羟基磷灰石的制备及其表征实验方案

实验方案课题六纳米羟基磷灰石的制备与表征小组成员段东斑、陆文心、耿明宇1.背意义景羟基磷灰石（Hydroxyapatite，简称HA，化学分子式:(Ca10(PO4)6(OH)2)是人体和动物骨骼的主要无机成份。在人体骨中，HA大约占60%，它是一种长度为20~40nm，厚1.5~3.0nm的针状结晶，其周围规则地排列着骨胶原纤维[36]。齿骨的结构也类似于自然骨，但齿骨中HA的含量高达97%。医学领域长期以来广泛使用的金属和有机高分子等生物医学材料，其成分和自然骨完全不同，用来作为齿骨的代材料(人工骨、人工齿)填补骨缺损材料，其生物相容性和人体适应性尚不令人满意。而羟基磷灰石具有无毒、无刺激性、无致敏性、无致突变性和致癌性，是一种生物相容性材料，可与骨发生化学作用，有很好的骨传导性。因此，近二十年来，研究接近或类似于自然骨成份的无机生物医学材料极其活跃，其中特值得重视的是与骨组织生物相容性最好的HA活性材料的研究、临床应用。近年来，随着人们对纳米领域的认识与关注，医学界也相继开始了对纳米HA粒子(或称超细HA粉)的研究，HA纳米粒子与普通的HA相比具有不同的理化性能：如溶解度较高、表面能较大、生物活性更好、具有抑癌作用等，可以作为药物载体用于疾病的治疗，是一种生物相容性良好的治疗材料。目前，人们已经开发出多种方法来制备纳米HA，如水解法、水热反应法、溶胶一凝胶法及最近发展的微乳液法等，其中化学沉淀法是各种水溶性的化合物经混合、反应生成不溶性的沉淀，然后将沉淀物过滤、洗涤、煅烧处理，得到符合要求的粉体。化学沉淀法因工艺简单、成本低、颗粒小等优点被广泛应用。但是目前对这种方法的研究还处于初级阶段，制备出的纳米粒子粒径不均一，分散性差且有易团聚的现象。为此，我们希望对化学沉淀法制备HA纳米粒子的条件的进行深入研究，分析各种因素对纳米HA晶型与粒径的影响，为HA的工业化生产提供依据。2.1实验基本原理目前报道，常用的制备羟基磷灰石粉体的钙的反应物有Ca(NO3)2、Ca(OH)2、CaCl2、CaO、Ca(OC2H5)2等，常用的磷的反应物有(NH4)2HPO4、H3PO4、K2HPO4、Na2HP04和((CH3O)3PO)等。以硝酸钙和磷酸氢二氨为例，反应方程式为：Ca(N03)2·4H20+6(NH4)2HP04+8NH3·H20=Ca10(P04)6(OH)2+20NH4N03+6H20以氢氧化钙和磷酸盐为例，反应方程式为：10Ca(OH)2+6H3P04=Ca10(PO4)6(OH)2+18H20不同反应物合成HA的方法有一定差异，但总体而言，化学沉淀法的实质是羟基磷灰石的溶解平衡的逆反应，即10Ca2++6PO43-+2OH-=Ca10(PO4)6(OH)2Ksp=2.34*10-592.2实验条件的选择与调控。影响化学沉淀法的工艺参数主要有：Ca/P摩尔比、pH值、磷酸的加入速度、反应温度、分散剂的种类、沉淀的干燥方式、干燥温度和烧结温度等。从相关文献中可以得到初步的条件范围。(1)Ca/P摩尔比对粉体制备的影响一般认为当Ca/P=1.6时，反应产物为纯羟基磷灰石。当Ca/P摩尔比在1.5~1.67范围内，产物为HA+β-TCP。当Ca/P摩尔比在1.68-1.7范围内时，合成的是HA当Ca／P摩尔比≥1.7时，产物为HA+CaO。(2)pH值的影响磷酸根在溶液中的水解与溶液的pH值有关。在不同的pH值下水解的程度不同，产物就不同。因此，pH值是羟基磷灰石的合成的一个重要影响因素。pH影响磷酸根在溶液中的存在形式,也影响HA的溶解度,因此对合成过程中离子的过饱和度产生影响,影响成核速度和晶体的定向排列速度的相对大小,最终影响产品的n(Ca)/n(P)和晶体的完整性。另外，HA生成经历由磷酸八钙（Ca8H2(PO4)6·5H2O）→非晶态磷酸钙（Ca8(PO4)2·XH2O）→缺钙磷灰〔Ca10-Z(HPO4)Z(PO4)6-Z(OH)2-Z·XH2O→羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2·XH2O)的复杂的相转变过程，从上述几种物质的组成分析，pH增加，即OH-浓度增加，有利于转变生成n(Ca)/n(P)接近1.67的HA。（3）反应物浓度的影响(4)磷酸加入速度的影响在用Ca(OH)2和H3PO4制备羟基磷灰石时，磷酸加入速度对产物的影响很大。加入速度太快时，容易生成缺钙羟基磷灰石沉淀，这种缺钙羟基磷灰石在煅烧时容易出现β-TCP相。当加入磷酸速度过快如当V（add）=2400ml/min时，最后的产品中出现Ca(OH)2。此外，磷酸加入速度还影响颗粒的表面积，加入速度越快其表面积越小。（5）搅拌速度的影响在磷酸加入速度相同的条件下，溶液的搅拌速度将影响产物的颗粒大小和结晶形态。(6)反应温度对晶体形貌的影响温度升高影响HA的Ksp值的大小,影响成核时的过饱和度、成核速度及其与粒子定向排列速度的比值,因而影响晶体的尺寸和结晶度。在40～70℃HA的晶体形貌变化较，70℃较好。而且研究表明研究发现反应温度要高于室温25℃，但高于60℃会出现杂质。ChandrasekharKotHAalli等研究发现：70℃时产生CaO杂质100℃时分解成Ca3(PO4)2、Ca3P2O8和CaO。Liu人研究表明15℃合成的HA为非晶体，而60℃时可合成出针状晶体。（7）表面活性剂对沉淀的影响由于纳米粒子比表面积很大．具有小尺寸效应、表面效应，表面活性很高．热力学不稳定，易发生团聚，致使很难制备一定晶态、分散性和稳定性好的纳米HA，由此也限制了其工业应用。纳米粒子的稳定性是纳米HA制备和应用的关键．添加适宜的表面活性剂是解决纳米微粒团聚及控制晶形和尺寸的有效手段。相关文献表明，PEG-400是制备HA的最佳分散剂(8)加料时间对晶体表面形态的影响在不同加料速度下，形成晶体时的过饱和度不同，成核和晶体生长速度的相对大小不同。直接混合后局部过饱和度很大，HA成核速度大于其生长速度，因而形成了非晶体；而在缓慢加料条件下，晶体生长速度大于成核速度，二者速度有好的协调性，形成了较好的晶体，其晶体分布基本均匀，在没有添加分散剂、稳定剂的条件下颗粒分散性较好，颗粒均匀性较之以往的研究有所改善。其主要原因是，在纳米HA晶体表面分布着构晶离子Ca2+，而NH3分子中有一对孤电子对，整个分子呈不规则的四面体或锥形结构，该结构与HA构晶离子PO43-(正四面体)空间结构是匹配的，因此，可优先于NO3-(三角形平面结构)离子吸附于HA晶体表面，与Ca2+形成静电作用和较弱的配位键,在其表面形成NH3吸附层，阻碍了合成过程中晶体的聚集而呈现出好的分散性。（9）陈化时间，陈化温度，陈化pH的影响加料完毕后，一般要陈化2-24小时，陈化条件的选择将对产物颗粒大小，形态等产生重要影响。(10)洗涤沉淀的洗涤剂的种类，温度的影响(11)烧结温度的影响烧结温度对性能影响很大。烧结温度低，晶化程度差；烧结温度高，晶化程度高。门智新等研究发现，当烧结温度为700℃、800℃、900℃时均能合成纯HA，但随着烧结温度的升高，粉末峰数相同，但强度逐渐增大，峰形更尖锐，与标准值对应越好，合成的HA粉体的晶形越好，结晶趋于完整。同时,随烧结温度升高，衍射峰宽度明显减小。一般认为，羟基磷灰石的最大烧结温度为1350℃，当温度超过1300℃时，羟基磷灰石分解为磷酸钙、磷酸四钙和水。反应如下：Ca10(PO4)6(OH)2→2Ca3(PO4)2+Ca4(PO4)2+H2O实验过程中将选取2-4个影响因素作为变量来控制反应条件。并对不同条件下合成的羟基磷灰石的产量、质量形态等参数进行分析，得到最佳合成条件。3.1实验具体方案1.合成部分1．1原料与仪器原料：四水硝酸钙、磷酸氢二氨、盐酸、浓氨水(质量分数25％～28％)，无水乙醇(分析纯)、乙醇胺、聚合度为400的聚乙二醇(PEG-400)、去离子水。实验的用量预实验后确定。仪器：移液管、吸量管、恒温水浴锅、电炉、温度计、分析天平、酸度计、布氏漏斗、烘箱、马弗炉、实验步骤：1.2预实验配制250.00ml0.5mol／L的四水硝酸钙和磷酸氢二铵水溶液（也有用无水乙醇溶解硝酸钙溶液的）．按钙、磷物质的量比为1：1.67量取相应体积的溶液，将两种溶液放在50度的恒温水浴锅中，开始用pH计测定硝酸钙溶液的pH值，用氨水调节硝酸钙溶液的pH至10.5在温度稳定后，将磷酸氢二铵溶液匀速滴加到盛有四水硝酸钙溶液的反应器中,并用磁子搅拌均匀。在滴加过程中，用氨水调节反应系统pH稳定在10.5，,强力搅拌反应1h使沉淀完全。添加适量表面活性剂溶液(质量分数为1％).在25℃下陈化处理24h。(表面活性剂的滴加顺序在不同文献的介绍中有所差异，有的是溶液混合前就滴加，有的是混合且沉淀完全后滴加)陈化完毕后，倾去上层清液，用蒸馏水和无水乙醇洗涤沉淀，直至洗涤液为中性,用真空泵抽滤．无水乙醇洗涤沉淀；将滤饼放入烘箱中干燥(100℃、2h),干燥后用玛瑙研钵研磨。最后放入马弗炉中煅烧(650℃、2h)后得到产物。1.3条件控制预实验完成后，开始改变合成条件（每个人探究一种条件），得到不同条件下的合成情况。合成条件的研究根据初次实验进行修改，拿出实验方案后开始实验。2.产品的表征1．用KMnO4法滴定CaC2O4测定产品中Ca的含量。2.用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP）测定钙磷的比例。3.对产物的组成、结晶度等进行x射线衍射（XRD）分析测定晶相。4.傅立叶红外光谱仪测定纳米HA的FT-IR图谱。5.用扫描电子显微镜测定纳米HA的尺寸和形态。6.用热重分析仪分析纳米HA的热稳定性及热效应。小组成员通过查阅资料学习仪器分析的相关内容。4.实验分工预实验3人分别做，实验完毕交换实验心得，探讨实验条件的控制，更改实验方案。每个人选择1-2个实验条件分析，独自完成实验，若实验存在困难，探讨后解决。得到最佳合成条件，3人共同完成产品的表征。