无机生物材料实验讲义
实验一 羟基磷灰石陶瓷的制备
实验目的：掌握羟基磷灰石生物陶瓷的理化性质、制备方法、组成元素的化学定量分析方法以及陶瓷制备工艺。
羟基磷灰石生物陶瓷属磷酸盐系无机非金属材料，熔点为1650ºC，烧结温度在1100-1200ºC之间。羟基磷灰石陶瓷的制备实验主要包括三部分内容：1. 羟基磷灰石陶瓷原粉的合成；2. 羟基磷灰石陶瓷原粉钙、磷含量的化学分析；3. 羟基磷灰石陶瓷制品的成型与烧结。
1. 羟基磷灰石陶瓷原粉的合成
1.1 实验原理：
羟基磷灰石(Hydroxyapatite)是一种钙磷化合物，属六方晶系，化学式为Ca5(PO4)3(OH)，通常写为Ca10(PO4)6(OH)2，分子量502.31，密度为3.16g·cm-3，是生物体骨组织的主要无机组成，具有很好的生物相容性。目前生物陶瓷的绝大部分研究都直接或间接与它有关。羟
基磷灰石陶瓷原粉的制备主要采用体外人工合成的方法，目前合成方法有很多种，包括沉淀法、高温固相法、水热法、电化学沉积法等。这里采用的是实验室中较常用的钙磷沉淀法。
本实验采用硝酸钙和磷酸氢二铵为原料，按Ca/P=5/3的配比进行反应，用氨水调节反应体系pH值在11~12之间，反应方程式如下：
(NH4)2HPO4 + NH3·H2O = (NH4)3PO4 + H2O
3(NH4)3PO4 + NH3·H2O = (NH4)10(PO4)3(OH)
(NH4)10(PO4)3(OH) + 5Ca(NO3)2 = Ca5(PO4)3(OH) +10NH4NO3
反应在室温搅拌下进行，通过调节反应液滴加速度来控制反应速度。羟基磷灰石晶体的钙磷比为1.67，因此在沉淀反应中，必须控制原料的钙磷比不低于该值；同时，由于羟基磷灰石在酸性和弱碱性条件下不稳定，还必须保证反应体系的pH值始终>11。
1.2 试剂和仪器
试剂：Ca(NO3)2·4H2O，(NH4)2HPO4，浓NH3·H2O，去离子水
仪器：500mL和1000mL烧杯，250mL或500mL滴液漏斗，10mL和250mL量筒，玻璃棒，pH广泛试纸，电子天平，不锈钢药匙，电动或磁力搅拌器，铁架台，台式离心机（4000转），烘箱，马弗炉
1.3 实验步骤
称取(NH4)2HPO4 13.20g，Ca(NO3)2·4H2O 39.36g，分别加一定量的去离子水溶解，然后将Ca(NO3)2溶液用浓NH3·H2O调pH至11~12（约加入4.2mL），并稀释到300mL；将（NH4）2HPO4溶液用浓NH3·H2O调pH至11~12（约加入125mL），并稀释到533mL。两种溶液最终pH值应不小于11，且没有沉淀产生。
将装有(NH4)2HPO4溶液的烧杯置于搅拌器上，Ca(NO3)2溶液装入滴液漏斗，固定在铁架台上。调节Ca(NO3)2溶液的滴加速度（约2~3滴/s，呈连续点滴状），同时不断搅拌，反应2~3h。
吸取10mL悬浊液移入小药瓶中（分组进行，如1～5组反应30min取样，6-10组1h，11-15
组3h等），采用显微镜或粒度分析仪分析沉淀粒度大小和分布（该部分用于医学物理实验）。
反应产物放置陈化24h，去掉上清液后用去离子水洗涤、离心，重复操作直至上清液呈中性为止。
将洗净的反应沉淀物转入坩埚，放入80ºC烘箱中干燥，得到疏松块样，然后放入马弗炉中于800ºC下保温3h，冷却后粉碎，过200目筛装瓶备用，所得产物即为羟基磷灰石陶瓷原粉。
2. 羟基磷灰石陶瓷原粉的钙、磷含量化学分析
2.1 实验原理
羟基磷灰石陶瓷原粉的钙、磷含量，直接影响陶瓷材料的力学性能以及生物相容性。理论上，所得到的羟基磷灰石原粉的钙、磷摩尔比应为1.67，而事实上，由于杂质、非化学计量比化合物和晶体缺陷等因素的存在，导致其化学比偏离此数值。因此需通过元素分析来确定所得产物的钙、磷含量，以判断所得到物质的化学组成。本实验所采用的钙、磷元素
定量分析手段为化学分析，其中磷含量的测定采用重量分析法，钙含量的测定采用络合滴定法。
2.1.1 磷钼酸喹啉重量法测定羟基磷灰石的磷含量
采用强酸将原粉试样中的磷酸根转化为磷酸，磷酸和喹钼柠酮试剂生成黄色磷钼酸喹啉沉淀（分子量为2212.74），沉淀产物经干燥后准确称重，由所得重量计算出P2O5的含量。沉淀反应的方程式为：
Ca5(PO4)3(OH) +10HCl = 5CaCl2 + 3H3PO4 +H2O
H3PO4 + 3C9H7N +12Na2MoO4 +24HNO3 = (C9H7N)3·H3PO4·12MoO3↓+24NaNO3 +12H2O
2.1.2 络合滴定法测定羟基磷灰石的钙含量
在碱性条件下，采用K-B指示剂，用EDTA与钙络合滴定的方法确定钙离子浓度。
2.2 试剂和仪器
2.2.1磷钼酸喹啉重量法测定羟基磷灰石的磷含量
试剂：1：1盐酸溶液（1体积浓盐酸加1体积水），1：1硝酸溶液，钼酸钠，喹啉，柠檬酸，去离子水
仪器：100mL和300mL烧杯，250mL容量瓶，10mL或25mL移液管，50mL或100mL量筒，表面皿，玻棒，坩锅，电子天平，烘箱，电炉，干燥器
2.2.2 络合滴定法测定羟基磷灰石的钙含量
试剂：
1）EDTA溶液（0.03M），称取6g乙二胺四乙酸二钠盐于250mL烧杯中，用水溶解后稀释至500mL，如溶液需保存，则储存于乙烯塑料瓶中。
2）NH3-NH4Cl缓冲液，pH=10，称取67g氯化铵，溶于少量水中，加500mL浓氨水，用试纸检查，再用浓氨水或盐酸调节至pH值为10，用水稀释至1L。
3）K-B指示剂：称取0.2g酸性铬蓝K和0.4g萘酚绿B，于小烧杯中，加水溶解后稀释至100
mL。
4）CaCO3基准物：将基准CaCO3置于120ºC烘箱中干燥2h，稍冷后置于干燥器中，冷却至室温备用。
2.3 实验步骤
2.3.1 羟基磷灰石试样溶液的配制
准确称取1.5g羟基磷灰石陶瓷原粉样品，在烧杯中以1：1盐酸溶液溶解，移至250mL容量瓶中，稀释至刻度。
2.3.2磷钼酸喹啉重量法测定羟基磷灰石的磷含量
1）喹钼柠酮试剂（1000mL）配制
溶解70g钼酸钠于150mL水中，得到溶液A；溶解60g柠檬酸于85mL硝酸/150mL水的混合液中，冷却，得到溶液B；在不断搅拌下，缓缓把A加到B中，得到溶液C；溶解5mL喹啉于35mL硝酸/100mL水的混合液中，得到溶液D；将D慢慢倒入溶液C中，混合后放置24h，
过滤，加280mL丙酮, 用水稀释至1000mL，摇匀，储存于聚乙烯瓶中。
2）磷钼酸喹啉沉淀反应
用移液管从装有羟基磷灰石试样溶液的容量瓶中吸取10mL溶液于300mL烧杯中，加入10mL 1：1硝酸溶液，加80mL水，盖上表面皿，加热至近沸。
加入50mL喹钼柠酮试剂，继续加热煮沸1min，然后冷却至室温。先将上层清液滤完，然后用倾泻法以水洗沉淀2次（浮在水面上的黄色膜引起的质量误差很小，可忽略不计），每次约25mL，将沉淀移入预先干燥至恒重并准确称重的坩埚中，继续以水洗涤，约140mL水，将坩埚连同沉淀放入烘箱中，于180ºC烘45min，取出放入干燥器中，冷却至室温，准确称重。
2.3.3 络合滴定法测定羟基磷灰石的钙含量
1）EDTA溶液的标定
称取基准CaCO30.35-0.4g，于250mL烧杯中，先用少量水润湿，盖上表面皿，缓慢加入1：1盐酸10-20mL，加热溶解，转入250mL容量瓶中，稀释至刻度。
用移液管吸取钙标准液25mL转入锥形瓶中，加入20mL氯化铵缓冲溶液和2-3滴K-B指示剂，用EDTA滴定至溶液由紫红色变为蓝绿色。
2）试样分析
准确吸取25mLEDTA标准液于锥形瓶中，把羟基磷灰石试样溶液加入滴定管内，于锥形瓶中加入10毫升缓冲液和2-3滴指示剂，滴定溶液由蓝绿色变至紫红色。
3. 羟基磷灰石陶瓷的成型与烧结
3.1 试剂和仪器
试剂：羟基磷灰石陶瓷原粉，5% PVA溶液，双氧水，球型树脂
仪器：方形石膏或铝箔模具，塑料薄膜，海绵，砂纸
3.2 实验步骤
本实验分两类成型（任选一类），一是方形（致密和多孔试样，需要样品较多），一是球
形多孔试样（眼球假体）。首先将羟基磷灰石陶瓷原粉加粘结剂剂PVA混合成均匀浆料，PVA溶液约占粉料重量的30%。若想得到多孔陶瓷，则要混入2-3%双氧水或球型树脂进行致孔。
方形试样：将浆料注入方形石膏或铝箔模具中（原坯体测定长、宽，用塑料薄膜为脱模物），室温下晾干8h，然后在马弗炉中于180ºC恒温1h除水分（和双氧水），400ºC恒温2h除粘结剂，然后升温至1100ºC保持4h进行烧结，得到致密或多孔羟基磷灰石陶瓷成品试样。致密试样测定烧结后的长、宽，计算收缩率（即烧结前后尺寸的变化率）。试样经打磨后（先用200目砂纸、然后用600目砂纸打磨抛光），观察表面形态和孔径分布（见医学物理实验），并测试显微硬度。
球形试样：用剪刀将海绵剪成直径约2.5厘米的球状，将浆料灌注在海绵中，烧结工序按方形试样操作，观察试样的孔径大小和孔结构。
思考题：
1. 制备羟基磷灰石时如果原料的钙磷比低于1.67，可能出现什么产物？在羟基磷灰石制备过程中，如果pH值低于10，可能出现什么产物？
2. 测定羟基磷灰石的磷含量和钙含量时，哪些操作和因素会引起测定误差？分析结果的有效数字分别是几位？
3. 什么是烧结？羟基磷灰石的颗粒大小对烧结有什么影响？
实验二 生物玻璃及制品的制备
实验目的：了解生物玻璃的特性和制备方法，掌握熔融、淬火、烧结的概念。
实验原理：生物玻璃根据其降解性可分为两类：一是非降解型生物玻璃，一是降解型生物玻璃。非降解型生物玻璃的代表为Hench教授在1971年研制成功的生物活性玻璃45S5，是一种含有Ca、P元素的高Si玻璃，合成配方如1）所示。生物活性玻璃的生物相容性很好，但由于Si元素的存在，在生物体内无法降解。降解型生物玻璃的代表是偏磷酸钙生物玻璃，为无Si的高P玻璃。降解型生物玻璃保持了生物玻璃的生物活性，同时由于玻璃网络主要由P-O键构成，反应活性增大，容易发生降解。降解型生物玻璃的合成配方如2）～5）所示，其中高含量Ca、P构成生物玻璃的主体网络结构，目的是使玻璃产生生物相容性和可降解性，Al、F和Mg元素的引入是为了提高玻璃的稳定性和力学强度，添加Ti是为了进
一步提高玻璃的生物活性和整体稳定性。本实验选择配方2），并通过生物玻璃粉与陶瓷原粉混合烧结，制备生物玻璃陶瓷制品。
