利用红外漫反射光谱分析研究生物活性玻璃在模拟生理溶

利用红外漫反射光谱分析研究生物活性玻璃在模拟生理溶液中的生物矿化行为陈晓峰王迎军赵娜如华南理工大学材料学院生物材料研究所特种功能材料及其制备新技术教育部重点实验室张梅梅山东轻工业学院材料科学与工程系摘要：本文对傅立叶变换红外漫反射光谱分析(FTIR)技术在生物玻璃的生物活性研究中的应用进行了分析论述，并对生物玻璃在模拟生理溶液（SBF）中反应不同时间其表面碳酸羟基磷灰石（HCA）的形成机理进行了理论探讨。关键词：红外光谱分析模拟生理溶液生物玻璃生物活性碳酸羟基磷灰石Abstract:Inthispaper,applicationofFTIRtechniqueinstudyonbioactivityofbioglasseswasdiscussed.Themechanismofhydroxy-carbonate-apatite(HCA)formationonbioglasssurfacereactedwithSBFsolutionfordifferenttimeswasinvestigatedbyFTIRindetails.Keywords:FTIRanalysis,simulatedbodyfluid,bioglass,bioactivity,hydroxy-carbonate-apatite1．引言红外光谱分析作为测定物质结构和组成的重要手段之一，常应用于材料的结构和性能分析测试，该方法可靠性强、灵敏度高，是一种十分有效的分析手段。红外光谱主要包括红外透射、红外吸收和红外反射三种方式，对无机物而言，这三种方式的特征振动谱带位置大致相同[1]。目前，材料学科中的应用和研究中大多是采用红外吸收光谱分析法。在对医用生物玻璃的研究中，对其生物活性的评价是通过检测生物玻璃表面在模拟生理溶液中反应一定时间后碳酸羟基磷灰石(HCA)的生成速度及生成量来完成的。由于HCA仅在其表面一定厚度内生成，所以用红外吸收光谱对试样进行分析测试则往往反映出材料内部的结构信息，而不是材料表面的。利用红外漫反射光谱则能够快速、准确地反映出生物玻璃表面的化学成分变化和HCA的形成。本文利用模拟生理溶液（SBF）在37C恒温浸泡这一体外实验（invitro）方法结合红外漫反射光谱分析技术对反应不同时间的生物玻璃样品进行研究，考察了生物玻璃在SBF溶液中其表面碳酸羟基磷灰石（HCA）的生成过程和生成机理。2．实验方法2.1生物玻璃的制备将各种原料（化学纯）按配方(mol%)SiO246.1%‘Na2O24.4%.CaO26.9%P2O52.6%称量（以300克玻璃液为基准），混合好后，放入铂金坩锅中，在1400℃左右的高温下保温90分钟，熔化成均匀的玻璃液。将熔化好的玻璃液倒入石墨模具中成型后，迅速移入450℃的箱式电炉中退火。2.2试样在模拟生理溶液中的浸泡及红外漫反射光谱分析将样品用切片机切割成直径10mm厚1mm的试样，两面需用砂轮磨平，然后用丙酮中超声洗涤10分钟，将样品用细尼龙线吊起浸入37℃恒温的SBF溶液中，SBF溶液的体积按以下公式确定：)(1.01cmVSSBFA(1)式中SA为样品的表面积（cm2），VSBF为SBF溶液的体积（cm3）。浸泡不同时间后取出样品，用丙酮冲洗以阻断反应，在烘箱内80℃烘干10分钟，对在模拟生理溶液中浸泡不同时间的生物玻璃样品作傅立叶变换红外漫反射光谱分析（Avatar360，Nicolet公司，美国）。3．结果与讨论3.1浸泡前生物玻璃的红外反射光谱特征图1为在SBF溶液中反应前及反应不同时间的傅立叶变换红外漫反射（FTIR）图谱。图1a原始玻璃的FTIR图谱中波数为1068cm-1的反射峰由高强度的Si_O伸缩振动所致，在932cm-1左右则表现为中等强度的Si-O-Si伸缩振动峰，该峰位置移动主要是由Si-O-Si键角大小的变化决定[2]，并且随SiO44-阴离子聚合度的降低该峰向低波数移动。另外在480cm-1左右是Si-O弯曲振动峰。以上反射峰的出现说明该材料结构内既有桥氧又有非桥氧。表现为短程有序、长程无序的玻璃态特征。从谱带外型看较宽说明其具有非晶态性。由于P2O5含量相对于其它组分较低，加之P-O振动峰处于910－1040cm-1范围，与Si-O伸缩振动峰范围（1000－1100cm-1）有一定重合[3]，所以从图1a反映不出。3.2SBF溶液浸泡后生物玻璃的红外反射光谱特征3.2.1生物玻璃的活性机理生物玻璃在模拟生理溶液（SBF）中其表面发生一系列化学反应，最后在表面形成一层与人体骨骼无机相相似的含碳羟基磷灰石（HCA）。其在SBF中的一系列反应可归纳为以下五步进行[4]。1）玻璃中Na+和Ca2+离子与溶液中H+以及H3O＋迅速交换；Si-O-Na+H++OH－Si-OH+Na++OH－2)Si-O-Si键被溶解打断，在表面形成许多Si－OH团；Si-O-Si+H2OSi-OH+HO-Si3)Si-OH的聚合反应在玻璃表面形成一层富SiO2的多孔的胶体层（即硅胶层）;Si-OH+HO-SiSi-O-Si-+H2O4)Ca2+和PO43+或来源于玻璃体中或来源于溶液中，在富SiO2胶体层上聚集形成含水的CaO-P2O5无定形相层；5)随着CO32-的掺杂及矿化作用，CaO-P2O5无定形相层将转变成含碳的羟基磷灰石（HCA）多晶体。3.2.2SBF溶液浸泡后生物玻璃的红外漫反射光谱分析图1中b、c、d、e分别为生物玻璃在模拟体液中浸泡前和浸泡不同时间后的傅立叶变换红外漫反射图谱（FTIR），可直观准确地将不同阶段的材料表面的结构和组成变化反映出来。由图1b可见，当浸泡达12小时，玻璃表面已发生了一系列离子交换，因H2O攻击Si-O-Si键使其被溶解打断，玻璃表面形成较多Si-OH团，Si-O网络聚合度轻微下降，玻璃表面的Si-O伸缩振动峰（1091cm-1）及Si-O-Si伸缩振动峰（925cm-1）强度均有所减弱。图1c可以看出浸泡16h后在720—840cm-1处出现一弥散的Si-O-Si伸缩振动峰，在530cm-1出现微弱的无定形态P-O弯曲振动峰，说明表面已发生Si-OH聚合反应，CaO-P2O5无定形相已在玻璃表面沉积。1251cm-1处是P=O双键伸缩振动峰。P主要来源于SBF溶液中的PO43-及玻璃组成中P的溶出。图1d可以看出浸泡28h后，在565cm-1和601cm-1分裂成两个P-O弯曲振动反射峰，说明玻璃表面已有羟基磷灰石（HA）晶体出现，随着析晶程度的提高，分子在晶格中规则排列，加强了分子间相互作用，使谱带产生分裂[5]。同时930cm-1附近的Si-O-Si伸缩振动反射峰已基本消失，说明玻璃表面的Si-O-Si键基本被溶解打断，并且随着反应的进行Si-O伸缩振动反射峰逐渐被P-O伸缩振动峰所代替，1086cm-1处的反射峰逐步为1038cm-1和1258cm-1两个尖锐的双峰所代替，它们分别是由P-O伸缩振动和P=O双键伸缩振动所致。此时480cm-1处的Si-O弯曲振动反射峰依然存在，说明玻璃表面还未被HA晶体完全覆盖。从浸泡28h的扫描电镜照片也可看出生物玻璃表面布满了小颗粒状的羟基磷灰石。Wavenumbers(cm-1)图1在SBF溶液中浸泡不同时间后生物玻璃表面的傅立叶变换红外漫反射图谱（FTIR）。图e浸泡36h图谱可看出，HA晶体在玻璃表面生长已很完善，480cm-1处的反射峰完全消失，可以判定生物玻璃表面已被HA晶体完全覆盖。从扫描电镜照片可看出浸泡36h60286910351248einsbf36hrs24%R56560110381258dinsbf28hrs2%R55577810861251cinsbf16hrs5%R4769251091binsbf12hrs5%R4819321068aunreacted5%R10002000cm-1时生物玻璃表面遍布磷灰石层，并达到一定厚度。另外，在869cm-1处可见一弱反射峰，该峰为C—O伸缩振动峰，说明该HA晶体中含碳，因此认为该生物玻璃在SBF溶液中浸泡后所生成的表面反应产物为碳酸羟基磷灰石晶体（HCA）原始玻璃浸泡28小时浸泡36小时图2浸泡前和浸泡不同时间的生物玻璃表面扫描电镜形貌照片4.结论傅立叶变换红外漫反射光谱分析是检测生物玻璃表面活性反应的直观、准确的手段，它可以非常敏感地反映出生物玻璃表面在SBF溶液中的表面化学变化及矿化过程。生物玻璃表面碳酸羟基磷灰石晶体(HCA)的生成是由最初玻璃表面Na＋、Ca2＋离子与SBF溶液中的H＋及H3O＋离子交换开始，最终由含水的无定形CaO-P2O5层通过CO32＋掺杂矿化而成。参考文献：1．周永恒,顾真安.石英玻璃结构的红外反射光谱研究.硅酸盐通报,2002(3)p40~422．钟吉品.生物玻璃的研究与发展.无机材料学报,1995(6)p129~1373．M.Regina,T.Filgueiras,GuyLaTorre,andLarryL.Hench,Solutioneffectsonthesurfacereactionsofthreebioactiveglasscompositions,J.Biomed.Mater.Res.,Vol.27,1485-1493(1993)4．LarryL.Hench,Bioceramics:Fromconcepttoclinic,J.Am.Ceram.Soc.74(7)1487-1510(1991)5．杨南如.无机非金属材料测试方法.武汉:武汉工业大学出版社,1993KuVRjq3maEE9k0meLOnBlLG7e#8*on!1R2%pr+d(lfPVwNz$ZtChBrXYvIqOH6bW2XfcOXEXM78OZH&Wb7xix7bJCZGSooTI$GOgdFqGhmVO2U)EF1!b#+CA$P(HNd7wfs02zpLqA53wkBekVQ6#4NQd5r7iXXh5o18KG(R(GK80n5gWXi7q4cPM3Z5PUjdAjv23zpJox1-rdu5bLF&N#yA)Y9Y-DB&S0MSjeEoCbeLDZFQllPDWzG84ufu47GyVDOklPFYCKdaBnDdiRK-Q%AB)X7W*ywYL!DI83rao(-ulGmw0+sfx9fQLyOA!YrzdwmQRnzgDw&-IXI-&wEhzoSRnxeAsZ$BPzZUls4m9CB6g*h7EGesbAu&0L$P75IRwRH24LXG%Xmr1i3vs&3R0Zkl!3U70yCcrcCy08V3$ml#1S4(tw5cs27GAXGSpqWM(LUnlNARsx)$g+dUXjavblZXg4m-4FA#KYwz)Ya!2HG0Y7U!tpPAPpt!T6Y+FG0Z9X*xuWHXxC1*i1dUVis8tkRTrEnMH7cY5!khV&J%TfhY0T60zEfvgIF8g&d3xy4g)kdLPpEpQMel-h5zz4f(iaHKjxhHC3aW4EbcIySxG97zlCejTN2V-GI5*h(6KJ2Z7TZqlLvJikSJ(MXsrVJ$FMeaAlA9dLE!IUqqVK%$Thk%7!hcNUwOB*%yIoJA(+HUD$Xns4l7Ay1aZa0wx4h+ngQVvLxYVowaujOPlxe&2Dz#K#zD1%g-9PQa+j)5HE*R)HMb4san%*qgAfo$Zh4l(1BvUDQoqXN+OY78P$K-$rw6m8Ax+8W5&pq(8Zc5EIhwhIE6d!9-sr)8Yb2ADcqaAv(3PzLijPFZDMgeGsJkqZU8!5MOb2n2cQP8*dZ*wrRAPnqXP1R$xx!PCZRgk%9&kgS#DWK44JUBXPcfY3Xc8JPsKx#ZtEjFw$*DQzYTm4sbp(-vmHmw0+sfx9fQL1U+HK7+l1cRRa+h&1DzZKZyC0%jCqUUpAhDv%(FTD%Ypw8qeHGak0lcJLjxgFz