1、實驗方案課題六納米羥基磷灰石的制備與表征小組成員段東斑、陸文心、耿明宇背意義景羥基磷灰石(Hydroxyapatite，簡稱HA，化學(xué)分子式:(Ca10 (PO4)6(OH)2)是人體和動物 骨骼的主要無機成份。在人體骨中，HA大約占60%，它是一種長度為2040nm，厚1.53.0nm 的針狀結(jié)晶，其周圍規(guī)則地排列著骨膠原纖維36。齒骨的結(jié)構(gòu)也類似于自然骨，但齒骨中 HA的含量高達(dá)97%。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域長期以來廣泛使用的金屬和有機高分子等生物醫(yī)學(xué)材料，其 成分和自然骨完全不同，用來作為齒骨的代材料(人工骨、人工齒)填補骨缺損材料，其生物 相容性和人體適應(yīng)性尚不令人滿意。而羥基磷灰石具有無毒、無刺激

2、性、無致敏性、無致突 變性和致癌性，是一種生物相容性材料，可與骨發(fā)生化學(xué)作用，有很好的骨傳導(dǎo)性。因此， 近二十年來，研究接近或類似于自然骨成份的無機生物醫(yī)學(xué)材料極其活躍，其中特值得重視 的是與骨組織生物相容性最好的HA活性材料的研究、臨床應(yīng)用。近年來，隨著人們對納米 領(lǐng)域的認(rèn)識與關(guān)注，醫(yī)學(xué)界也相繼開始了對納米日人粒子(或稱超細(xì)HA粉)的研究，HA納 米粒子與普通的HA相比具有不同的理化性能：如溶解度較高、表面能較大、生物活性更好、 具有抑癌作用等，可以作為藥物載體用于疾病的治療，是一種生物相容性良好的治療材料。目前，人們已經(jīng)開發(fā)出多種方法來制備納剝?nèi)耄缢夥?、水熱反?yīng)法、溶膠一凝膠 法及最近

3、發(fā)展的微乳液法等，其中化學(xué)沉淀法是各種水溶性的化合物經(jīng)混合、反應(yīng)生成不溶 性的沉淀，然后將沉淀物過濾、洗滌、煅燒處理，得到符合要求的粉體?；瘜W(xué)沉淀法因工藝 簡單、成本低、顆粒小等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。但是目前對這種方法的研究還處于初級階段，制 備出的納米粒子粒徑不均一，分散性差且有易團(tuán)聚的現(xiàn)象。為此，我們希望對化學(xué)沉淀法制 備HA納米粒子的條件的進(jìn)行深入研究，分析各種因素對納米HA晶型與粒徑的影響，為HA的工 業(yè)化生產(chǎn)提供依據(jù)。2.1實驗基本原理目前報道，常用的制備羥基磷灰石粉體的鈣的反應(yīng)物有Ca(NO)、Ca(OH)、CaCl、 322CaO、Ca(OCH 等，常用的磷的反應(yīng)物有(NHHPO、H

4、PO . KHPO NaHPQ和 (CH3O)3PO)等。以硝酸鈣和磷酸氫二氨為例，反應(yīng)方程式為：Ca(N0】4H0+6(NH】HP0.+8NH；H0=Cam (P0(OH)e+20NHN0+6H0。%J A0% 6% 3 Xf以氫氧化鈣和磷酸鹽為例，反應(yīng)方程式為：10Ca(OH)2+6H3P04= Ca10(PO4)6(OH)2+18H20不同反應(yīng)物合成HA的方法有一定差異，但總體而言，化學(xué)沉淀法的實質(zhì)是羥基磷灰石 的溶解平衡的逆反應(yīng)，即10Ca2+6PO43-+2OH-= Ca10(PO4)6(OH)2Ksp=234*10-592.2實驗條件的選擇與調(diào)控。影響化學(xué)沉淀法的工藝參數(shù)主要有：C

5、a/P摩爾比、pH值、磷酸的加入速度、反應(yīng)溫 度、分散劑的種類、沉淀的干燥方式、干燥溫度和燒結(jié)溫度等。從相關(guān)文獻(xiàn)中可以得到初步 的條件范圍。(1)Ca/P摩爾比對粉體制備的影響一般認(rèn)為當(dāng)Ca/P=1.6時，反應(yīng)產(chǎn)物為純羥基磷灰石。當(dāng)Ca/P摩爾比在1.51.67范 圍內(nèi)，產(chǎn)物為HA+P -TCP。當(dāng)Ca/P摩爾比在1.68-1.7范圍內(nèi)時，合成的是HA當(dāng)Ca/P摩爾比 31.7時，產(chǎn)物為HA+CaOopH值的影響磷酸根在溶液中的水解與溶液的pH值有關(guān)。在不同的pH值下水解的程度不同，產(chǎn)物就 不同。因此，pH值是羥基磷灰石的合成的一個重要影響因素。pH影響磷酸根在溶液中的存在形式,也影響HA的溶

6、解度，因此對合成過程中離子的 過飽和度產(chǎn)生影響,影響成核速度和晶體的定向排列速度的相對大小，最終影響產(chǎn)品的 n(Ca)/n(P)和晶體的完整性。另外，HA生成經(jīng)歷由磷酸八鈣(Ca8H2(PO4)6*5H2O)非晶 態(tài)磷酸鈣(Ca8(PO4)2X H2O) 一缺鈣磷灰Ca10.z ( HPO4)z(PO4)6 -z(OH &X 鳥0_ 羥基磷灰石(Caio( PO4)6(OH MX%。)的復(fù)雜的相轉(zhuǎn)變過程，從上述幾種物質(zhì)的組成分 析，pH增加，即OH-濃度增加，有利于轉(zhuǎn)變生成n(Ca)/n(P)接近1.67的HA。反應(yīng)物濃度的影響磷酸加入速度的影響在用Ca(OH)2和H3PO4制備羥基磷灰石時，

7、磷酸加入速度對產(chǎn)物的影響很大。加入速度 太快時，容易生成缺鈣羥基磷灰石沉淀，這種缺鈣羥基磷灰石在煅燒時容易出現(xiàn)3 -TCP相。 當(dāng)加入磷酸速度過快如當(dāng)V (add) =2400ml/min時，最后的產(chǎn)品中出現(xiàn)Ca(OH)2。此外，磷 酸加入速度還影響顆粒的表面積，加入速度越快其表面積越小。2攪拌速度的影響在磷酸加入速度相同的條件下，溶液的攪拌速度將影響產(chǎn)物的顆粒大小和結(jié)晶形態(tài)。反應(yīng)溫度對晶體形貌的影響溫度升高影響HA的Ksp值的大小，影響成核時的過飽和度、成核速度及其與粒子定向排 列速度的比值，因而影響晶體的尺寸和結(jié)晶度。在4070CHA的晶體形貌變化較，70C較好。 而且研究表明研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)

8、溫度要高于室溫25C，但高于60C會出現(xiàn)雜質(zhì)。Chandrasekhar KotHAalli等研究發(fā)現(xiàn)：70C時產(chǎn)EaO雜質(zhì)100C時分解成Ca3(PO4)2、Ca3 P2O8和CaO。 Liu人研究表明15C合成的HA為非晶體，而60C時可合成出針狀晶體。表面活性劑對沉淀的影響由于納米粒子比表面積很大.具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)，表面活性很高.熱力學(xué)不穩(wěn) 定，易發(fā)生團(tuán)聚，致使很難制備一定晶態(tài)、分散性和穩(wěn)定性好的納淚A，由此也限制了其工 業(yè)應(yīng)用。納米粒子的穩(wěn)定性是納米HA制備和應(yīng)用的關(guān)鍵.添加適宜的表面活性劑是解決納米 微粒團(tuán)聚及控制晶形和尺寸的有效手段。相關(guān)文獻(xiàn)表明，PEG-400是制備HA的

9、最佳分散劑加料時間對晶體表面形態(tài)的影響在不同加料速度下，形成晶體時的過飽和度不同，成核和晶體生長速度的相對大小不 同。直接混合后局部過飽和度很大，HA成核速度大于其生長速度，因而形成了非晶體；而在 緩慢加料條件下，晶體生長速度大于成核速度，二者速度有好的協(xié)調(diào)性，形成了較好的晶體，其晶體分布基本均勻，在沒有添加分散劑、穩(wěn)定劑的條件下顆粒分散性較好，顆粒均勻性較之以往的研究有所改善。其主要原因是，在納米IA晶體表面分布著構(gòu)晶離子Ca2+，而NH3分 子中有一對孤電子對，整個分子呈不規(guī)則的四面體或錐形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與麗構(gòu)晶離子PO3- 4（正四面體）空間結(jié)構(gòu)是匹配的，因此，可優(yōu)先于no3-（三角形平面

10、結(jié)構(gòu)）離子吸附于ha晶體表 面，與Ca2+形成靜電作用和較弱的配位鍵，在其表面形成NH3吸附層，阻礙了合成過程中晶體 的聚集而呈現(xiàn)出好的分散性。3（9）陳化時間，陳化溫度，陳化pH的影響加料完畢后，一般要陳化2-24小時，陳化條件的選擇將對產(chǎn)物顆粒大小，形態(tài)等產(chǎn)生 重要影響。（10）洗滌沉淀的洗滌劑的種類，溫度的影響（11）燒結(jié)溫度的影響燒結(jié)溫度對性能影響很大。燒結(jié)溫度低，晶化程度差；燒結(jié)溫度高，晶化程度高。門智新等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燒結(jié)溫度為700C、800C、900C時均能合成純HA，但隨著燒結(jié)溫度的 升高，粉末峰數(shù)相同，但強度逐漸增大，峰形更尖銳，與標(biāo)準(zhǔn)值對應(yīng)越好，合成的功粉體 的晶形越好，結(jié)

11、晶趨于完整。同時 隨燒結(jié)溫度升高，衍射峰寬度明顯減小。一般認(rèn)為，羥 基磷灰石的最大燒結(jié)溫度為1350C，當(dāng)溫度超過1300C時，羥基磷灰石分解為磷酸鈣、磷酸 四鈣和水。反應(yīng)如下：CaJPO ）（GH2Ca （PO +Ca （PO4+H O10、 46 z2V 4 24、z2 2實驗過程中將選取2-4個影響因素作為變量來控制反應(yīng)條件。并對不同條件下合 成的羥基磷灰石的產(chǎn)量、質(zhì)量形態(tài)等參數(shù)進(jìn)行分析，得到最佳合成條件。3.1實驗具體方案1.合成部分1. 1原料與儀器原料：四水硝酸鈣、磷酸氫二氨、鹽酸、濃氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%28%），無水乙醇（分析純）、 乙醇胺、聚合度為400的聚乙二醇（PEG-400

12、）、去離子水。實驗的用量預(yù)實驗后確定。儀器：移液管、吸量管、恒溫水浴鍋、電爐、溫度計、分析天平、酸度計、布氏漏斗、烘箱、 馬弗爐、實驗步驟：12預(yù)實驗配制250.00ml 0.5 mol / L的四水硝酸鈣和磷酸氫二銨水溶液（也有用無水乙醇溶解硝酸 鈣溶液的）.按鈣、磷物質(zhì)的量比為1： 1.67量取相應(yīng)體積的溶液，將兩種溶液放在50度的 恒溫水浴鍋中，開始用pH計測定硝酸鈣溶液的pH值，用氨水調(diào)節(jié)硝酸鈣溶液的pH至10.5在溫度穩(wěn)定后，將磷酸氫二銨溶液勻速滴加到盛有四水硝酸鈣溶液的反應(yīng)器中,并用磁 子攪拌均勻。在滴加過程中，用氨水調(diào)節(jié)反應(yīng)系統(tǒng)pH穩(wěn)定在10.5,，強力攪拌反應(yīng)1h使沉淀 完全。

13、添加適量表面活性劑溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%）.在25CT陳化處理24h。（表面活性劑的滴加 順序在不同文獻(xiàn)的介紹中有所差異，有的是溶液混合前就滴加，有的是混合且沉淀完全后滴 加）陳化完畢后，傾去上層清液，用蒸餾水和無水乙醇洗滌沉淀，直至洗滌液為中性用真 空泵抽濾.無水乙醇洗滌沉淀；將濾餅放入烘箱中干嫩100C、2h）,干燥后用瑪瑙研缽研磨。 最后放入馬弗爐中煅燒（650C、2 h）后得到產(chǎn)物。13條件控制預(yù)實驗完成后，開始改變合成條件（每個人探究一種條件），得到不同條件下的合成情 況。合成條件的研究根據(jù)初次實驗進(jìn)行修改，拿出實驗方案后開始實驗。產(chǎn)品的表征用KMnO法滴定CaCO測定產(chǎn)品中Ca的含量。用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICP）測定鈣磷的比例。對產(chǎn)物的組成、結(jié)晶度等進(jìn)行x