氟掺杂羟基磷灰石的制备及性能表征
宋士涛;徐菁;杨宽;吴素霞;彭友舜;廉琪
【摘 要】采用共沉淀法制备了氟掺杂的羟基磷灰石粉体Ca10(PO4)6 (OH)2-2xF2x(0≤x≤1),利用XRD和SEM对合成样品晶体结构和表面形貌进行了表征.合成样品的生物活性采用氨基酸吸附实验进行测定,反应后的产物用紫外分光光度计和傅里叶变换红外光谱仪进行分析.实验结果表明,当氟掺杂量x=0.25,高温高浓度时合成的FHA具有最佳的生物活性和热稳定性,是一种良好的骨替代材料.
【期刊名称】《河北科技师范学院学报》
【年(卷),期】2014(028)002
【总页数】6页(P31-36)
【关键词】氟羟基磷灰石;共沉淀法;生物活性
【作 者】宋士涛;徐菁;杨宽;吴素霞;彭友舜;廉琪
【作者单位】河北科技师范学院,河北秦皇岛,066600;河北科技师范学院,河北秦皇岛,066600;河北科技师范学院,河北秦皇岛,066600;河北科技师范学院,河北秦皇岛,066600;河北科技师范学院,河北秦皇岛,066600;河北科技师范学院,河北秦皇岛,066600
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ126.13
羟基磷灰石(hydroxyapatite，简称HA或HAP)属表面活性材料，它与生物体硬组织有相似的化学成分和结构。由于其具有良好的生物活性和相容性，植入人体后对组织无刺激和排斥作用，能与骨形成很强的化学结合，可用于骨缺损的充填材料，为新骨的形成提供支架，发挥骨传导作用，是理想的硬组织替代材料［1］。虽然羟基磷灰石的生物活性较好，但由于其自身强度低、韧性及力学性能差、热稳定性差等缺陷而限制了其应用的广泛性，难以满足医学要求。如何能获得力学性能、生物相容性与热稳定性完美结合的羟基磷灰石是材料学家们探讨的问题。为了解决这些问题，人们采用不同工艺方法来制备羟基磷灰石复合材料、涂层材料及纳米材料，其中氟掺杂便是途径之一。
无论是在自然的HA还是合成的HA中，都存在F－取代HA中羟基离子［2］。牙齿中HA的质量分数为0．95 ～0．97，其中氟的质量分数为0．000 4 ～0．000 7［3］。体液中一定的含氟量有助于骨骼和牙齿的正常生长，F－的注入有利于骨质疏松症的治疗［4］。由F－部分取代羟基磷灰石中的OH－形成的氟取代的磷灰石，简称FHA(Ca10(PO4)6(OH)2－2xF2x，0≤x≤1)，在骨以及牙齿等植入体中具有广阔的应用前景。在人体体液环境中，FHA具有比HA更低的溶解度，有更长的存留时间。合成HA热稳定性不好，烧结温度高于900℃会分解成其它相［5］，如磷酸钙(TCP∶Ca3(PO4)2)，而FHA的热稳定性好于HA，氟磷灰石(Ca10(PO4)6F2)直到1 400℃仍然不分解，因此作为涂覆生物惰性材料表面的生物活性涂层更具有潜力。由于F－比OH－小，使得FHA的晶格常数比HA小，因而FHA的晶体结构更加致密，FHA与HA能形成全范围的固溶体形成FHA［6］，因此通过F－取代OH－，在保持HA部分生物活性的同时［7～9］，可以减小HA涂层的溶解度，提高它的稳定性，改进HA涂层长期稳定性较差的问题。此外，高F含量的FHA无细胞毒性［10］，因此FHA有潜力成为优良的人体硬组织替代材料。笔者采用共沉淀法制备氟掺杂的羟基磷灰石，并对合成氟羟基磷灰石的结构和性能进行了测定。
1 实验部分
1．1 FHA 的制备
按照Ca10(PO4)6(OH)2－2xFx的化学计量比称取Ca(NO3)2·4H2O，(NH4)2HPO4和NaF，并分别配成溶液。将(NH4)2HPO4溶液缓慢滴加到Ca(NO3)2·4H2O和NaF混合溶液中，用氨水调节pH值为10．0～11．0，同时快速搅拌，滴定完成后，继续搅拌60 min。静置陈化24 h。抽滤，反复洗涤。将滤饼置于干燥箱中70℃干燥24 h。最后放到马弗炉中于900℃温度下煅烧2 h，获得白色的FHAP粉末，反应流程如图1所示。实验通过控制反应溶液浓度和反应温度，分别合成了高温高浓度(70℃，0．5 mol/L)高温低浓度(70℃，0．1 mol/L)和常温低浓度(20℃，0．1 mol/L)等3种氟掺杂的羟基磷灰石样品Ca10(PO4)6(OH)2-2xFx(x=0．00，0．25，0．50，0．75，1．00)，化学反应式为:
图1 FHA的制备反应流程
1．2 FHA 的表征
采用日本理学D/MAX2500型X射线衍射仪对样品进行物相分析，Cu靶，管电压40 kV，管电流200 mA，扫描范围为20°～60°，扫描速度10°/min。利用FTIR-8900型傅立叶红外光谱
仪测试样品的FT-IR图谱，采用KBr压片和空气参比方式采集红外数据，仪器的测量范围为400～4 000 cm－1;利用KYKY-2008型扫描电子显微镜(SEM)表征样品的表面形貌电压20 kV，电流为200 mA。
1．3 羟基磷灰石生物活性的测试
通过合成羟基磷灰石样品对氨基酸的吸附性能来表征样品的生物活性。称取氨基酸晶体粉末0．05 g于250 mL容量瓶定容后稀释20倍，震荡使其溶解，配成100 mL 10 mg·L－1的溶液。以水为空白，在400～190 nm波长范围内用紫外光谱仪对氨基酸溶液进行扫描，得氨基酸的紫外吸收光谱图，然后将一定量HA粉体加入到氨基酸溶液中，在振荡器上震荡一段时间，使其达到吸附平衡，离心，取上清液在相同波长范围内测紫外吸收光谱图。
2 结果与分析
2．1 XRD 物相分析
常温低浓度、高温低浓度和高温高浓度下合成Ca10(PO4)6(OH)2－2xFx品XRD谱图，与HA标准卡片(JCPDS 01-074-0566)对照可知，3种条件下均合成了FHA粉体，少量F的掺杂
并没有改变HA晶体结构(图2～图4)。但是不同温度下合成HA晶体的分散性和结晶性稍有差别，高温下合成FHA晶型更完美，这说明不同温度下，溶解度不同，其成核速率和晶形定向排列的速度不同，晶形的生长就受影响。由XRD谱图还可以看出，随着F－掺杂量的增加，衍射峰位置有向大角度方向移动趋势，这是因为F－半径(0．132 nm)小于OH－半径(0．168 nm)，引起晶格收缩，晶格间距变小，衍射角度变大的缘故，并且更进一步证明F－取代了晶格中OH－的位置。
常温条件下合成的HA晶型生长不够完美，有杂质峰出现(图2)。在常温条件下，当x＞0．50时，衍射谱图上有CaF2的特征峰出现，而高温条件下则没有出现，这是因为高温条件下增加了CaF2的活性，加快了替换的进程。3种条件下，当x=0时衍射谱图上均出现了β-TCP(磷酸三钙)相，而掺氟后的FHA没有TCP的生成，可以推断是氟的掺入提高了HA的高温稳定性。
根据谢乐公式计算样品的平均晶粒尺寸，并通过Jade 5．0软件对合成FHA粉体的晶胞参数进行计算，结果如表1所示。谢乐公式如下:
公式中，D为平均晶粒尺寸(nm);K为谢乐常数，其值取0．89;λ为X射线波长，为0．154 05
6 nm;β为衍射峰的半峰宽(rad);θ为布拉格衍射角。
表1 高温高浓度下合成FHA的粒径与晶胞参数样品名称 平均粒径/nm 晶胞参数/(a，b，c)x=0．00 98．7 9．455 9，9．455 9，6．902 4 x=0．25 69．7 9．425 0，9．425 0，6．899 8 x=0．50 58．8 9．410 9，9．410 9，6．899 1 x=0．75 19．2 9．391 9，9．391 9，6．894 8 x=1．00 12．3 9．388 1，9．388 1，6．894 4
随着氟掺杂量增加，FHA的粒径和晶胞参数呈逐渐减小的趋势(表1)。其原因可能为:(1)氟离子比羟基基团要小，氟离子为0．132 nm，而羟基为0．168 nm，因此通过氟取代量的增加，其晶格参数会相应减少;(2)F－和 OH－相比由于F－的电负性较氧原子要大，所以通过F－的强电负作用，对羟基基团中氢原子的吸使得OH-F-OH氢键键能增强，从而使得FHA晶格参数变小。
2．2 SEM 分析
高温高浓度下合成FHA样品的SEM照片如图5所示。可以看出，x=0．25时合成的FHA的粉体粒度较小，结构疏松，孔分布均匀，比表面积增大，类似于骨骼内部的填充物质结构。
而x=0．50时FHA的整体粒度较大，孔较少，说明当x=0．25时合成FHA具有较强的生物吸附性能。根据Hidekazut，Akemiy，Kazukiko等FHA的形成机理［11］，在低氟浓度时，生成FHA之前可能先生成HA，之后F－再取代OH－形成FHA。在高氟浓度时，羟基磷灰石表面通过吸附氟离子形成CaF2，然后CaF2溶解产生F－，F－和OH－的交换，最后形成FHA。可以猜想x=0．50时FHA表面可能有部分CaF2沉积，CaF2溶解度较低，并不具有生物活性，因而导致其溶解性能和化学吸附性能都较x=0．25时差，生物活性降低。
