（材料学专业论文）羟基磷灰石药物载体微球的制备和研究.pdf

摘要具有良好的生物相容性微球作为一种新的药物载体，在药物控制释放领域有着广泛的研究和应用。本文对纳米羟基磷灰石( h y d r o x y l a p a t i t e ，h a ) 溶胶一凝胶法的合成、h a 微球的制备和载药微球的体外缓释实验进行了研究。对溶胶凝胶法制备的h a 前驱体干凝胶进行d s c 分析，并通过x r d 分析在不同温度处理后干凝胶的相组成，确定了h a 的合理烧成温度。在制备微球的过程中通过调节明胶，h a 比、反应温度和搅拌速率制备了具有规则形貌的多孔h a 微球。将制备的h a 微球载药后，放在p h 值为7 4 的磷酸盐缓冲液( p b s ) 缓冲液中，恒温3 7 0 c 进行体外缓释实验。实验结果显示在实验过程中调节混合前驱液p h 到7 8 ，可有效的缩短溶胶凝胶化时间，当在3 5 0 0 c 热处理2 0 0 m i n 后就有h a 析晶，6 0 0 0 c 热处理后全部转化为结晶完整的h a ，t e m 分析颗粒粒径为5 0 n m 左右且基本无团聚发生，逐渐提高温度在9 5 0 、1 1 5 0 0 c 热处理后，i r 分析显示一部分h a 发生脱羟反应，但x i m 衍射分析表明主晶相仍为h a 。这说明用此种方法制备h a 不仅可以在较低的温度下制备且具有一定的高温稳定性。采用优化的双相乳化冷凝聚合法制备h a 微球，发现控制实验过程的温度是成球形貌良好的关键，采用o o c 为两相混合温度。在4 0 0 c 下，将3 9 明胶溶于3 0 m l的去离子水中制备质量分数为1 0 的明胶溶液，按粉液比为1 ：4 1 0 制备的明胶h a 混合液，在搅拌速率为1 0 0 4 0 0 r p m 的条件下边搅拌边将此混合液滴加到o o c的植物油中，洗涤过滤后在空气中干燥，经1 2 0 0 0 c 烧制后无溃散现象产生。实验发现在相同的搅拌速率下随着h a 相对含量的增加，制备的微球的形貌变的越规则、粒径分布逐渐减小。筛选形貌良好的微球进行硫酸庆大霉素的载药及体外缓释实验，发现将载药微球经骨水泥包裹后可有效的控制药物的突释，提高药物释放时间。关键词：羟基磷灰石溶胶一凝胶药物缓释硫酸庆大霉素a bs t r a c tc a l c i u mp h o s p h a t e - b a s e dd r u gd e l i v ed rs y s t e m sh a v eb e e ns t u d i e d 百b r o a d l yi nr e c e n ty e a r sb e c a u s eo ft h e i rg o o db i o c o m p a t b ili t y t h ep u 巾o s eo ft h i ss t u d yi st oi n v e s t i g a t et h en a n o s t r u c t u r eh y d r o x y a p a t i t ep o w d e rp r e p a r e db ys o l g e lm e t h o da n dt h ep r o c e s so ft h ep r e p a r a t i o nh am i c r o s p h e r e s i na d d i t i o n ，t h er a t eo fd r u gr e l e a s eo f p o r o u sh am i c r o s p h e r e si nv i t r ow a sa l s os t u d i e di n t h i se x p e r i m e n t n a n oh ap o w d e rw a sp r e p a r e db ys 0 1 - g e lm e t h o da n di t sc h a r a c t e r i s t i c sw e r ed e t e c t e db yd s c ，x r da n a l y s i st od e t e l l l l i n et h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n dc r y s t a l l i z a t i o n d u r i n gt h ep r o c e s so fm i c r o s p h e r e s ，t h ee f f e c t so fr a t i oo fg e l a t i na n dh a ，t e m p e r a t u r ea n ds t i 丌i n gr a t eo nh am i c r o s p h e r e sw e r ei n v e s t i g a t e d a f t e rd r u gl o a d i n gt h em i c r o s p h e r e sw e r ed i p p e di np b s - h c ls o l u t i o nf o r2 0d a y sa t3 7 0 ca n dp h7 4f o rd r u gr e l e a s e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tah i g hp hc o u l ds h o r t e nt h et i m e sf r o ms o lt 0g e l h ac r y s t a l l i z “o nc a nb ef o r n l e dw h e nt h ed r i e dg e lw a sc a l c i n e da t3 5 0 0 cf o r2 0 0m i n a t6 0 0 0 c ，t h ed r i e dg e lc o u l dt r a n s f o mi n t oh ac r y s t a l l i z a t i o nc o m p i e t e l y t e ma n a l y s i ss h o w st h a tt h es i z eo fh ai si nt h er a n g eo f3 0t o5 0 n m w h e ns i n t e r r e da t9 5 0o ca n d1l5 0o c ，x i da n a l y s i ss h o w sn on e wp h a s ea p p e a r a n c e b u tw e ：f ；3 u n dt h e r ew a sh y d r o x y lr e a c t i o no c c u r r e dt h r o u 曲i ra n a l y s i s t h e s es h o wt h a tt h eh am a d eb ys o l - g e lm e t h o dc a nc r y s t a l l i s ea tl o wt e m p e r a m r ea n dh a sh i 曲t e m p e r a t u r es t a b i l i 够u s i n gp s e u d o - d o u b l e - 9 m u i s i o nm e t h o dt op r e p a r eh am i c r o s p h e r e s ，w ef o u n dm a tt e m p e r a t u r ei st h ek e yf a c t o rt h a ta f 佗c t st h em o 叩h o l o g yo fm i c r o s p h e r e si nt h ec o u r s eo ft h ee x p e r i m e n t s ow ep r e p a r e dt h ed o u b l e e m u l s i o na t0 。ct e m p e r a t u r e a q u e o u ss o l u t i o no fl0 g e l a t i nc o n t e n tw a sp r e p a r e db yd i s s o l v i n g3 9g e l a t i ni n3 0 m ld i s t i l l e dw a t e ra t3 9 0 c f i n eh ap o w d e rw a sa d d e dt ot h ea b o v es o l u t i o ni na m o u n t so f1gh ap o w d e rp e r4 l0 m io fg e l a t i ns o l u t i o n a f t e rt h a t ，t h eh a g e l a t i ns l u l t yw a sd i s p e r s e di nl5 0 m lo fo i li nab e a k e rb ys t i r r i n gw i t hag l a s sp a d d l es t i n e ra tlo o 4 0 0r p m t h e nt h ep r e c i p i t a t e db e a d sw e r ew a s h e di na c e t o n ef o l l o w e db ye t h a n 0 1a n dd r i e di na i r t h e r ew a sn oc o l l a p s i b i l i t yh a p p e n n i n ga r e rc a l c i n e da t12 0 0o c i tw a sf o u n dt h a tw i t ht h ei n c r e a s ei nt h ep r o p o r t i o no fh a g e l a t i nt h em i c r o s p h e r e sb e c o m em o r er e g u l a r ，a n dt h em j c r o s p h e r e ss i z eb e c o m e ss m a l l e r w es e l e c tt h er e g u l a rm i c r o s p h e r e sa sd r u gd e l i v e 口f o rg e n t a m i c i ns u l f 乱e w h e nt h em i c r o s p h e r e sw i t hd r u gw e r ec o a t e db y0 【一t c p ，t h ed r u gr e l e a s ec a nb et i m e c o n t r o l l e d k e yw o r d s ：h y d r o x y a p a t i t e ，s o l g e l ，d r u gd e l i v e r ，m i c r o s p h e r e 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，也不包含为获得叁盗盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一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。学位论文作者签名：扣钊签字日期：v t l年 4 2 ，这与人体体液的p h 值相吻合，因此，在人体中所有的磷酸盐生物陶瓷中，以h a 最稳定。2 4 3 羟基磷灰石的降解机制材料的生物降解【2 l 】是指在生命体系中材料从形态上由整体分化成部分和化学成分上由复杂变成简单的过程。可降解生物陶瓷是一种暂时性的替代材料，植入体内后会被逐渐吸收和降解，同时新骨逐渐生长以替代之。经基磷灰石就是一种可降解的生物陶瓷。h a 被植入体内后，将被体液溶解和组织吸收而导致解体。其生物降解和吸收通过下述机制进行：1 生理化学溶解是一种体液介导过程。其溶解速率决定于多种因素，包括周围体液成分和p h 值、材料的比表面大小、材料的相组成和结构、材料的结晶度和杂质的种类及含量以及材料的溶度积。2 物理解体，是体液浸入h a ，导致烧结不完全而残留的微孔使连接晶粒的“细颈”溶解，从而解体为微粒的过程。3 生物因素的作用主要是细胞介导过程，如吞噬或迁移被解体的h a 颗粒。可降解生物陶瓷植入骨内后，随着降解和吸收，新骨逐渐替换植入体。显然，这是一种理想的骨修复和替换途径。但是，可降解生物陶瓷的降解和吸收除受上述因素影响外，降解速率还受宿主的个体差异、植入部位的变化等的影响。因此，要制备一种能实现生物降解、吸收与新骨替换同步进行的可降解生物陶瓷是相当困难的。2 5 纳米羟基磷灰石作为药物载体的特点羟基磷灰石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。第一，纳米羟基磷灰石具有很大的比表面，因而有很强的吸附和承载能力。第二，纳米羟基磷灰石作为药物载体十分安全，因为其与人或动物的骨骼、牙齿成分相同，且不为胃肠液所溶解，在释放药物后可降解吸收或全部随粪便排出。第三，纳米羟基磷灰石在生成过程中很方便引入放射性元素，可用于癌细胞的灭活。纳米h a 作为一种新型的生物无机材料，对其制备方法的研究己取得较快的发展，目前已经能够通过各种途径成功地获得纳米h a 颗粒。纳米h a 粒子有良好的组织相容性、无毒、无免疫原性，比表面积大，生物粘附性强且能结合和传递第二章文献综述大分子药物，吸附药物量大，具备了药物载体的基本要求，但目前纳米h a 粒子在药物载体应用研究处于起步阶段，h a 纳米粒子是生物活性大分子药物很有前途的载体。对这种新型载体功能行为作用机理和导入或进入细胞的方式的进一步研究，对如何增强h a 纳米粒子靶向性的深入研究都会提高大分子药物给药技术创造更好的发展机会。无论采用何种制备方法，都必须克服纳米粒子高表面活性带来的团聚问题。h a 纳米粒子非常容易团聚，因此弄清楚纳米粒子的分散机理及条件是其应用的关键。得到稳定的高分散的纳米h a 粒子，这是其独特生物活性发挥的条件，也是其作为d n a 药物载体基础。如何制备出单分散且稳定的h a纳米粒子则是前期研究中的一个中心问题。今后重点将是研究纳米h a 粒子的合成、分散方法和纳米h a 颗粒表面的改性。目前得到稳定纳米h a p 颗粒的方法之一是在其表面吸附上高分子物质或多聚物作为稳定剂，所以稳定剂的选择和它的生物相容性问题成为对纳米h a 粒子进一步研究与应用的关键之一。2 6 羟基磷灰石的制备方法羟基磷灰石的合成有各种方法，通常分为两大类：水相合成和高温固相合成，纳米经基磷灰石粉体的合成均为水相合成。在水相合成法中包括水解法、酸碱反应法、水热反应法、共沉淀法、溶胶凝胶法、气溶胶分解法及最近发展的微乳液法和超声波法等。2 6 1 沉淀法沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合溶液中加入适当的沉淀剂制备超微颗粒的前驱体沉淀物，再将此沉淀物进行干燥煅烧，从而制得相应的超微颗粒。沉淀法制备超微颗粒主要分为直接沉淀法、共沉淀法、均相沉淀法、化合物沉淀法、水解沉淀法等多种。在纳米羟基磷灰石的制备中主要采用均相沉淀法，一般的沉淀过程是不平衡的，但如果控制溶液中的沉淀剂浓度使之缓慢地增加，则使溶液中的沉淀处于平衡状态，且沉淀能在整个溶液中均匀地出现。通常是通过溶液中的化学反应使沉淀剂慢慢地生成，从而克服了由外部向溶液中加沉淀剂而造成沉淀剂的局部不均匀性，结果沉淀不能在整个溶液中均匀出现的缺点。用这种方法可以制备出小粒径、单分散的纳米微粒。2 6 2 水热法水热反应是高温高压下在水( 水溶液) 或蒸气等流体中进行有关化学反应的总称。水热法是在特制的密闭反应容器里，采用水溶液作为反应介质，在高温高1 6第二章文献综述压环境中，使得通常难溶或不溶的物质溶解且重结晶的一种方法。它可以用来生长各种单晶，制备超细、无团聚或少团聚、结晶完好的陶瓷粉体和无机纤维或晶须增强材料。2 6 3 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一种制备无机材料的新工艺。其基本原理是：将金属醇盐或无机盐水经水解，然后使溶质聚合胶化，再将凝胶干燥、焙烧，最后得到无机材料。溶胶凝胶法除了用来制备纳米微粒，还可用于制备纳米粒子薄膜，粒子化学均匀性好、纯度高、颗粒细。该法可容纳不溶性组分或不沉淀组份。烘干后的球形凝胶颗粒自身烧结温度低，但凝胶颗粒之间烧结性差，块体材料烧结性不好，干燥时收缩大，h a 微粉可通过此方法制备。2 7 溶胶一凝胶制备h a 的优点与传统羟基磷灰石工艺相比，溶胶凝胶法具有许多优点：合成温度低，可制得一些传统方法难以得到或根本得不到的材料；制备的材料颗粒小、均匀、无团聚，且组分比例易于控制；设备简单、工艺灵活，制品纯度高。基于以上优点，人们逐渐尝试用溶胶凝胶法来制备h a ：p i e r r el a y r 0 1 l e 等人以c a ( o e t ) 2 和h 3 p 0 4 为原料制备了羟基磷灰石，c a m e r o nsc h a i 等人以磷酸三乙酯和c a ( o e t ) 2 为前驱体制备了h a ；m h f a t h i 等以c a 州0 3 ) 2 和p 2 0 5 的乙醇溶液为前驱体制备了纳米h a 。2 8 多孔h a 微球的制备，研究表明颗粒状的药物载体被认为具有更高的药物活性，包括预期的治疗效果，高的药物利用率，安全性，药物释放的长期性和可控性。而且其在注射性方面也比粉体明显的提高。基于此特点各种各样的颗粒药物载体已经被研究和应用，而具有生物降解性能的多孔陶瓷材料更是成为研究的热点。对于陶瓷基材料的研究使人们更深刻了对羟基磷灰石的性能的认识，羟基磷灰石由于其与人体骨骼相似的化学组成和结构，并且无毒和优良的骨传导性被广泛的用于人体骨骼的修复和填充物，因此对于羟基磷灰石作为药物载体的研究成为了材料人员面临的一个非常有前景的课题。研究表明颗粒的形态和结构是影响颗粒在人体内活性的主要因素。形状不规则的载药颗粒植入人体会产生炎症反应，因此形状规则的球状载药颗粒是植入药物载体的首选。而对于药物的释放率侧决定于多孔载药颗粒第二章文献综述孔的大小，分布，结构和孔隙率等因素。因此制备一种具有规则形状的，孔隙率高载药性能大，具有可调药物释放性能的羟基磷灰石微球成为材料人员研究的重点。本实验采用明胶的水溶液为分散相，植物油为连续相。根据天然明胶材料可自我交联成球及经醛类物质处理后可固化的特性，采用优化的双相乳化冷凝聚合法制备h a 微球。明胶微球的制各机制是明胶分子溶于水后伸展为纤维状，在冷冻脱水的条件下卷曲，并由多个分子凝聚成球状微粒，在固化剂的作用下，明胶分子形成三维网状的稳定结构，因为h a 与明胶分子之间有一定的亲和力，从而使h a 被明胶所吸附并被包裹于微球中。经合理的烧成制度处理后，可得到具有微孔的h a 微球。1 8第三章载药羟基磷灰石微球的制备和表征及体外模拟实验第三章载药羟基磷灰石微球的制备和表征及体外模拟实验3 1 实验原料和仪器实验中所用原料如表3 。l 所示：表3 1 实验所用试剂t a b 3 11 1 1 er e a g e n t s实验中所用仪器如表3 2 ：表3 2 实验所用设备t a b 3 - 2t h ee q u i p m e n t s1 9第三章载药羟基磷灰石微球的制备和表征及体外模拟实验3 2 载药纳米羟基磷灰石微球的制备3 2 1 纳米羟基磷灰石的制备整个溶胶凝胶制备纳米h a 的过程如下：1 p 2 0 5 溶液的制备首先，称取7 0 9 7 9 的五氧化二磷和1 0 0 m l 的无水乙醇，将p 2 0 5 缓慢加入到乙醇溶液中。由于五氧化二磷与乙醇反应比较剧烈，且放出大量的热，所以在将p 2 0 5加入乙醇时一定要少量缓慢加入。混合后搅拌1 h ，便形成浓度为0 5 m o l l 的稳定透明溶液，静止搁置数天未有沉淀或浑浊产生。2 c a 州0 3 ) 2 溶液的制备称取3 9 4 3 7 9 的四水硝酸钙和1 0 0 m l 的无水乙醇，将c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 加入到乙醇中形成均一稳定的硝酸钙酒精溶液，静置后无沉淀或浑浊产生。3 复合溶胶的制备将上述两中溶液按一定的速率混合均匀，恒温搅拌l h 形成羟基磷灰石的前驱液。4 复合凝胶的制备将上述制备的前驱液置于恒温磁力搅拌器上，温度保持在2 5 0 c 左右，边搅拌便用氨水调节p h 值到7 8 ，形成白色凝胶。最后将制备的凝胶置于恒温干燥箱内9 0 0 c 干燥约2 4 h 后，得到乳白色的干凝胶。5 纳米h a 的制备将上述干凝胶置于马弗炉内在6 0 0 0 c 进行煅烧，升温速率为1 0 c m i n ，保温2 0 0 m i n 后随炉冷却，得到白色h a 粉末。3 2 2 多孔h a 微球的制备微球的制备过程如下：首先制备1 0 的明胶溶液：将3 9 明胶在4 0 0 c 的温度下溶于3 0 m l 的去离子水中；分别称取3 9 、5 9 、8 9 的纳米h a 与制备的明胶溶液混合均匀，形成明胶羟基磷灰石的混合悬浮液，分别记为3 j f i 、5 撑、8 f ；边搅拌边将明胶h a 的混合液滴加到1 5 0 m l 的植物油中，由于搅拌产生的剪切力和明胶混合液遇冷产生絮凝作用形成油包水的微球，其中油温保持在0 0 c 左右；搅拌lh 后，在o o c 左右的环境下静置2 h 以使明胶充分的凝固，形成的微球由于重力作用沉淀于油层底部；将上层植物油倒去，并用丙酮和酒精分别洗涤制备的微球，然后在空气中自然干燥得到明胶h a 的复合微球；将明胶h a 复合微球置于马弗炉内在1 2 0 0 0 c 进行烧结，在o 5 0 0 0 c 的升温速率为1o c m i n ，5 0 0 0 c 时保温1 2 0 m i n ，此第三章载药羟基磷灰石微球的制备和表征及体外模拟实验过程主要是有机物明胶的排除；然后再以2 0 c m i n 升温到1 2 0 0 0 c 后保温1 2 0 m i n ，随炉冷却得到多孔的h a 微球。3 2 3 载药h a 微球的制备本实验采用对骨髓炎有良好治疗效果的硫酸庆大霉素进行载药实验，主要步骤为：对制各的h a 微球进行筛选，对形貌良好的微球进行载药；将6 0 0 m g 庆大霉素溶于2 0 m l 的去离子水中，制备3 0 m g m l 的庆大霉素溶液；将庆大霉素溶液分装在3 个小玻璃瓶内，其中每个玻璃瓶内装有0 2 9 的h a 微球；将装有h a微球和硫酸庆大霉素溶液的小玻璃瓶放在密闭的容器内抽真空后，浸药4 8 h ；过滤浸药后的微球，并在真空下干燥；将干燥后的载药微球用骨水泥进行挂浆包裹，在潮湿环境下固化，防止药物在模拟体液或体内的突释。3 3 载药纳米h a 微球的表征测试方法3 3 1 红外光谱分析采用b i o r a df t s6 0 0 0 傅立叶红外光谱仪测定了干凝胶粉末、纳米h a 粉末和明胶h a 微球的红外光谱。将此玻璃粉末与干燥的k b r 粉末于1 ：】o 比例混合进行测试，仪器对此样品的扫描范围为5 0 0 4 0 0 0 c m 。3 3 2 物相分析采用x 射线衍射仪( d l a x 2 5 0 0 p h i l i p s ) 分析，以c u k 为射线源，扫描范围为2 0 0 8 0 0 ，扫描速率为8 。m i n ，管电压为4 0 v ，管电流为2 0 m a 。3 3 3 热分析通过分析d s c t g 曲线上的吸热、放热和失重来确定合理的羟基磷灰石和h a羟基磷灰石复合微球的烧成制度。此d s c 分析是利用型号为n e t z s c hs 1 a 4 9 9 c的热失重分析仪进行的，在空气中测试，升温速率为1 0 0 c m i n ，温度上限为1 4 0 0 0 c 。3 3 4 显微结构分析试样所用的设备为环境扫描电子显微镜( s e m ) ，型号为x l - 3 0 p h i l i p s 。主要采用s e m 照片来观察纳米h a 晶化情况和h a 微球形貌的以及降解不同天数后样品表面的形貌变化。2 l第三章载药羟基磷灰石微球的制备和表征及体外模拟实验34 载药h a 微球药物缓释的体外模拟实验3 4 1 缓冲液本课题选用p b s 为体外模拟的缓冲液。配制p b s 的各种溶剂用量如表3 一所示：表3 一lp b s 的各种溶剂用量n a c lk c in 8 2 h p 0 4k h 2 p 0 48 902 9l “go2 4 9p b s 缓冲液的配制方法如下：将n a c l ，k c l n 3 2 i p 0 4 ，k h 2 p 0 4 溶于8 0 0 m l水中，经盐酸稀释液调p h 值至74 ，定容至l0 0 0 川，即为实验所用之模拟体液。3 42 实验设备微球的药物缓释的体外模拟试验所用的实验仪器为可恒温恒速摇动的m e m m 盯摇床，型号为s c h u t z a n d i n 4 0 0 5 0 i p 2 0 ，如图3 - l 所示：图3 】用于微球药物缓释的实嘧仪器f l g3 】n ee q 帅m 明fo f d d so f m 肼o s p h e m3 43 体外模拟实验将样品置于小玻璃瓶中，加入2 m lp b s 缓冲液后密封。然后将此玻璃瓶放入恒温3 7 0 c 的摇床中进行模拟体液降解试验。在每个浸渍周期后( 1 、5 、2 0 d ) ，将样品从缓冲液中取出，反复用去离子水冲洗，于i o o 。c 干燥4 h 。测试药物释放很重要的一个参数是溶于p b s 缓冲液中的药物浓度。本实验主要研究了硫酸庆大霉素溶解于p b s 中的浓度，所用仪器为紫外吸收光谱仪f a a s ) ，型号为曰立l8 0 - 8 0 。第四章结果与讨论第四章结果与讨论4 1 纳米羟基磷灰石的制备本文采用m h f a t h i 人的方法并在此基础上进行改进，采用氨水调节前驱液的p h 值，进而缩短溶胶一凝胶的时间，得到的干凝胶在6 0 0 。c 烧制后可得到结晶良好的纳米h a 。并对溶胶凝胶的机理进行了简要的分析。4 1 1 溶胶凝胶的机理分析英国的d a n i e l ac a n a 教授发现高稳定性的磷脂p o ( o r ) 3 在水中与水反应的速率非常缓慢，故而其选用o p ( o r ) 。( o h ) 3 一。( x = 1 、2 ) 作为溶胶凝胶反应的前驱体成功制备了磷基h a 体系，并对其基本结构进行了系统的分析。在d a n i e l ac a n a 等人的研究基础上本试验采用p 2 0 5 的乙醇溶液作为h a 的前驱体，基本反应如下：p 2 0 5 + 3e t 0 h - 呻p 0 ( o e t ) ( 0 h ) 2 + p o ( o e t ) 2 ( o h )( 4 - 1 )由于参加反应基团的可变性和水的存在，在p 2 0 5 的乙醇溶液中不可避免的存在着少量的h 3 p 0 4 和p o ( o e t ) 3 。经过一段时间的反应后，溶液中将存在以下几种结构的物质：00oi lj ii i球) - 口一c 龇h 5 c r 旬p - 一a h 珏| 球x 擅o h占h函kbc由于静置回流时间的不同，各种基团的含量会有很大的差别。所以当硝酸钙溶液于上述五氧化二磷的酒精溶液混合后，c a 2 + 难于直接与p 0 4 络合生成较难溶的c a 3 ( p 0 4 ) 2 。d e a n m ol i u 等人指出硝酸钙也可能会与酒精发生反应生成c a ( o e t ) v 洲0 3 ) 2 - y ，但大部分的硝酸钙在酒精溶液中还是以c a 。2 + 的形式存在。所以当c a 洲0 3 ) 2 和p 2 0 5 的乙醇溶液混合之后的可能反应为：p o ( o e t ) 3 。( o h ) 。+ c a o ) 2 y ( 0 e t ) y ( o e t ) y 一( n o ) 2 y 一c a o h p o ( 0 e t ) 3 x + h 2 0+ c 2 h 5 0 h( 4 2 )p o ( o e t ) 3 。( o h ) 。+ c a p + n 0 3 。1 洲0 3 ) 叫( o h ) 一c a o h p o ( o e t ) 3 州+ h 2 0 + c 2 h 5 0 h+ h +( 4 3 )2 3第四章结果与讨论实验证明在c a ( n 0 3 ) 2 和p 2 0 5 的混合酒精溶液中，滴加氨水调节p h 值到7 8 ，可迅速的生成白色的凝胶，无需长时间的静置陈化就可生成凝胶，这是由于氨水的加入中和了上述( 4 3 ) 反应中的h + 使反应向生成交联的方向移动，促进了凝胶的生成。4 1 1 热分析图4 1 为h a 前驱体的干凝胶d s c t g 曲线，从图中可以看出5 0 5 0 0 0 c 内大约有5 9 9 的质量损失，5 0 0 0 c 以后重量损失不大。其中质量产生较大变化的主要有两个阶段5 0 2 0 0 0 c 和2 0 0 5 0 0 0 c ，第一个阶段质量损失是由于c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 中结晶水的除去所致；在2 5 0 5 5 0 0 c 之间有几个比较明显的放热峰，其中在2 6 2 、2 8 5 0 c 放热峰伴有大量的失重，约为4 0 ，说明在此范围内干凝胶中大量的有机物氧化分解，放出热量；在3 4 0 0 c 、3 8 0 0 c 附近也存在微小的放热峰，并伴有少量的失重，将干凝胶在3 5 0 0 c 热处理后进行x r d 分析可知在处理后的粉体中含有大量的h a 晶体，这说明此放热峰是由于h a 的晶化和残余有机物燃烧所引起的；在5 1 9 0 c 有一放热峰但t g 曲线却显示无重量损失，且由随后的x r d 分析知经5 0 0 0 c 、6 0 0 0 c 热处理后的干凝胶以基本结晶完成，由此可知这是h a 的晶化峰，是由h a 的晶化所致；在5 5 0 0 c 有一较强的吸热峰，这是由于硝酸根的分解所致。图4 1h a 干凝胶的d s c t g 分析曲线f i g 4 - 1n ed s c t gc u r v e so f t h eh ag e l有以上干凝胶的d s c t g 分析可知，干凝胶的热损失主要发生在5 0 0 0 c 以内，6 0 0 0 c 以后质量基本无变化，且在6 0 0 1 0 0 0 0 c 无放热或吸热峰的存在。这说明用溶胶凝胶法制备h a 可在5 0 0 6 0 0 0 c 的范围内完成结晶，且具有一定的高温稳定2 4第四章结果与讨论性。4 1 2 红外及x 】m 衍射分析图4 2 为h a 晶体( b ) 和h a 干凝胶粉( a ) 的红外分析曲线，由图b 可知3 5 7 0 、6 3 0 c m 一是由于o h 引起的，1 0 9 2 、1 0 4 6 、9 6 5 、8 7 6 c m 一是h a 特征峰；图a 中可以看出5 6 7 、6 0 1 c m 。1 对应p 0 4 孓的v 4 振动吸收峰，9 5 9 c m j 对应p 0 4 孓的v 1 振动吸收峰，1 0 3 9 c m j 对应p 0 4 孓的v 3 振动吸收峰，3 5 7 0 c m 1 对应h a 中典型的o h 的伸缩振动吸收峰，这些都说明在干凝胶中存在这结晶度非常低的无定形a c p 。1 3 8 0 和8 3 0c m 。吸收峰的存在则可能是由于n 0 3 一的特征振动吸收引起的，此外在3 2 8 9 、2 9 7 5 、1 6 5 2 、1 5 3 9 、1 4 5 3c m 。1 等吸收峰的存在说明了干凝胶中也存在着一定量的水和乙醇以及n h 4 + 。b4 0 0 03 5 0 03 0 0 02 5 0 02 0 0 01 5 0 01 0 0 05 0 0a - 干凝胶、b 6 0 0o c 、c 9 5 0o c 、d 1 1 5 0o c图4 2h a 干凝胶( a ) 和不同温度烧结后的h a ( b ，c ，d ) 红外光谱图f 唔4 2i n f - m r e ds p e c t r ao fh a ( b ，c ，d ) a 丘e rs m t e l l r m ga td i 仃e r e n tt e m p e r a t u r e 锄dd d rh ag e l ( a )图4 3 为不同的烧结制度处理后的x r d 衍射图，由红外分析可知在干凝胶中存在者大量的h a 官能团，但由干凝胶的x l m 图来看，并无任何的晶体存在，这说明此干凝胶中h a 官能团以无定形态的a c p 存在，经较低的温度处理后就可得到h a 晶体。图4 3 ( c ) 为干凝胶经3 5 0o c 热处理后的x r d 图，由图可知在此温度下就有一定量的h a 晶体生成，随着热处理温度的升高，峰形越来越尖锐结晶化程度越来越好，当在6 0 0o c 下热处理2 0 0 m i n 后，由衍射分析可知h a 已基本的完全结晶，这点与干凝胶的d s c 分析曲线中也有所体现。2 5第四章结果与讨论脱羟是指h a 在加热过程中逐渐脱去羟基和水分的过程，一般认为h a 的分解与脱羟是联系在一起的。虽然h a 在1 2 0 0 0 c 才开始分解，但脱羟的开始温度却很难确定。脱羟反应通常如下式所示1 2 2 j ：2 0 h _ o + h 2 0 t( 4 4 )c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 2 。o 。口。+ x h 2 0 t( 4 5 )在这里，口指的是空位，而c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 - 2 x o 。口。( o h a ) 通常称作缺氧羟基磷灰石。在研究中，将0 h a 与h a 区别开来是非常困难的，这主要是因为在x r d 图谱中h a 和o h a 绝大多数峰是重叠的【2 3 j 。将干凝胶在9 5 0 、1 15 0o c 同样的热处理2 0 0 m i n 后，对其进行x r d 衍射分析如图4 3 ( f 、g ) 所示，从衍射图可知经高温的热处理后晶形并无改变，无法分辨h a是否已发生脱羟反应。但红外分析是一个非常有效的测试手段，样品经过不同热处理的f t i r 图谱如图4 2 ( b 、c 、d ) 所示，由图可知，当煅烧温度从6 0 0 0 c 提高到1 1 5 0 0 c ，样品3 5 7 0 、6 3 0c m 1 波峰处的羟基峰峰强逐渐减弱。可以用a 3 5 7 0 a 5 7 0来表征样品中羟基的含型2 4 j ，a 3 5 7 0 和a 5 7 0 分别指3 5 7 0c m _ 处羟基和5 7 0c m 一处磷酸根的消光度，此外还可通过红外光谱中磷酸根在5 7 0 和6 0 0 波数处两峰的分裂程度来判断结晶程度1 2 5 j 。随着处理温度由6 0 0o c 提高到1 1 5 0o c ，a 3 5 7 0 a 5 7 0 由0 4 8 降低至0 3 8 5 ，表明在这个温度区域内，结晶程度不断升高，但脱氢反应一开始。第四章结果与讨论lk lj j 。一!i 。札。u 。l j。!i i l | 1 山。!i 12 。b 干凝胶、十3 5 矿c 、出5 0 0 0 c 、 6 0 0 0 c 、f _ 9 5 扰、争】1 5 矿c图禾3 不同温度烧制 l a 的x r d 衍射图f * 3 x r d p a 岫咄o f h as a m p j ea n “h 吲_ 仃洲“d i 孤t 町p e r a 蛔e41 _ 3 t e m 分析图4 4 为经6 0 0 0 c 热处理后h a 的t e m 照片，从图中可看出有溶胶- 凝胶法制备的 i a 为短棒状晶体，其大小为5 0 啪左右，且分散性良好，基本无团聚现象出现。ab圉4 4 6 0 r c 热处理温度的h a 粉体试样的t e m 照片f i & 4 4 t e m m i 口。驴p h s o f h a p o w d 出a 缸r6 0 0 0 c t 啪p e r a h 聃第四章结果与讨论4 1 5 小结本实验采用溶胶凝胶法制备了短棒状的纳米羟基磷灰石。在采用溶胶凝胶制备h a 前驱体的过程中，通过总结其他学者的经验和红外分析等手段对溶胶凝胶制备纳米羟基磷灰石的机理进行了简要的分析，采用溶胶凝胶法在以酒精为液相制备h a 的过程中，c a 州0 3 ) 2 和p 2 0 5 首先与酒精发生反应生成前驱液，将两种溶液混合后，由于各自络合了酒精分子，使两者难于生成磷酸三钙沉淀，这有助于h a 前驱体的生成。实验发现当用氨水调节p h 值到7 8 后，不用经过长时间的陈化处理就可生成凝胶。得到的凝胶经干燥、6 0 0 0 c 烧成处理后可得到团聚极少的纳米羟基磷灰石晶体。有文献报道随着热处理温度的升高，h a 会发生脱羟反应，生成o h a ，接着会发生分解产生t c p 和t t c p ，但由于后期热处理制度的不同，t c p 和t t c p 又会在水汽的存在下生成 l 气。研究表明在急冷条件下由于这两相没有足够的时间接触空气中的湿气，会导致h a 的分解后无法恢复，当采取随炉冷却的方式时由于有足够的时间进行恢复反应，热处理后主晶相仍为h a ，本实验在9 5 0 0 c 、1 1 5 0 0 c 热处理随炉冷去后主晶相仍为h a ，这与其他学者的研究相符。4 2 多孔h a 微球的制备4 2 1 成球原理本实验采用明胶的水溶液为分散相，植物油为连续相。根据天然明胶材料可自我交联成球及经醛类物质处理后可固化的特性，采用优化的双相乳化冷凝聚合法制各h a 微球。明胶微球的制备机制是明胶分子溶于水后伸展为纤维状，在冷冻脱水的条件下卷曲，并由多个分子凝聚成球状微粒，在固化剂的作用下，明胶分子形成三维网状的稳定结构，因为h a 与明胶分子之间有一定的亲和力，从而使h a 被明胶所吸附并被包裹于微球中。经合理的烧成制度处理后，可得到具有微孔的h a 微球。2 8第四章结果与讨论h c _ rl l 们r晕一p l d ，图4 5 不同黏度比率下简单剪切流体的典型剪断行为黏度比率：( a ) 0 0 0 0 2 ( b ) 0 7 ( c ) 1 0 ( d ) 6 0f i g 4 5t h ec u t t i n gb e h a v i o ro fs i m p l el i q u i db yd i f - f e r e n tv i s c i d i t yr a t i ov i s c i d i t ym t i o ：( a ) o 0 0 0 2 ( b ) o 7 ( c ) 1 0 ( d ) 6 oj u n gs h i c kl e e 等人认为采用双相乳化冷凝聚合法制备微球时，成球的机理是与分散相和连续相的黏度之比( t 1 分散相佃连续相) 有关的，该比例是成球大小的最主要因素。根据该机理，成球的时候油相温度保持在0 0 c 左右，明胶溶液由原来的较高温度时的低黏度进入植物油，由于剪切力的作用将料浆液滴拉长剪断，由料浆表面张力形成小球( 图4 5b ，c ) 。随料浆温度下降，料浆黏度急剧增大，相同剪切力的作用不足以使小球发生变化，直到小球形成凝胶( 图4 5d ) 。4 2 2 制备工艺对成球的影响本实验采用双相乳化冷凝聚合法制备明胶h a 小球。v l a d i m i rs k o m l e v 认为液相分相法成球的粒径分布范围受油温、搅拌速度和分散相和连续相的黏度之比的影响。1 温度的影响实验过程中采用冰水浴来控制连续相油相的温度，使整个实验过程在0 0 c 左右的环境中进行，由上面的原理分析可知，温度因素主要是通过影响两相的粘度比来影响成球相貌和大小的。实验发现在温度在室温下时，会生成一些短条状不规则的球体，为了提高制球效率我们选择在o o c 进行整个实验。2 两相粘度比由上面的成球原理可知，明胶在成球的过程中主要起交联包裹的作用，结合明胶微球的制备方法，实验过程中我们采用固定浓度l o ( 质量分数) 的明胶溶液，通过调节加入h a 的量来控制分散相的粘度。测试了三种配方的混合液的成球性2 9第四章结果与讨论能，分别记为3 # 、5 # 、8 # 配方豳鋈| |隰黔圈4 石不同配方制备微球的s e m 照片f i g4 s e m m l 。o g ”p h so f $ p h 艄w i t hd 谢啦g 】m h h am i l o s图4 6 为搅拌速率在2 0 0 r m i n 时不同配方制备微球的s e m 照片，从图中可看出随着h a 相对含量的增加导致两相粘度比的增加成球性能逐渐增高。8 #微球较3 # 、5 舯教球具有更好的形貌，且粒度分布比较均匀。3 搅拌速率及时间的影响从威球机理上来看，将料浆中的大液滴变成小液滴，需要对料浆做功，咀提供新生小液滴的表面能，能量越大。液滴越小。为了研究搅拌速率对成球形能的影响，我们选择8 # 配方在不同的搅拌速率下进行实验，观察搅拌速率对制球形貌和大小的影响。由图4 7 可看出在其它条件不变的情况下，改变搅拌速度可以将生成小球的粒径集中分布在比较窄的范围内，且微球粒径分布随着搅拌速率的增加而逐渐减小。图4 8 为不同搅拌速率下微球的s e m 照片，从图中可看处搅拌速率的改变对微球的形貌并无太大的影响。第四章结果与讨论；习n 萨| h 菡幽囡一c 1 0 0 r mh 3 0 0 曲nc 4 0 咖圈4 培在不同搅拌速率下获得的微球s m 照片f 1 94 - 8s e m m c r 0 卵p k 惯蛐女i 晌g 舳第四章结果与讨论图4 9 为不同搅拌时间对成球大小的影响，由分析曲线可知，此成球方法在两相混合5 m i n 后就基本完成成球。随着搅拌时间的延长，微球大小基本无变化。e3罱而里：c窭ocmz4 2 3 红外分析051 01 52 02 53 03 5剐r n n gt i m e ( m i n )图4 9 搅拌时间对成球大小的影响f 培4 9m e a nm i c r o s p h e r es i z ev e r s u ss t i m n gt i m e图4 1 0 是溶胶凝胶制备的h a 粉末和明胶h a 微球的红外分析曲线。由图a 可知，未加明胶的h a 粉末具有0 h 。( 3 5 7 l c m 一，6 3 l c m 卅) 和p 0 4 扣( 1 0 9 2 、1 0 4 6 、9 6 5 、和5 6 9 c m 。1 ) 特征峰。