（材料学专业论文）核壳型锶钙羟基磷灰石纳米粉体的制备研究.pdf

中文摘要 本文分别采用水解法和沉淀法对核壳结构锶钙羟基磷灰石纳米粉体的制备 进行可行性研究，通过x 射线衍射( x r d ) 、环境扫描电镜( e s e m ) 、场发射透 射电镜( f t e m ) 、热分析( t g d s c ) 、激光粒度分析等检测手段研究了不同制 备工艺对钙羟基磷灰石和p s r 3 ( p 0 4 ) 2 的组成、颗粒形貌、粒度分布的影响，利用 能谱线分析( e d x ) 和电感耦合等离子原子发射光谱( i c p 0 e s ) 对核壳结构产 物进行表征。 以c a 州0 3 ) 2 4 h 2 0 和州地) 2 h p 0 4 为反应物通过化学沉淀法制备钙羟基磷灰 石纳米粉体。初始浓度分别为0 2 5m o l l 和0 1 5m o l l 时，粒径小，体系稳定性 好。随反应温度升高，c a h a 晶体粒径增大，形貌不变。 以s rm 0 3 ) 2 和州池) 2 h p 0 4 为反应物通过化学沉淀法制得缺锶羟基磷灰石悬 浮液，在7 0 0 下煅烧2 h 后得到p s r 3 ( p 0 4 ) 2 粉体。p h 值和反应温度是影响产物 组成的主要因素，实验证明，p h = 7 ，t = 4 5 时，陈化1 0 h 后得到n s n p = 1 5 的 无定形磷酸锶，当p h = 8 时转化速率过快，而p h = 6 时均化速率过慢，所需陈化 时间长。 通过在c a h a 悬浮液中预先加入浓度极低的州h 4 ) 2 h p 0 4 ，再缓慢滴加 s r 洲0 3 ) 2 的工艺，成功制得长5 0 1 0 0 n m ，直径约6 n m 的核壳结构针状羟基磷 灰石纳米粉体，并通过线分析检测出在c a h a 表面生成了约1 n m 厚的锶羟基磷灰 石壳层。而水解法制备核壳结构羟基磷灰石纳米粉体时，由于b s r 3 ( p 0 4 ) 2 颗粒较 大，未完全溶解时，小尺寸的钙羟基磷灰石溶解出的钙离子已固溶到磷酸锶晶体 中，生成了d t c p 相的固溶体。 关键词：纳米羟基磷灰石核壳结构磷酸锶化学沉淀法水解法 a b s t r a c t c o r e s h e l ln a n o s i z e ds t r o n t i u m c a l c i u mh y d r o x y a p a t i t ep o w d e rw a sp r e p a r e db y c h e m i c a lp r e c i p i t a t i o nm e t h o d t h ep a r t i c l em o 叩h o l o g y ，p h a s ec o m p o s i t i o na n dt h e g r a n u l a r i t yd i s t r i b u t i o no fc a h aa n dp - s r 3 ( p 0 4 ) 2p r e p a r e dw i t hd i f e r e n tp r o c e s sw e r e s t u d i e db ym e a n so fe n v i r o n m e n t a is c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c 叩e ( e s e m ) ，6 e l d e m i s s i o nt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( f t e m ) ，t h e n n o g r a v i m e t r i c ( t g ) a n d d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) ，x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n dl a s e rp a r t i c l e s i z ea n a l y s i s t h ec o r e s h e l ls t r u c t u r ew a sc h a r a c t e r i z e db yl i n ea n a l y s i su s i n ge n e r g y d i s p e r s i v ex - r a yf l u o r e s c e n c es p e c t l o m e t e r ( e d x ) a n di n d u c t i v e l y c o u p l e dp l a s m a a t o m i ce m i s s i o ns p e c t r o m e t e r ( i c p 0 e s ) c a h aw e r es y n t h e s i z e df r o mt h ec a j c i u mn i t r a t eh y d r a t e da n dd i a m m o n i u m h y d r o g e np h o s p h a t eb yc h e m i c a lp r e c i p i t a t i o nm e t h o d t h er - e s u l t ss h o w e dt h a tt h e o b t a i n e dc a h ag r a i nh a das m a j ls i z ea n dg o o dd i s p e r s i b i l i t yf r o mt h ei n i t i a l c o n c e n t n l t i o no f0 2 5 m 0 1 la n d0 15 m o l lr e s p e c t i v e l y p a r t i c l es i z eo fc a h a n a n o c 拶s t a l l i n eg r a d u a l 】yi n c r e a s e db u tm o 甲h o j o g yu n c h a n g e dw h e nt e m p e r a t u r e i n c r e a s e df r o m3 7t o7 0 p - s r 3 ( p 0 4 ) 2p o w d e r sw e r eo b t a i n e df r o ms t r o n t i u m - d e n c i e n th y d r o x y a p a t i t ea f 沱r c a l c i n e da t7 0 0 f o r2 h ，w h i c hw e r ep r e p a r e db yc h e m i c a lp r e c i p i t a t i o nm e t h o dw i t h s r 州0 3 ) 2a n d ( n 出) 2 h p 0 4u s e da st h er e a c t a n t s t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a tp hv a l u e a n dt h et e m p e r a t u r eo fs y n t h e s i sh a d 粕 i m p o r t a n ti n n u e n c eo nt h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n w h e nt h ep hv a l u ew a sa d j u s t e d t o7a n dr e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s m a i n t a i n e da t4 5 ，t h ea m o r p h o u ss t r o n t i u mp h o s p h a t ea tt h em o l a rr a t i os r p = 1 5 w a sa t t a i n e da f t e ra g i n gf o r1o h t h ec o n v e r s i o nr a t ei n c r e a s e dq u i c k l yw i t ht h ep h v a l u ei n c r e a s e dt o8 w h e nt h ep hv a l u ed e c r e a s e dt o6 ，t h ec o n v e r s i o nr a t ew a st o o s l o wa n dn e e d e dal o n ga g i n gt i m e c o r e s h e l jn e e d l e l i k eh y d r o x y a p a t i t en a n o p a r t i c l e sw i t hal e n 班ho f5 0 l0 0 n m a n dad i a m e t e ro f6 n mw e r ep r e p a r e db yp r e c i p i t a t i o nm e t h o df r o mt h ea d d i t j o no f s r 洲0 3 ) 2s o l u t i o ni n t oar e a c t o rc o n t a i n i n gal o wc o n c e n t r a t i o no f 州h 4 ) 2 h p 0 4w h i c h w a sa d d e di n t ot h ec a h as u s p e n d i n gl i q u i di na d v a n c e ，a n da b o u t1n mt h i c ko f s t r o n t i u mh y d r o x y 印a t i t ed e p o s i t e do nt h es u r f a c eo fc a h an a n o p a r t i c l e sw a s d e t e c t e db ye d xa n a l y s i s w h e np s r 3 ( p 0 4 ) 2a d d e di n t ot h ec a h as u s p e n d i n gl i q u i d ， p t c pp h a s es o l i ds o l u t i o nw a so b t a i n e d b e c a u s ep a r t i c l es i z eo fp - s r 3 ( p 0 4 ) 2w a s l a r g e ，c a 2 + i ns m a l 】c a h as i z er e p l a c e dt h es r 2 + i nt h es t r o n t i u mp h o s p h a t eb e f o r et h e p - s r 3 ( p 0 4 ) 2p a r t i c l eh a dn o tb e e nc o m p l e t e l yd i s s o l v e d 1 ( e yw o r d s ：n a n o s i z e dh y d r o x y a p a t i t e ，c o r e s h e l ls t r u c t u r e ，d s r 3 ( p 0 4 ) 2 ， c h e m i c a lp r e c i p i t a t i o n ，h y d r o l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲甍劾芦签字吼占年6 月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：袭枣酯导师签名：彳为膨妒 签字日期j 鲫艿年月夕日 签字日期：知留年6 月9 日 天津大学硕士学位论文 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 随着人类文明的进步和经济的发展，人们生活水平和生活质量日渐提高，对 自身的健康也日渐重视。目前老年人中的种常见病、多发病之一就是骨质疏松 症。有资料统计，4 5 岁以上的妇女，近三分之一患有轻重不同的骨质疏松，而7 5 岁以上的妇女，骨质疏松症的患病率高达9 0 以上。因此，预防和治疗骨质疏松 受到越来越多的关注。 骨质疏松以骨密度下降、骨组织显微结构退化为特征，骨的强度和完整，取 决于来自造血组织的破骨细胞对骨的吸收及来自骨髓基质的成骨细胞对骨的重 建之间的平衡，随着年龄老化或由于疾病的原因，骨吸收超过了骨形成，出现骨 量丢失，从而导致骨的脆性增加，骨折危险性增大且难于修复，同时带来疼痛并 可能引起骨骼变形及其它一些健康问题。而骨量丢失不仅是指主要矿物成分钙、 磷的丢失，还包括锶、锰、铁、铬、钼、铜、锌、硒等人体必需的微量元素的降 低。当前大多数治疗骨质疏松症的药物都是通过减少破骨细胞的生产或减少破 骨细胞活性，抑制骨吸收来实现的，如：雌激素类、降钙素和二膦酸盐等；另一 种药物是刺激成骨细胞活性的骨形成促进剂，如氟化物、生长激素、胰岛素样生 长子及甲状旁腺激素掣2 | 。但与单独使用骨吸收抑制剂或骨形成促进剂相比，同 时具备两种药性的药物具有明显的优势。 近年来，运用低剂量的锶治疗骨质疏松的研究引起广泛的兴趣。锶( s t r o n t i u m ) 是一种与钙同族的碱土金属元素，在元素周期表中位于钙的下方相邻位置。锶广 泛存在于自然中，地壳中含量为4 5 0 m g k ，天然羟基磷灰石层岩中为2 3g k ， 海洋中为8m g l ，河流和地下水中为0 0 2 1 o 3 7 5m l ，食物中为0 3 5 1 m g k u j 。锶与钙的元素性质相近，都属亲骨性元素，并具有很多相似的生物学 特点，锶能通过钙通道进入细胞，在细胞内与有关的钙结合位点结合，从而影响 细胞内和骨矿化过程中钙介导的生化过程，在骨矿代谢的多个环节产生影响。研 究人员从锶盐对骨细胞的作用机制和药理学作用，对试验动物和绝经后妇女骨量 的影响等方面做了大量研究，实验证明：锶对骨骼的作用与剂量大小密切相关， 高剂量的锶会使骨矿代谢发生异常，导致类骨质增加，骨矿化减少，影响骨骼的 结构与强度；低剂量锶( 3 4 2 5 5m g k g ) 对骨骼有益，能增强前成骨细胞的复 第一章绪论 制，增加成骨细胞的数量，刺激骨形成，同时还能降低破骨细胞的活性，减少破 骨细胞的数量，降低骨吸收的速率，改善骨骼的机械强度，但不影响骨骼的矿化 和骨结构( 4 j o 目前，一种叫s t r o n t i u mr a n e l a t e ( 雷尼酸锶) 的药物在欧洲已用于骨 质疏松症的治疗，其结构式如图1 1 ，它与其它临床使用药物相比，主要优势在 于锶的存在使其对骨骼具有双重作用机制，即抑制骨吸收和促进骨生长，从而使 骨骼代谢达到最佳平衡，且用药方便，安全性高。 在充分利用锶盐作用的前提下，为进一步提高骨矿化，本课题提出制备核壳 结构型纳米材料，使先释放出的锶在增加了成骨细胞的数量后，及时得到钙的补 充，促进骨形成。并选择与生物磷灰石结构组成相近的羟基磷灰石为钙、锶盐， 使药物具有优良的生物相容性和生物活性。 舻二) j 舻 、- 一0 一 图1 1 雷尼酸锶的结构式 f i g 川s 仃u c t u r eo fs 仃o n t i 哪r a n e l a t e 1 2 羟基磷灰石的研究现状 1 2 1 羟基磷灰石的性质及结构 羟基磷灰石与自然骨中的主要无机矿物成分一骨磷灰石组成相似，详见表 1 1 i5 | 。它含有人体组织所必需的钙、磷元素，其常见化学式为c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ( h y d r o x y a p a t i t e ) ，简称h a 或h a p 。早在1 8 7 1 年，w a r o n e t o n 就制得h a i6 l ，但由 于技术方面的限制，直到2 0 世纪7 0 年代，才有羟基磷灰石被成功研制并扩大到临 床应用的报道【7 j 。 羟基磷灰石晶体为六方晶系，属l 6 p c 对称型和p 6 3 m 空间群，其结构为六角 柱体，与c 轴垂直的面是一个六边形，a 、b 轴的夹角为1 2 0 度，晶胞参数为a = b = o 9 4 2 2 n m ，c = 0 6 8 8 0 n m 。羟基磷灰石的结构比较复杂，由图1 2 和1 3 例可见，羟 基磷灰石结构中存在着两种钙离子位置c a ( i ) 和c a ( i i ) ，4 个钙离子占据c a ( i ) 位置， 即z = 0 和z = 1 2 位置各2 个，该位置处于6 个o 组成的c a o 八面体的中心，连接的结 果是在整个晶体的结构中形成了平行于c 轴的较大通道，其中的离子易被其他离 子替换，因此骨磷灰石中常含有少量的碳酸根、氟、钠、镁等离子，6 个钙离子 天津大学硕士学位论文 占据c a ( 1 1 ) 位置，即z = 1 4 和z = 3 4 位置各有3 个，该位置处于3 个o 组成的三配位体 中心，6 个p 0 4 四配位体分别位于z = 1 4 和z = 3 4 的平面上，o h 位于晶胞的4 个角 上，与其上下两层的6 个钙离子组成配位八面体。由于h a 晶体最外层结构中存在 大量氧原子和羟基官能团，表面结构复杂，导致晶粒比表面能高，具有较高的化 学活性。 表1 1 人齿、人骨和羟基磷灰石陶瓷的组成、晶胞参数及力学性能 t a b l e1 1c o m p o s i t i o na n dp r o p e r t i e so fb i o l o g j c a la p a t i t e sa n dh y d r o x y a p a t i t e e n 锄d丑m eh a c 洲触橱位眇f j j c i l c i u n 。c 矗】+ p h o 础瞳皿p ( c 岫m d 缸 s od i u m n f p a t 瞄蛐，k + m a 弘e m 姐。m ? + ca r b 叽t ec o ，1 f 1 u c f i d 鼻f c m a r i d e c 1 - a 出( 切t 面i n 叫g 缸c ) t a 僦a f 孕m c a b 加f b e dh 2 0 c 。秒5 f d j o f 印h f j 第四碧r f 扭5 l 咖c ep 缸帆e t 百寸二0 口0 弘) a - x i 昌 c d z i | c l y i b i l l 吐姆j f l d 暖 c i y 砷1 1 l l t ed z e ，a p r 础心缸咖r 胁妇r t 馏伊 胁f 栅口厦p r 叼蟹r 打舒 e 1 a 出cm o 叫u l ( 加m p i ) t e n 妯e 出e n 曰- h ( m pa ) 3 6 0 1 7 7 1 6 2 口5 0 0 8 0 4 4 3 2 0 0 1 0 3 0 9 7 0 1 d 1 j 9 4 4 1 6 8 s 2 7 0 7 5 1 3 口0 x 3 d da 0 0 1 4 7 0 2 4 5 1 1 5 1 6 5 o 7 0 口3 0 j 5 5 8 0 口2 0 1 0 6 5 口 2 5 0 9 7 9 4 1 9 6 8 8 0 3 3 3 7 2 5 0 x 2 5 5 口a 3 9 6 1 宕5 1 6 7 乜 仃 仃 1 0 0 9 4 2 2 6 s 8 0 1 0 0 h a j o h a 0 0 2 0 1 如o 0 口1 1 d 0 3 第一章绪论 h a 理论密度大，为31 5 6 9 止m 3 ，折射率为】“l6 5 ，莫氏硬度5 ，微溶于 水，呈弱碱性( p h = 7 9 ) ，易溶于酸而难溶于碱。离子交换能力强，c a 2 + 很容易 被c d ”，h g ”等有害金属离子和s ，4 ，b a “，p b 2 _ 等重金属离子置换。o h 。也常 被nc i _ 置换，并且置换速度非常快。还可以与含羟基( c o o h ) 的氨基酸、蛋 白质、有机酸等反应因此可用于氨基酸、蛋白质的分离和提纯。 篙w m m m n 孓n m “ 图i2 羟基磷灰石的晶体结构 f l2 c 口s l a i 啪d f h y o 。y 印m n e 蘧 套巍：，j 矗 0 鎏篷撰 ：卜。秘；i 芦一 珥。趔in 图13 沿c 轴投影到基面上的原子摔列图 f 1 9 【3 u c t r h y d r “y 3 p a l l ”p r o j e c t e dd o l t h 1 so n l o t h eb a s a 】p l a n e - 4 熬繇渣 天津大学硕士学位论文 1 2 2 纳米羟基磷灰石的应用 羟基磷灰石是一种多用途的无机材料，纳米羟基磷灰石更由于其小尺寸效 应，表面效应等特殊性能而被广泛用于多个领域，除在生物医学领域具有重大的 应用价值外，在口腔保健、药物载体、分离纯化、工业催化等领域也存在巨大的 应用潜力。 1 ) 生物材料 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，对羟基磷灰石的研究又成为生物材料研究领域 的一个热点。生物磷灰石是脊椎动物的骨和齿的主要成分，人体骨中的质量分数 约占6 0 左右，人牙齿的珐琅质表面约占9 5 以上。人体骨主要由有机的骨基 质结构与无机的骨盐框架结构组成，无机结构的基本单元是针状和柱状的磷灰石 晶体，长约4 0 6 0 n m ，宽约2 0 n m ，厚约3 5 n m 。人工合成的羟基磷灰石与骨 磷灰石组成类似，具有良好的生物相容性和生物活性，所谓生物相容性是指与血 液接触不产生凝血，在软组织和骨骼中仅有轻微的组织反应。所谓生物活性是指 材料的组成中含有能通过人体正常的新陈代谢途径进行置换的钙、磷等元素，或 含有能与人体组织发生键合的羟基等基团，它们的表面同人体组织可通过键的结 合达到完全的亲和，部分或全部被人体组织吸收和取代。临床研究证实，人工合 成的羟基磷灰石材料无毒、无刺激，植入体内无任何不良反应，与机体组织有较 强的亲和力，能诱导周围骨组织的生长，与骨形成牢固的化学结合，是临床用于 硬组织修复和替代较为理想的生物材料。但羟基磷灰石生物陶瓷脆性大、韧性不 足及力学性能差，使它在承重骨的应用方面受到限制，一般只用于制作骨填充材 料、人造齿根、人造颌骨、人造鼻软骨、人工中耳通气管、眼窝移植物等负重小 的材料9 1 。 为改善h a 材料的力学性能，加快骨诱导作用和生物降解性，采用离子置换 法或无机、有机材料掺杂、复合等方法，对羟基磷灰石的物理机械性能以及表面、 整体生物活性进行改进，研制更适合于临床应用的骨修复生物材料。 由于锶具有促进骨形成和降低骨吸收的作用，已成为羟基磷灰石中最常见的 钙位替换元素之一，用锶掺杂于羟基磷灰石结构中可形成置换式固溶体，其分子 结构式可写成c a l o 。s r x ( p 0 4 ) 6 ( 0 h ) 2 ，x 1 0 。由于锶和钙之间原子半径和性质的 差异，锶的掺入会使羟基磷灰石原有晶格发生畸变，从而使材料的结晶性降低， 溶解性及生物降解性增大，且机械性能提高【l 们。 除置换法形成固溶体外，还包括以下几种材料： 金属一h a 生物复合材料j 某些金属及合金强度高、韧性好，且具有优良的加工性能和一定的组织相容 第一章绪论 性，长期以来一直被用作骨骼植入和修复的主要材料之一，但金属材料植入人体 后，长期在体液环境中会导致金属的表面腐蚀，甚至使金属离子游离出来进入肌 体组织，产生肌体组织变质。因此，通过等离子喷涂，磁控溅射，浸渍涂布，静 电喷涂等在金属表面复合h a 涂层可弥补各自的不足，形成既有一定强度，又有 表面生物相容性和生物话性的复合材料。目前使用的金属合金主要是钛和钛合 金。 除了涂层材料还有共混复合材料，即在羟基磷灰石机体中加入定量的金属 颗粒或纤维，来弥补脆性大的不足。己报道的金属增强体有t i 颗粒、a g 颗粒、 f e c r 合金纤维、不锈钢纤维、6 0 l 铬镍铁合金纤维等。尤其是a g 颗粒增强体， 除了韧化作用外，还有抗菌效果，以及惰性、抗氧化、抗腐蚀等特性。 无机物一h a 生物复合材料【1 2 j 与h a 生物活性陶瓷复合的无机材料包括生物惰性陶瓷、无机碳纤维、生物 玻璃等，一定程度上可提高其强度和韧性，而不影响其生物活性。己报道的生物 惰性增强体有s i 3 n 4 晶须、a 12 0 3 晶须、s i c 纤维、z 由2 颗粒、t i 0 2 颗粒等，生 物活性玻璃有c a o p 2 0 5 基生物玻璃，但生物玻璃的加入通常会促进h a 的分解 并形成t c p 。 高分子聚合物一h a 生物复合材料1 1 3 。1 4 j 根据复合的基体材料不同，可大致分为以高分子聚合物为基体的羟基磷灰石 增强复合材料和以多孔羟基磷灰石为基体的有机增韧复合材料。对于以高分子聚 合物为基体的h a 增强复合材料，主要是将h a 引入有机生物材料中，利用h a 的 高弹性模量增加复合材料的刚性及赋予材料生物活性，并作为强度增强因素存 在。在这类材料中，目前研究开展较多的是h a 非降解高分子复合材料、h a 脂 肪族聚酯及h a 骨胶原复合材料。人体内常用的非降解高分子材料有聚乙烯 ( p e ) 、聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 、聚氨酯、涤纶等，它们都具有较好的 生物相容性。脂肪族聚酯包括聚乳酸( p l a ) 、聚乙醇酸、聚己内酯、聚酸酐以及 它们之间的共聚物等。其中，聚乳酸无毒无害，与人体相容性好，在体内可完全 被吸收，被认为是骨折内固定的最有应用前景的可降解吸收材料。但目前以p l a 制造的骨科内固定材料还存在力学强度不足，降解产物呈酸性，易引起体内无菌 性炎症反应等缺点。骨胶原是一种天然有机体，将二者复合，可改善材料的力学 性能和手术的可操作性，并能发挥天然有机体促进人体硬组织生长的特性，但机 械性能比较差。 h a 的多相生物复合材料i l 5 。1 6 j 目前也展开了利用以上几种复合形式同时进行多相复合的研究工作，如h a 高聚物药物复合材料，h a 高聚物无机物复合材料，h a 高聚物金属基复合 天津大学硕士学位论文 材料，h a 高聚物红骨髓细胞等。其目的是为了综合利用不同材料的各自优势， 性能互补，开发出适应市场需要的高性能的临床医用材料。 2 ) 口腔保健【1 7 j 羟基磷灰石是自度高的柔软材料，能单独作为牙膏摩擦剂或与其它摩擦剂配 合使用，其产品不仅可以起到良好的磨擦抛光作用，不会损伤牙釉质，还能消除 色斑和牙垢，有优良的牙齿美白性能。纳米羟基磷灰石具有良好的吸附性能，能 吸附并去除牙齿表面组成牙菌斑的蛋白质、氨基酸、脂质和葡聚糖等成分，消除 牙菌斑和因口腔疾病引起的口腔异味。虽然羟基磷灰石本身无杀菌作用，但对细 菌具有较好的吸附性能及选择吸附性，因此对预防龋齿起到重要作用。研究发现 负载了纳米银粒子的载银羟基磷灰石具有良好的抗菌活性，将其与相应的化妆 品、牙膏等配制成相应的抗菌牙膏、洗发露、口红和护肤霜等，使产品除具有抗 菌持久性外，还可除臭。除以上作用外，高活性的纳米级羟基磷灰石还可中和口 腔中的酸性物质，极大提高唾液中钙、磷离子的浓度，从根本上预防脱矿的发生， 同时纳米级的羟基磷灰石可直接封闭因脱矿而形成的釉面空隙，具有优良的再矿 化效果。用羟基磷灰石微粒封闭牙本质小管，降低牙本质的渗透性，减少避免牙 本质内的液体流动，可起到脱敏作用。 3 ) 药物载体 纳米羟基磷灰石药物载体是以纳米颗粒作为药物和基因的载体，将药物、 d n a 和r n a 等基因治疗分子包裹在纳米颗粒之中或吸附在其表面，同时也在颗 粒表面偶联特异性的靶向分子，通过靶向分子与细胞表面特异性受体结合，在细 胞摄粒作用下进入细胞内，实现安全有效的靶向性药物和基因治疗。纳米羟基磷 灰石具有良好的组织相容性，作为药物载体十分安全，在释放药物后可降解吸收 或全部随粪便排出，同时比表面积大，因而有很强的吸附和承载能力，作为药物 载体系统，能提高药物在生物膜中的透过性，有利于药物透皮吸收并发挥在细胞 内的药效1 1 8 j 。 a o k j 等研究了纳米h a 作为药物载体的可能性，并进行了动物体内研究，他 们使用高纯c a ( o h ) 2 h 3 p 0 4 溶液反应来合成纯微晶，并辅以或不辅以超声波分散， 发现辅以超声波分散的纳米溶胶和粒子有更大的表面积，更适合作为药物载体， 动物体内实验研究证明h a 溶胶没有慢性或长期毒性，能够作为药物载体，并能 通过静脉注射给药。 4 ) 癌症治疗 羟基磷灰石纳米粒子能使癌细胞内部结构发生变化，抑制癌细胞生长和增 殖，进而杀死肺癌、肝癌、食道癌等多种肿瘤细胞，而对正常细胞无影响。它既 可作为药物载体，与化疗药联合抗肿瘤，也可发挥其直接抗肿瘤作用。其抗肿瘤 第一章绪论 机制可分为以下几点：由于肿瘤细胞比正常细胞有较强的钙摄入能力，细胞液 中钙离子浓度过高时，产生毒性，使d n a 降解并导致细胞凋亡。影响核酸合 成【2 0 】。z h a n gj p 【2 1 】等人采用单细胞凝胶电泳技术检测h a 对大鼠乳腺癌细胞系 w a l k e r 2 5 6 的d n a 损伤，发现h a 可导致d n a 损伤，形成d n a 链缺口，作用强度 与剂量呈正相关。诱导细胞周期阻滞和凋亡端粒酶活性表达是许多恶性肿瘤 获得无限制生长能力中的重要环节，纳米h a 有抑制肿瘤细胞的端粒酶基因的表 达，下调端粒酶活性的作用。 5 ) 生物活性大分子的分离提纯1 2 z j 微孔结构的羟基磷灰石晶体具有独特的选择吸附性能，使其作为色谱填料应 用在生物大分子的分离与提纯，主要包括多肽、蛋白质、糖类等生物活性物质。 由羟基磷灰石微晶构成的球形羟基磷灰石颗粒，能够克服不规则片状晶型羟基磷 灰石易碎、流动性差等缺点，使其在提纯领域中有更为广泛的应用。与硅胶相比， 轻基磷灰石具有适于中、碱性体系的优点，与有机介质相比具有不溶胀、耐高温、 耐溶剂、成本低廉的优点。它是一种选择性好、通用性强、使用方便和安全，与 生物体有良好的相容性的分离介质。 6 ) 废水处理 由于羟基磷灰石具有特殊的晶体化学特性，结构中存在着广泛的类质同象替 换。因此，多种金属离子和络阴离子都可以稳定地存在于晶格中，尤其是当c 0 3 二 与h a 中的p 0 4 3 。发生类质替换而进入晶格后，得到结构畸变的碳羟基磷灰石，此 畸变将会导致晶体结晶度的降低，而更有利于与钙离子的电荷、离子半径相似的 重金属离子c d 2 + 、p b 2 + 等的吸附。这些特性使得碳羟基磷灰石成为一类良好的环 境矿物材料而用于有毒金属离子废水的治理等【2 3 j 。早在1 9 8 4 年，s u z u k i 等就开展 了这方面的研究，他们最早开展了利用羟基磷灰石去除废水中毒性离子的研究。 7 ) 其它 纳米羟基磷灰石有较强的离子交换能力，很大的比表面积，可作为化学反应、 生物反应的催化剂或触媒的载体，以防止催化剂的流失和提高催化效率1 2 4 i 。 将羟基磷灰石加入到食品中，可起到补钙补磷的作用，如在鲜奶中额外添加 o 1 9 1 0 0 m l 的胶体磷酸钙，奶制品的成品钙含量即可达到1 2 0 m 1 0 0 m 1 ，达到高 钙牛奶的要求。 羟基磷灰石具有良好的生物吸附性和离子交换性，通过共沉淀和离子交换的 方法，将钛和金属离子共掺杂在羟基磷灰石上制得羟基磷灰石无机抗菌剂，在安 全性、持久性、耐热性等方面都存在优势，成为消除室内微生物污染，保护人体 健康的绿色环保抗菌涂料。 此外，羟基磷灰石具有温敏、湿敏效应，从而把h a 又列入新型智能敏感材 天津大学硕士学位论文 料的行列。 1 3 纳米羟基磷灰石粉体的制备 近年来，随着人们对纳米领域的认识与关注，相继开始了对纳米羟基磷灰石 粒子的研究。羟基磷灰石纳米粒子与普通的h a 相比具有不同的理化性能，如溶 解度较高，表面能较大，生物活性好等。因此，如何在一般条件下，制备出分散 性好、稳定、纯度高的h a 纳米粒子就成为一个重要课题。 制各纳米羟基磷灰石粉体的方法很多，主要包括：固相合成法【2 5 2 9 1 、液相沉 淀法【3 0 - 3 引、水热反应法【3 9 4 3 1 、溶胶凝胶法【4 “8 1 ，微乳液法【4 9 - 5 1 1 ，模拟体液法【5 2 】、 水解反应法【5 引，自组装法【5 引，自燃烧法【5 5 j 等，此外还有运用电化学沉积、激光、 超声波1 5 引、微波等手段合成h a ，这些方法有的较为成熟，有的尚未推广或正在 研究中，下面主要介绍前五种方法的特点和工艺。 1 3 1 固相合成法 固相合成法是反应物在机械力作用下发生固相反应并经过高温热处理，生成 结晶程度高的产物的方法。与湿法相比，产物的组成不会因反应条件的微小变化 而受很大影响，但产物在球磨过程中易受污染，且能耗大，热处理温度高。 常见的制备羟基磷灰石粉体的固相反应是用c a 2 p 2 0 7 、c a h p 0 4 、c a 3 ( p 0 4 ) 2 和c a c 0 3 、c a o 、c a ( o h ) 2 为原料，在1 1 0 0 1 2 0 0 的高温下通入水蒸气处理1 2 h ， 得到结晶程度高的h a 。f o w l e r l 2 7 采用c a 2 p 2 0 7 和c a c 0 3 在丙酮中混磨，真空煅烧， 以水蒸气作为羟基来源进行热处理，制得h a 。但这一过程及设备相当复杂，不 适合大规模生产。由此s a n g h o o nr h e e 【2 8 提出在水中混磨，随后在11 0 0 下煅烧 1 h ，所得羟基磷灰石的纯度取决于球磨过程中吸收的水量及粉末比表面积。 当水不参加反应时，反应如下： 3 c a 2 p 2 0 一4 c a c 0 3 3 c a 3 ( p 0 4 ) 2 + c a o + 4 c 0 2 ( g ) t ( 1 - i ) 当x 摩尔水( x 2 + 4 c 0 2 t ( 1 2 ) 当x 摩尔水( x 1 ) 参加反应时： 3 c a 2 p 2 0 7 + 4 c a c 0 3 + x h 2 0 c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 + ( x 一1 ) h 2 0 t + 4 c 0 2 ( g ) t ( 1 3 ) 随着球磨时间增加，粉末比表面积增大，与水分子接触点增多，当产生的羟 基符合等式( 1 3 ) 时，就能使原反应物完全转变成羟基磷灰石。 第一章绪论 1 3 2 液相沉淀法 液相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 沉淀物陈化、洗涤、干燥、煅烧，得到符合要求的粉体。在纳米羟基磷灰石的制 备中主要采用均相沉淀法，即通过溶液中的化学反应慢慢生成沉淀，并使沉淀在 溶液中处于平衡状态。液相沉淀法因工艺简单、成本低而被广泛应用，但生成的 h a 颗粒尺寸分布范围宽，颗粒分散度低，因此，只有弄清在水溶液不同工艺参 数对纳米羟基磷灰石结晶生成的影响机理，才能为工艺参数的确定提供理论依 据。 影响液相沉淀法的工艺参数主要有：c a 伊摩尔比、p h 值、反应物浓度、滴 加速度、搅拌速度、反应温度、分散剂、陈化时间和煅烧温度等。 反应物c 卯摩尔比对产物的组成有很大影响【3 0 】：在一定工艺条件下，理论上 当c 卯= 1 6 7 时，产物为纯羟基磷灰石，c 卯= 1 5 时为纯d t c p ；当c a p 在1 5 1 6 7 范围内时，产物为h a + p t c p ；当c a p 羞 焱 第三章制备核壳结构钙锶羟基磷灰石纳米粉体的工艺研究 图3 4 硝酸钙浓度为05 m o l 儿时样品的t e m 照片 吣34 t e m m l c ”g 呷h so f p i e s w n h 恤n t r a t i 帅o fr e a 咖m m05 m o 儿 由图34 的透射电镜照片看出，h a 晶体呈细针状，长为4 0 6 0 n m ，直径约 5 n m ，这是由于h a 具有优先沿c 轴方向生长的习性，而且高p h 值加速晶核的彤成 速率使得晶体来不及迅速长大，最后形成细小的针状晶。图中羟基磷灰石针晶 团聚现象严重，这是因为在浓度较高的溶液中，过饱和度高，成核过程中形成的 新界面面积太表面活性高为使体系达到热力学稳定，晶核将通过生长或以团 聚的形式减小固相界面面积，降低体系自由能。因此激光粒度分布检测出的是团 聚体粒径，要比单颗粒粒径大很多。 在此反应条件下，即t _ 3 7 ，p h = i 】反应物初始浓度为：【c a 2 _ 】f o 5m o l ，l ， 【p 0 4 3 f o3 m o 儿，此时溶液的过饱和度卢可由下列公式计算i 叫； 。“3 【w ，1 。 n i = j 。x i k ，：o5 2f 1 1 + o3 2 9 卜矿 一= 击”z ! ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 其中a 为离子活度，为话度系数，t 为离子的摩尔分数，为溶液的离子 强度，z 为离子带电荷数，r 为各离子在水溶液中的有效半径( 数值见表31 ) ，” 为离子的摩尔浓度。 天津大学硕士学位论文 由以上公式推算知，此样品的初始过饱和度= 3 4 1 0 3 5 ，结合图3 5 1 6 引， 当羟基磷灰石的临界尺寸，即颗粒可以长大而不消失的最小尺寸为6 4 n m 时，其 体积自由能和表面自由能较高，颗粒易发生团聚。为提高分散性，可采取以下两 措施：适当降低反应物浓度，使溶液过饱和度减小，当 c a 2 + o = o 2 5m o l l ， 【p 0 4 孓 o = 0 1 5m o l l 时，过饱和度= 9 6 1 0 m ，其沉降状况见图3 6 ，与【c a 2 + 】o = 0 5 m o l l 时制备的悬浮液相比，沉降速度更慢，体系稳定性更好。降低晶核界面 能，由图3 5 知，当过饱和度一定时，界面能丫越低，临界晶核尺寸越小，因此本 实验通过加入表面活性剂，降低颗粒表面张力。 l ( m ) 图3 5 临界晶核尺寸、界面能和体积自由能、表面自由能的关系图 f i g 3 5p l o to f t h eb u l k ( g b ) a n ds u r f a c e ( g s ) 疗e ee n e r g yb a l a n c ea s s o c i a t e dw i t ht h e n u c l e a t i o no f h y d r o x y 印a t i t ep a n i c i e so fs i z ela i l dd i f f e r e n ti n t e r f a c i a le n e r g y 塞、，一咄c一卜芷o1。 第三章制备核壳结构钙镪羟基磷灰石纳米耪体的工艺研究 图36 不同反应物浓度制各的样品静置“h 后的聚沉状况 ( 从左往右，硝酸钙浓度分别为：o2 5 1 m o 儿和o5 m o 儿) f 嘻36