺陷[26]，使其nCa/nP降低。然而當(dāng)產(chǎn)物的nCa/nP≈1.67時形貌為非晶繩結(jié)狀。以上結(jié)果表明，溶劑熱條件下油酸誘導(dǎo)合成具有超長柔韌性缺鈣型HA納米纖維的nCa,0/nP,0的最佳范圍為0.8～1.2，且可通過調(diào)控nCa,0/nP,0實現(xiàn)對HA產(chǎn)物結(jié)晶度和晶粒尺寸的控制。

2.3 nCa,0/nP,0對HA納米纖維微觀結(jié)構(gòu)影響機(jī)理

晶體的形核和生長速率與溶液的過飽和度密切相關(guān)。低過飽和度的溶液中形核率低，有利于更大晶粒尺寸的晶體形成[3]。根據(jù)以下公式[27]，HA的過飽和度(S)與溶液中游離的Ca2+、PO43?和 OH?離子濃度直接相關(guān)；當(dāng)OH?離子濃度恒定時，nCa,0/nP,0可直接影響反應(yīng)溶液的過飽和度，進(jìn)而調(diào)控HA晶體的形核與生長。

式中，α為離子的濃度；Ksp為HA的溶度積(特定溫度下為一常數(shù))。此外，油酸作為表面活性劑不僅可以有效誘導(dǎo)HA晶體沿著c軸擇優(yōu)生長，也可以作為pH響應(yīng)性分子調(diào)控反應(yīng)溶液的pH值，使其維持穩(wěn)定，并且油酸參與反應(yīng)后生成的油酸鈣可作為鈣源在反應(yīng)過程中緩慢釋放Ca2+離子。因此，在油酸分子的作用下，nCa,0/nP,0對HA晶體微觀結(jié)構(gòu)的影響需要系統(tǒng)的探究，以期能合成具有更高長徑比和柔韌性的HA納米纖維?；谏鲜霰碚鞣治龊拖嚓P(guān)報道，不同nCa,0/nP,0對HA納米纖維的形核及生長的影響可分為以下3個階段(圖4)：

2.3.1 階段Ⅰ：反應(yīng)初始

如圖4中stageⅠ所示，油酸分子與NaOH反應(yīng)生成油酸鈉，隨后與游離的Ca2+離子結(jié)合生成油酸鈣。油酸鈣在反應(yīng)中作為前驅(qū)體和鈣源[28]。HPO?24離子與OH?離子反應(yīng)生成HPO2?離子[17]，少量 HPO2?44離子繼續(xù)與OH?離子反應(yīng)生成PO43?離子。

2.3.2 階段Ⅱ：HA形核和晶體生長

如圖4中stageⅡ所示，隨著溶劑熱反應(yīng)的進(jìn)行，油酸鈣開始緩慢且持續(xù)地釋放Ca2+離子，同時油酸根離子水解釋放OH?離子。大量HPO?、HPO2?244離子與OH?反應(yīng)分別生成HPO42?和 PO43?離子。當(dāng)反應(yīng)溶液中的游離Ca2+、PO43?和OH?離子達(dá)到HA形核的過飽和度后，少量HA晶核在溶液中直接形核，大部分游離Ca2+和PO43?離子在離子間庫侖力的作用下生成ACP納米粒子[29]。隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，直接形核的HA晶核開始長大，另外HA也開始在ACP表面異質(zhì)形核。此外，相關(guān)研究表明HA從反應(yīng)溶液中形核析出時表面具有負(fù)的ζ電位[30]。因此，在生長初期，可能由于HA晶核表面的負(fù)電勢抑制了油酸根離子與HA表面的鈣位點結(jié)合。HA晶核在生長初期無油酸根離子誘導(dǎo)的作用下，為了維持體系能量最低，呈現(xiàn)出沿著a軸擇優(yōu)生長的趨勢。伴隨著HA晶核的不斷長大，其表面自由能不斷升高，在HA晶體暴露出帶正電的面積較大的晶面時，反應(yīng)液中的油酸根離子吸附在該晶面的鈣位點上，限制了PO43?離子與平行于c軸方向的晶面上的鈣位點結(jié)合，促使HA晶體只能沿著c軸擇優(yōu)生長。此外，研究表明HA晶體沿c軸生長較其沿a軸生長所需的能量更多[31]，高溫、高壓的溶劑熱環(huán)境為HA晶體沿c軸生長提供了所需的能量條件，最終生長成為短的單根HA纖維。

圖4 不同nCa,0/nP,0值下制備的產(chǎn)物形成過程示意圖Fig.4 Schematic illustration of the formation process of as?prepared products synthesized with various nCa,0/nP,0values

當(dāng)nCa,0/nP,0=2.0時，反應(yīng)溶液中的PO43?離子濃度極低，雖溶液的過飽和度低，但磷源的不足導(dǎo)致只有少量HA晶核能生長成沿a軸擇優(yōu)生長的小晶粒，大量HA晶核則多數(shù)停止晶體生長。1.4≤nCa,0/nP,0<2.0時，反應(yīng)溶液中的過飽和度仍然較低，溶液中的PO43?離子已能滿足部分HA晶核在油酸的誘導(dǎo)下沿著c軸擇優(yōu)生長為較短的HA納米纖維，而部分HA仍是以低結(jié)晶小晶粒的形式存在或仍殘留部分ACP。0.8≤nCa,0/nP,0<1.4時，反應(yīng)溶液中的過飽和度處于適當(dāng)?shù)姆秶?，在此過飽和度下生成的HA晶核不僅較少，溶液中的PO43?離子也能滿足HA晶核生長為具有較大晶粒尺寸的HA納米纖維的需求。0.6≤nCa,0/nP,0<0.8時，溶液過飽和度較高，導(dǎo)致了大量HA晶核的生成，最終生長成為具有較小晶粒尺寸的針束狀HA納米纖維；此外，因溶液中過高的PO43?離子濃度，PO43?離子可以充分地與HA表面上的鈣位點結(jié)合，抑制了油酸根離子在HA表面的吸附，導(dǎo)致nCa,0/nP,0=0.6時制備產(chǎn)物的D211>D300。

2.3.3 階段Ⅲ：反應(yīng)結(jié)束

在溶劑熱過程中，油酸根離子會吸附在產(chǎn)物的表面，而油酸根離子中的烷基鏈與極性溶劑互不相容[28]。因此，當(dāng)溶劑熱反應(yīng)結(jié)束，將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至極性溶劑(水、乙醇)中時會自組裝成為高度有序的形貌。如圖4中stageⅢ所示，HA和ACP納米顆粒在“油酸根離子?極性溶劑”的作用下自組裝成為繩結(jié)狀形貌；短的HA納米纖維自組裝成為超長高柔韌性HA納米纖維；HA納米針自組裝為HA納米針束狀形貌。

3 結(jié)論

nCa,0/nP,0對HA納米纖維的形貌和結(jié)構(gòu)特征具有顯著影響。隨著nCa,0/nP,0值降低，產(chǎn)物由非晶繩結(jié)狀(nCa,0/nP,0=2.0)向高結(jié)晶超長柔韌的HA納米纖維(0.8≤nCa,0/nP,0<1.4)轉(zhuǎn)變，最終為具有較低結(jié)晶度、小晶粒尺寸的針束狀HA納米纖維(0.6≤nCa,0/nP,0<0.8)。HA晶體的擇優(yōu)生長取向亦隨nCa,0/nP,0的降低由a軸轉(zhuǎn)變?yōu)閏軸，但過高和過低的nCa,0/nP,0均會抑制油酸的誘導(dǎo)作用，并且過低的nCa,0/nP,0會導(dǎo)致HA晶體同時沿a軸和c軸生長。nCa,0/nP,0=0.8和1.2分別為產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵點；合成HA納米纖維的最佳nCa,0/nP,0=0.8～1.2，其中nCa,0/nP,0=1.0時的HA納米纖維具有最大晶粒尺寸和結(jié)晶度。以上結(jié)果可能為溶劑熱法合成HA納米纖維提供一些新的思路。