（材料学专业论文）溶胶凝胶法制备羟基磷灰石粉体的新工艺.pdf

硕十学位论文 摘要 羟基磷灰石( h a ) 是人体和动物骨骼的主要无机成分，近二十年来，接近或 类似于自然骨成分的无机生物医学材料的研究极其活跃，其中特别值得重视的是 与骨组织生物相容性最好的羟基磷灰石活性材料的研究。人工合成羟基磷灰石在 人体生理环境中能和组织发生化学键合，从而在植入体与肌体组织之间形成紧密 的生物化学结合层，同时能够阻止植入体在体液中的腐蚀，提高其使用寿命：能 部分参与体内的新陈代谢，对牙细胞和成骨细胞生长有一定的引导诱发作用，促 进缺损组织的修复并提高其愈合速度；因此，在齿科、骨科修复和替换临床应用 方面极具潜力。此外，由于它独特的分子结晌，在口腔保健、水质净化领域也有 大量的应用，纳米羟基磷灰石粒子有效的抗癌效应也扩大了对其在药物辅助方面 的应用。基于以上所述，对羟基磷灰石粉体，特别是纳米粉体制各工艺的研究具 有现实意义。 本文采用溶胶凝胶方法，以四水硝酸钙的醇溶液和磷酸为制备羟基磷灰石的 前驱体，经过一系列尝试性的试验，分别对磷酸的滴加速度、硝酸钙的浓度、溶 液的p h 值、陈化时间等对工艺过程有重要影响的参数的分析，制定出一套简洁的 制备工艺。通过x 射线衍射分析( x r d ) ，热重分析( t g d s c ) ，红外光谱分析 ( f t i r ) ，扫描电子显微镜( s e m ) 、透射电子显微镜( t e m ) 、能谱仪( e d s ) 这些分析方法的综合使用，对所制备粉体的物相、成分、形貌给以分析，对制备 工艺加以优化，从而制备出纳米级的羟基磷灰石粉体。其中对粉体物相的鉴定采 取与牙釉质中提取的天然羟基磷灰石为参比的方法。化学合成中不同的离子在不 同的溶液介质中有不同的表现，溶胶凝胶制备粉体中前驱体不同所采取的工艺也 就不同。本文力图采用最易得到的反应物、有效且简洁的工艺过程来合成纳米羟 基磷灰石粉体，工艺特点的核心就是工序简单，周期短，并且有成效。对最终产 物的团聚现象采用常温下的超声波分散的方法加以改善。 关键词：羟基磷灰石；溶胶凝胶；工艺；纳米粉体； 堡坠丝墼鎏竺量丝量堡垒皇丝竺墼堑三堇 a b s t r a c t h y d r o x y a p a t i t e ( h a ) i sam a i ni n o r g a n i cc o m p o s i t i o no fh u m a na n da n i m a l b o n e s o v e rt h el a s t2 0y e a r s ，c l o s et oo rs i m i l a rt on a t u r a lb o n ec o m p o s i t i o no f i n o r g a n i cm a t e r i a l si nb i o m e d i c a lr e s e a r c hi se x t r e m e l ya c t i v e ，p a r t i c u l a r l yw o r t h yo f a t t e n t i o ni st h er e s e a r c ho fh y d r o x y a p a t i t ea c t i v em a t e r i a l sw h i c hh a st h eb e s t b i o c o m p a t i b i l i t y o fb o n et i s s d e s i tc a nf o r mc h e m i c a l b o n d i n gi n h u m a n p h y s i o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n do r g a n i z a t i o n s ，t h u sf o r mc l o s eb i o c h e m i c a ll a y e r b e t w e e ni m p l a n t a t i o na n db o d y ；m e a n w h i l ep r e v e n tt h ei m p l a n t si nt h eb o d yf l u i d f r o mc o r r o s i o n ，i m p r o v ei t ss e r v i c el i f e ；s y n t h e t i ch ac a na l s op a r t i c i p a t ei nt h ei n v i v om e t a b o l i s ma n di n d u c et h e g r o w t h o ft e e t hc e l l sa n d o s t e o b l a s t ， c o n s e q u e n t l y ，a c c e l e r a t et h er e p a i ro fd e f e c t sa n di m p r o v et h es p e e do fh e a l i n g ； t h e r e f o r e ，i tw i l lh a v et h eg r e a t e s tp o t e n t i a li nt h ea p p l i c a t i o no fd e n t a la n d o r t h o p e d i cr e p a i ra n dr e p l a c e m e n to ft h ec l i n i c a l i na d d i t i o n ，b e c a u s eo fi t su n i q u e m o l e c u l a rs t r u c t u r e ，i ta l s oh a saw i d eu s ei nt h ea r e a so fo r a lh e a l t hc a r e ，w a t e r p u r i f i c a t i o n ；b e c a u s eo f i t se f f e c t i v ea n t i c a n c e re f f e c t ，n a n o h ap a r t i c l e sh a s e x p a n d e di t sa p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fm e d i c i n e b a s e do nt h ea b o v e ，t h es t u d yo ft h e h a p o w d e r s e s p e c i a l l yn a n o p o w d e rs y n t h e s i ss t i l lh a sap r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i s p a p e rc h o o s et e t r a h y d r a t e dc a l c i u mn i t r a t ea n dp h o s p h o r i ca c i da s p r e c u r s o rt os y n t h e s i sh y d r o x y a p a t i t eb ys o l g e l a f t e ras e r i e so ft e s t st ot r y ，w e f o c u so nt h ep a r a m e t e r ss u c ha st h er a t eo fp h o s p h a t ed r o p ，t h ec o n c e n t r a t i o no f c a l c i u mn i t r a t e ，p h ，a n da g i n gt i m ee ta 1 t od r a wu pas e to fs i m p l ep r o c e s s ，a n d a n a l y s i st h ep h a s e ，c o m p o s i t i o n ，m o r p h o l o g yo fh ap o w e r st oo p t i m i z et h ei n i t i a l p r o c e s sb yt h ei n t e g r a t e du s eo fx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) t h e r m a la n a l y s i s ( t o d s c ) ，i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t l r ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n d t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) ，a n de d s ( e d s ) ，w h i l eu s en a t u r a l h y d r o x y a p a t i t ee x t r a c t i n gf r o me n a m e la sar e f e r e n c e a sc h e m i c a ls y n t h e s i so f d i f f e r e n ti o n si nt h es o l u t i o no fd i f f e r e n tm e d i ah a v ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c e ，w e a t t e m p tt o u s et h ee a s i s t r e a c t a n t ，e f f e c t i v ea n ds i m p l ep r o c e s st os y n t h e s i s n a n o h y d r o x y a p a t i t ep o w d e r ，u s eu l t r a s o n i cd i s p e r s i o nt oe l i m i n a t ei t sa g g l o m e r a t i o n 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 ；p r o c e s s ；n a n o p o w e r n 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，钧已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：懒 日期：。产月7 1 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 i 、保密o ，在 年解密后适用本授权书。 2 、不保密o o v ( 请在以上相应方框内打“v ”) 作者签名：链乜鹭 剔程名例 1 日期：乒司年 日期：乒一刁年 日日 7 7 月月 ，6 硕卜学侍论文 1 1 生物材料概述 第1 章绪论 生物材料是一种用来取代活体部位或在与活体组织内部联系中发挥作用的合 成材料。根据生物材料的特点和性质，可将生物材料定义为“一种用于植入或与活 体系统结合的无药力学和无生命性质的物质”。随着社会的发展和科学技术的进步， 生物材料的种类越来越多，包括所有植入人体内且与体内组织直接接触并起到某一 特定作用的材料都成为生物材料，生物材料通常包括两种，一是天然生物材料；二 是生物医用材料，即可用于取代、修复活组织的天然或人造材料。l s 国际标准化 组织) 1 9 8 7 年对生物材料的定义：是指“以医疗为目的，用于和活组织接触以形成 功能的无生命材料”，包括具有生物相容性( b i o c o m p a t i b i l i t y ) 或生物降解性 ( b i o d e g r a d a t j o n ) 的材料1 。 生物材料的发展已经有非常长的历史，自人类认识了解材料起，就有了生物材 料的端倪。早在公元前3 5 0 0 年，古埃及人就利用棉花纤维、马鬃做缝合线。1 6 世 纪开始用黄金板修复颚骨，用陶瓷做齿根，用金属固定内骨板以及用金属种植牙齿 等，随着医学以及材料学的发展，尤其是新型材料的研究开发成功，使得生物材料 在临床应用上成为新世纪医学工程发展的重要领域，它集中体现了医学与工程学、 材料学的交叉熔融。作为生物医用材料必须达到生物化学相容性和生物力学相容性。 生物化学相容性主要是指材料必须没有细胞毒性、组织刺激性、遗传毒性、致癌性， 不会导致免疫反应、过敏反应；力学相容性主要是指材料的力学特性接近修复部的 特性，即使长期使用其功能也不发生变化。 人体硬组织替换材料如人工骨、关节和种植牙等是生物材料的重要分支，已成 为生物材料的热点之一。目前用于骨缺损修复的人工材料主要有以下几类：高分子 材料、无机材料和复合材料。传统高分子材料如p m m a 和聚乙烯的生物相容性较差， 与骨组织之间有纤维组织间隔。可生物降解的高分子材料( 以聚乳酸和聚乙烯酸为 代表) 作为骨替代材料是多以复合材料的形式出现。无机材料是作为人工骨应用最 多的一类材料，以陶瓷材料为主，分为生物惰性、生物活性和可降解材料。其中， 生物惰性材料有氧化铝陶瓷；生物活性材料有生物活性玻璃、羟基磷灰石等，其突 出优点是随修复时间延长，种植体表面发生动态变化，表面形成与骨组织能够化学 结合的生物性羟基磷灰石；可降解陶瓷主要是b ，磷酸三钙( b t c p ) ”1 。 生物陶瓷材料的优点是植入人体内不会被机体排斥，具有优良的生物相容性和 化学稳定性，不会被体液腐蚀，自身也不会被老化。陶瓷材料的t 要缺点是脆性较 大，其弹性模量难以与正常骨相匹配，在一定程度上限制了在临床上的应用。目前， 生物医学工程的研究热点之一集中在对人体组织、器官的复制上，以期待能够替代、 治疗因疾病或外伤造成损害的组织器官。其中，对于牙齿、骨等硬组织的结构和性 溶胶凝腔洼制备羟壮磷灰杠粉体的新t 岂 能的了解较为清楚，其研究也较深入。 骨骼主要是由无机材料和有机材料组成的复合材料。其中有机成分主要为胶 原，占骨骼总重量的3 0 w t ，胶原在骨组织中以骨胶纤维的形式存在，骨骼的无机 成分占人体骨骼总重量的7 0 ，由非晶磷酸钙和晶化的羟基磷灰石组成。随着人口 年龄的增长，非晶的磷酸钙逐渐变成结晶化的羟基磷灰石，成年骨骼中结晶化的h a 约占人体骨骼重量的4 0 。齿骨的结构也类似于自然骨，但齿骨中羟基磷灰石的含 量可高达9 7 。人工合成的羟基磷灰石的组成与自然骨的矿物成分非常接近，植入 人体后不会引起异体排斥反应，可以与骨直接结合，是比较理想的植体材料刚。 1 2 羟基磷灰石 羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，简称h a ，化学分子式：( c a l 0 ( p 0 4 6 ( o h ) 2 ) 是人体和动物骨骼的主要无机成份。在人体骨中，h a 大约占6 0 ，它是一种长度 为2 0 4 0 r i m ，厚度1 5 3 0 r i m 的针状结晶，其周围规则地排列着骨胶原纤维。齿骨 的结构也类似于自然骨，但齿骨中h a 的含量高达9 7 。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 的替代材料( 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，其中特别值得 重视的是与骨组织生物相容性最好的h a 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h a 粒子( 或称超细 h a 粉) 的研究，h a 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，研究中发现h a 纳米粒子本身就有 一定的生物学效应0 1 。表1 1 列出了羟基磷灰石的主要力学性能参数与牙和骨的对 比”。 表1 ，1 羟基磷灰石的主要力学性能参数及与牙、骨的对比“1 材料 密度p ( g c m 1 ) 抗弯强度sl m p a抗压强度sl m p a 致密骨2 2 8 8 8 1 4 4 8 9 1 6 4 牙齿 一 一 2 9 5 h a 陶瓷3 1 31 0 3 1 1 34 6 2 5 0 9 材料弹性模每g p a 断裂韧性d ( m p a m 1 7 2 )热胀系数，( 1 0 4 ) 致密骨 1 5 82 2 4 6 一 牙齿1 8 2 1 1 4 丛豳筐! ：q ：2 = 垒竖 ! ! = ! 1 1 2 1 羟基磷灰石的结构 羟基磷灰石是六角晶体结构，等于p 6 3 m 空日j 群，如图1 1 所示，其晶胞结构 可以用a , b ，c 三个向量表示。单胞参数为：a = b = 0 9 4 2 n m 、c = 0 6 8 8 2 n m 晶胞中各角被 2 硕十学侍论文 氧占据，磷、钙在晶胞内部，构成复杂的晶体结构。单位晶胞含有1 0 个 c a 2 + 1 ，6 个 p 0 4 。】，2 个 o h 一】。从图中可以看至f j i o h 】位于晶胞的四个角上，4 个c a 2 + 占据 c a ( 1 ) 位置，即z = 0 和z = l 2 位置各2 个，该位置处于6 个0 组成的c a o 八面体 中心。6 个c a “处于c a ( i i ) 位置，即z = 1 4 和z = 3 4 位置各有3 个，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， 这些四面体的网络使得h a 结构具有较好的稳定性1 。 oo o h oc i ) oc a l i ) p 图1 1 羟基磷灰石结构在( 0 0 0 1 ) 面上的投影”1 早在1 7 9 0 年，w e r n e r 用希腊文字将这种材料命名为磷灰石。1 9 2 6 年，b a s s e t t 用x 射 线衍射方法分析认为人骨和牙齿的无机矿物成分很像磷灰石；1 9 7 2 年，日本学者a o k i 成功地合成了羟基磷灰石并烧结成陶瓷。1 9 7 4 1 9 7 5 年，a o k i 等发现烧成的羟基磷灰石 无论结晶与否都具有良好的生物相容性啪。自此以后，世晃各国都对羟基磷灰石材料进 行了全方位的基础研究和临床应用研究。对纳米羟基磷灰石的研究要远比羟基磷灰石晚 的多。上世纪8 0 年代后期，出现了少量关于纳米h a 制备方法的研究报道。自1 9 9 0 年以 后，对纳米h a n 备方法及其在医学领域的研究有了突飞猛进地发展。而且有关的文献 报道还在逐年增多。 1 2 2 羟基磷灰石的性质 羟基磷灰石密度为3 1 6 9 c r a 3 , 折射率为1 6 4 1 6 5 ，热膨胀系数为1 5 x 1 0 r 6 k 1 ，致密h a 的抗压强度约为6 5 0 m p a , 抗拉强度为2 5 0 m p a ，但是其抗疲劳性差，在生理负荷下，在体 内几个月便发生碎裂。微溶于水，水溶液呈现弱碱性，离子交换能力强。按照分子式计 算羟基磷灰石的c a p 比等于1 6 7 ，但实际上晶格存在缺陷，h + 、n a + 、m 9 2 + 、c 0 3 2 等种 种离子常嵌入其中，形成复杂的成分组成。其在应用上有以下显著性质：( 1 ) 生物相容 性：h a 对含磷酸基的蛋白质及羟基含量高的蛋白质吸附很强，诱导骨组织生成，并与 生物的骨骼长在一起，排斥反应很小，结构与，匕物骨骼接近。( 2 ) 高脆性：由于韧性差 3 溶胶凝胶往制备羟皋磷敏l l 粉体的新丁艺 而且是多孔结构，所以会很脆，不能单独作为应用材料，要与其他金属复合使用。( 3 ) 低的抗拉强度，这是h a 多孔结构和本身强度低的必然结果。( 4 ) 遇酸分解：在弱酸中 就会溶解。温度在3 7 左右时，h a 稳定存在的环境要求p h 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。 1 2 3 羟基磷灰石的活性机理 与其他生物材料相比，人工合成的h a 陶瓷的肌体亲和性最为优良。研究表明，h a 与周围骨组织结合主要是通过两种途径： ( 1 ) 化学性结合：h a 中的c a 2 + 、p 0 4 2 - 吸附周围骨组织中的c a 、p 离子形成化学 键，t k a w a s a k i ”3 提出h a 表面主要存在两个吸附位置，当o h 位于晶体表面时，该 位置连接着两个c a 2 + ，在水溶液中这个表面的o h - 至少在某一瞬间空缺，由于两个 c a 2 + 带正电，形成一个吸附位置。同理，当表面的c a 2 + 在某一瞬间空缺时，表面形 成另一个吸附位置。 ( 2 ) 生物结合：骨细胞长入h a 的微小空隙中。h a 植入后可与周围的骨组织和体 液发生化学作用，不断的与周围的磷酸三钙、磷酸四钙发生离子交换，这是一个动态平 衡，当达到这个平衡时，在h a 与骨的界面上便产生了新的h a 。钙离子、磷离子不断从 h a = 表面弥散出来，体液中的c a 、p 离子在电化学作用下不断向h a 表面浓聚，这样在 h a 的表面就形成了一个富含c a 、p 离子的反应层，此层中的钙磷离子和骨细胞中的 蛋白质分子相结合，从而新生骨组织与h a 紧密结合为一体。在此过程中，h a 材料 表面的限制性溶解是重要的一步，其次为钙磷离子的外向性沉积和再沉积。这种表 面溶解伴随着骨矿物质中h a 的再沉积，在h a 与周围骨组织问产生了一个能传导相 应应力的界面，这些反应不一定按同样的速度进行。新生骨在h a 周围形成后，h a 表面的液体滚动就会相应减慢，从而离子交换也会相应减慢。h a 上释放的钙离子在 重新沉积前溶解在体液中，由于h a 的限制性溶解，体内钙离子浓度升高，这有利于 h a 的沉积，然而这种沉积不一定与刚溶解的钙结合。体液在h a 表面起介导作用， 它影响细胞的增殖和分化。而h a 的存在为成骨细胞的扩散和增殖创造了条件，成骨 细胞在h a 表面的附着、扩散、生长、分化是发生骨骼固定的依赖因素，在这些过程 中，成骨细胞制造和分泌粘结物质粘结糖蛋白，它是一个二聚体，两个单体片 断通过二：硫键相连，当它结合在h a 表面后被激活去诱导骨细胞与h a 的结合。既然 h a 能与枯结蛋白结合并能对细胞生长有引导性，这就注定它能同周围的骨组织紧密 连接在一1 起膊，。 1 2 4 羟基磷灰石的应用 1 2 4 1 医学领域 由- j i h a 生物陶瓷的抗弯强度和抗拉强度低，这极大地限制了h a 作为人体骨骼 替代物的应用范围和使用价值。针对这个问题，国内外已有大量的h a 生物复合材料 4 硕十学位论文 研究的报道，主要分为强韧化h a 生物复合材料和功能性活性h a 生物复合材料。强 韧化h a 生物复合材料主要有三种：金属h a 生物复合材料、生物惰性陶瓷h a 生物 复合材料和高分子聚合物h a 生物复合材料。它们通常有比整体h a 生物陶瓷更高的 力学性能。 一般来讲，增强体要求可强韧化h a 复合材料，而不影响其生物活性。( 1 ) h a 厂r i 复合材料：钛及钛合金作为生物医用材料已经被成功的应用于牙齿和骨的植入，其 比重接近于人体骨，生物相容性好，强度高，一方面用金属钛作为h a 的增强体，采 用混合粉体粉末冶金法，将钛粉和h a 粉按照一定比例混合均匀，模压成型，热压烧 结，获得具有一定力学性能的复合材料；另一方面将羟基磷灰石以涂层的形式涂覆 在钛合金基体上，从而凸显h a 优异的生物活性，充分利用钛合金良好的力学性能， 相应的涂层制备技术也接踵而至，如等离子喷涂、激光熔覆、电泳沉积、磁控溅射、 溶胶凝胶等，各有优劣。( 2 ) 通过将一些陶瓷材料或金属( a 1 2 0 ，、z r 0 2 、t i 0 2 、 生物玻璃、珊瑚、a g 等) 与h a 以一定比例混合，高温烧结后制得，在体液中往往 在界面上发生化学反应，但耐水性差。( 3 ) 许多天然或合成的生物高分子都可以与 h a 进行复合，如聚乳酸，聚甲基丙烯酸甲酯，胶原，壳聚糖等，一般采用混炼，模 压工艺成型，可以较好的改善材料的韧性。但会造成h a 粉末分散不均，材料各部分 性能不一致，植入生物体内会产生炎症”1 。 生物骨组织的多孔结构，使其能够适应一定范围的应力变化，同时多孔组织能 够使血液流通，保证了骨组织的正常代谢，因而开发生物活性多孔植入材料是一种 必然。在骨替换手术中，植入孔隙形貌和结构与骨单位及其脉管的连接方式一致， 可以为骨基质提供支架的骨基质替代物，就可以促进骨组织的生长，实现骨缺陷的 修复和替换。这就是开发类似人体骨基质结构的多孔羟基磷灰石生物陶瓷的原因。 研究表明，当多孔羟基磷灰石陶瓷孔隙率超过3 0 以后，孔隙之间能相互连通，新 生组织可以从人工骨表面长入内部各部分并相互结合，这样不仅获得良好的界面结 合，而且新生组织的长入能降低多孔h a 陶瓷的脆性，提高抗折强度。此外，多孔结 构降低了h a 材料的刚性，有利于界面应力的传导，符合界面力学要求，使界面能够 保持稳定，从而提高种植效应。通过添加硅灰石等纤维状填料来实现多孔陶瓷的增 韧，可望将h a 生物陶瓷的应用范围扩大到人体承重部位的骨替换或修复“。 武汉工业大学李世普教授研究发现”1 ，纳米h a 微晶对正常细胞活性没有影响， 但对癌细胞的生长具有抑制作用。纳米h a 微品一方面聚集在癌细胞表面，使得c a “ 离子浓度异常高，导致癌细胞萎缩、变形、死亡；另一方面，粒径小于细胞膜孔尺 度的h a 微晶也可以进入细胞内部，直接与细胞质、细胞核发生作用。这两种综合作 州使得h a 微晶抑制了d n a 合成期中d n a 的合成，从而改变了细胞周期时想的分布， 抑制了细胞的增殖。纳米微晶h a 与癌细胞的作用机理以及纳米粒子的生物学效应等 仍不是很清楚，已有的 作表明这种研究具有较大的理论意义和应_ 喟前景。 5 溶股凝腔注制蔷胫皋磷扶石粉体的新t 艺 由于羟基磷灰石可以提供适合新骨沉积的生理基质，引导周围组织再生以及牙 骨质沉积，应用羟基磷灰石糊剂( 药物配方：粉末羟基磷灰石6 0 、碘仿2 0 、甲 硝唑、红霉素各1 0 、甘油适量) 治疗由于外伤、龋齿、非龋齿等病导致的年轻恒 牙牙根发育停止或患牙早失等牙病，效果很满意。 1 2 4 2 非医学领域 近年来羟基磷灰石在其它领域也有重要的应用，h a 晶格中两种位置c a “离子 的价键与半径不同，对各种半径的二价金属阳离子有着广泛的容纳性，二价阳离子 的进入将产生位置选择性而形成有序的超结构。同时，在酸性环境中，结构通道中 的o h 也较容易被f 。替换，用它作为吸附剂纯化饮用水有良好的效果，而且，当吸 附材料对f 吸附饱和时，经过n a o h 和h 2 s 0 4 稀溶液处理后，吸附效果基本恢复， 吸附材料可以反复使用1 。因此，可以将羟基磷灰石开发成一种优质的无机离子晶 格吸附与交换材料，用于废水治理和有价值元素的回收，而被吸附的重金属离子会 固化在晶格间，不会产生二次污染。 h a 的表面电荷主要是o h 。和c a “，在所有的定势离子中，h a 对这两个离子的 吸附能力最强，o h 。和c a 2 + 离子浓度的变化将引起酸根离子浓度的变化。同时在高 湿度环境中，o h 。在羟基磷灰石多孔陶瓷表面形成相当大浓度的表面氢氧基，从而 引起多分子吸附层的形成，能灵敏地改变陶瓷的表面电阻，从而引起电信号的改变， 起到传感的作用，故而是良好的湿敏半导体材料“。 同时，在口腔保健领域羟基磷灰石也发挥着重要的作用。由于羟基磷灰石优良 的吸附性能，它可以吸附并去处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，也可以有效的吸附直接导致龋齿生成的细菌，因而可广泛应用于消除 牙菌斑和口腔疾病引起的口腔异味，以及预防龋齿。羟基磷灰石特别是高活性的纳 米级羟基磷灰石不仅可中和口腔中的酸性物质，其较高的溶解反应可极大地提高唾 液中c a 和p 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。羟基磷灰石在美白牙 齿上也很有效果。基于以上优良的作用，近年来国内外研究者已经成功地开发出含 有活性经基磷灰石的保健牙膏，它使用安全、方便，在刷牙过程中可以不断地刺激 和活化牙齿和牙周组织，美白牙齿，有效预防牙龈炎和牙周病的发生“。 由上可见，羟基磷灰石有着广泛的应用面，而且这些应用都与人们的日常生活 密切相关，这就为其研发和生产提供了先决条件。我国磷资源储备据世界第二，羟 基磷灰石的有效研发也为我国磷资源的开发提供了一条新的途径。 1 2 5 羟基磷灰石粉体的制备 羟基磷灰石分为天然羟基磷及石及人工合成羟基磷灰石两类，天然羟基磷灰石 主要是从动物的骨骼或是珊瑚中提取的，其组成中含有活体必需的一些微量元素， 6 硕卜学何论文 其仿生性能优于人工合成的羟基磷灰石，因其来源限制，目前人们还是趋向于人工 合成。h a 陶瓷的生物学特性与它的化学组成、相的纯度、微观结构( 即钙磷比、结 晶度、颗粒尺寸、气孔率以及比表面积等) 息息相关。制备羟基磷灰石粉体的传统 方法有：液相沉淀法，固相合成法，水热生成法，溶胶凝胶法等，无论采取何种制 备工艺，最初得到的产物通常都不具备羟基磷灰石的晶体结构，而是一种无定形的物 质，称之为无定形磷酸钙( 简称a c p ) ，分子通式为c a l o x ( h p 0 4 ) x ( p 0 4 ) 6 x ( o h ) 2 抬在传 统方法中，将无定形物干燥、研磨、筛分后，进行晶化处理，有时还要加高压，来控制其 微观结构和化学组成，才得到结晶度较好的致密的h a “。 i 2 5 1 液相沉淀法 液相沉淀法是制备羟基磷灰石粉体最典型的方法，这种方法通常采用把一定浓 度的磷酸氢铵和硝酸钙反应或者磷酸与氢氧化钙在一定的温度下搅拌反应，通过加 入适当的沉淀剂制备前驱体沉淀物，反应过程中使用氨水调节p h 值，把沉淀物高 温煅烧，从而得到h a 粉体。王志强“”等进一步研究了沉淀法制备h a 纳米粉末工 艺的几种影响因素( 容积体系、反应温度、凝胶清洗用剂、洗滤次数等) ，探索出 了较稳容易操作的工艺条件：以c a ( n 0 3 ) 2 2 h 2 0 和( n i l ) ) 2 h p 0 4 为前驱体，在 水一乙醇体系下，采用比在水体系下合成易于实现的操作工艺，制备出粒径约为5 0 r i m 的h a 粉体。该方法的优点是：工艺简单、合成粉体的成本较低，可以大量制造h a 粉体，并广泛应用于工业生产中。缺点是：必须严格控制实验的工艺条件，比如c a p 摩尔比、混合物的p h 值、以及反应产生沉淀的时间等。 1 2 5 2 固相合成法 通常是把磷酸钙及其它的化合物磨细均匀的混合在一起，在有水蒸气存在的条 件下，反应温度大于1 0 0 0 ( i 0 0 0 1 3 0 0 ( 2 ) ，可以得到结晶较好的羟基磷灰石。 该法制备羟基磷灰石的途径有如下几种： a ) 用c a c 0 3 、c a a ( p 0 4 ) 2 或c a 4 p 2 0 9 为原料，在1 2 0 0 ( 2 1 3 0 0 c 下通水蒸气处理2 3 小时，通过固相反应合成h a 。反应如下： 3 c a 3 ( p 0 4 ) 2 + c a c 0 3 + h 2 0 - - - , c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 + c 0 2 r r a m a c h a d r a 等用c a 3 ( p 0 4 ) 2 和c a ( o h ) 2 制备羟基磷灰石，研究了不同摩尔 比的配料在不同温度下的物相，结果发现在l o o o 、8 h 的工艺下，当b t c p ( b c a 3 ( p 0 4 ) 2 ) 和c a ( o h ) 2 的摩尔比为3 ：2 和3 ：3 时，合成的产物为纯的羟基磷灰 石。当摩尔比为3 ：1 和3 ：1 5 时，合成的产物为h a 和b - t c p 。当摩尔比为3 ：4 时，合成的产物为h a 和c a o 。 b ) 文献 1 7 1 用蛋壳煅烧成c a o ，再和磷酸钙煅烧制备h a 。反应如下： 3 c a 3 ( p 0 4 ) 2 + c a o + h 2 0 - * c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 c ) 把固态c a 3 ( p 0 4 ) 2 及其它化合物均匀混合在一起，在有水蒸气存在的条件下， 溶股凝股法制需羟堆磷狄缸粉体的新t 艺 反应温度高于1 0 0 0 c ，可以得到结晶较好的羟基磷灰石“”。但以上反应必须严格控 制反应的温度，因为在1 2 0 0 烧结温度下，反应的晶相为h a ，而在1 2 5 0 烧结温 度下，晶相为h a 和t c p 两种混合物。这这种方法合成的羟基磷灰石优点是粒径大 约l m m ，纯度高，结晶完整无晶格缺陷，晶格常数不随温度变化。缺点为：该方法 要求较高的温度和热处理时间，粉末的可烧结性差，使得应用受到了一定限制。 1 2 5 3 水热生成法 水热法其特点是在特制的密闭反应容器( 高压釜) 中，水溶液为反应，介质，在 高温高压环境中，不受沸点的限制，可以使介质的温度上升到2 0 0 。c 4 0 0 。c ，使原来难 溶或不溶的物质溶解并重新结晶的方法。这种方法通常采用磷酸氢钙等为原料的水 溶液体系，在高压釜中制备h a 耪体，其典型工艺为：以c a a 2 ( 或c a ( n 0 3 ) 2 ) 与 n h 4 h 2 p 0 4 为原料，以钛网，t i 6 a i 4 v 片或其它合金为阴极，以石磨为阳极，控制 一定的p h 值和沉淀时间，可得到c a h p 0 4 2 h 2 0 ，随后经水蒸气处理即可得到羟基 磷灰石化学反应如下： h 2 p 0 4 = h p o , 2 + h + h p 0 4 + c a 。+ 2 h 2 0 = c a h p 0 4 2 h 2 0 1 0 c a h p 0 4 2 h 2 0 = c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 + 4 h 3 p 0 4 + 1 8 h 2 0 但这种方法的缺点是：对设备的密闭条件要求很高，反映条件不容易控制。但 可以获得高纯度、高有序度、结晶较好的h a 多晶粉体。 1 2 5 4 溶胶凝胶法 简单的讲，溶胶凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将 这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系， 溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络问充满了失 去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的 材料。 1 3 溶胶凝胶法的原理及工艺 溶胶凝胶( s 0 1 g e l ) 法是6 0 年代发展起来的一种微粉制备方法，它的基本原理 是以液体的化学试剂配制成金属无机盐或金属醇盐前驱体，前驱物溶于溶剂中形成 均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应，反应生成物经聚集后，一般生成l n m 左右的粒子并形成溶胶。经过长时间放置或干燥处理溶胶会转化为凝胶。再经干燥、 烧结等后处理而形成氧化物或其它化合物固体。与传统的无机材料制备法相比较有 以下优点：用料少，成本低；原料组分可在分子水平1 2 均匀混合：工艺设备简单， 不需要任何真空暧备或其它昂贵设备；工艺过程温度低，对制备含有易挥发组份或 高温下易分解的物质尤其有利；所得制品均匀性高；合成产物纯度高并且热处理温 硕e 学伊论文 度低等，因此近些年来采用溶胶凝胶工艺制备各种材料成为新材料领域的热点。 1 3 1 原理 有机醇盐水解法是溶胶凝胶技术中应用最广泛的一种方法。常采用金属醇盐 为原材料溶于溶剂( 水或有机溶剂) 中形成均匀的溶液，溶质与溶剂问发生水解或醇 解反应，反应生产物聚集成几到几十纳米左右的粒子并形成溶胶。以金属醇盐为原 材料的溶胶凝胶过程包括水解和缩聚两个过程： ( 1 ) 水解反应，金属醇盐m ( o r ) n 与水的反应为 m ( o r ) n4 - x h 2 0 - * m ( o h ) x ( o r ) n x + x r o h ( 2 ) 缩聚反应，通常有两种方式，失水缩聚和失醇缩聚 失水缩聚：m o h + o h m - _ + m o m + h 2 0 失醇缩聚：m o r + o h m _ m o m + r o h 反应生成物是各种尺寸和结构的胶体粒子。 1 3 2 工艺 溶胶凝胶法制备粉体和涂层的基本工艺过程示意图如下： 园一聃 圈1 2 溶胶凝胶法的基本工艺过程“” 下面将溶胶凝胶主要步骤逐一说明： ( 一) 溶胶的制备u ” 溶质在水解和缩聚后生成颗粒，当条件得当时，就形成稳定的溶胶。在溶胶凝 胶法中，最终产品的结构在溶液中已初步形成，后续工艺与溶胶的性质直接相关， 因此溶胶的质量相当重要。醇盐的水解和缩聚反应使均相溶液转化为溶胶，显然控 制水解和缩聚的条件是制各高质量溶胶的前提。影响溶胶质量的因素主要有水和醇 的加入量，溶液p h 值，陈化温度，提拉速度等。 ( 二) 凝胶化过程 凝胶是一种由细小粒子聚集成三维网状结构和连续分散相介质组成的具有固 体特征的胶态休系。在陈化的过程中，缩聚反应形成的聚合物或粒子聚集体逐渐连 接成网络结构作为骨架，将液相包裹于其中。 ( 二i ) 凝胶的干燥 9 i ；： 腔凝股法制备羟皋磷扶山粉体的新r 艺 凝胶中含有液体，要进行干燥处理。干燥初期控制干燥速度非常关键，最好在 室温下控制干燥速度逐步干燥，否则将会因聚合结构中液体蒸发过快，使凝胶因膨 胀承受很大压力导致破碎。开始时残余水及醇蒸发，接着有机物分解凝胶转化成无 机材料。 ( 四) 热处理 经干燥后的凝胶含有大量气孔，需要进行热处理才能获得所需要的性能。热处 理的目的是使相组成和显微结构满足产品性能要求在加热的过程中，低温下首先脱 去吸附在表面的水和醇，稍高的温度，反应的副产品将会氧化或者分解，最后是结 晶。 1 3 3 发展历程 1 8 4 6 年法国化学家j j e b e l m e n 用s i c l 4 与乙醇混合后，发现在湿空气中发 生水解并形成了凝胶”“。 2 0 世纪3 0 年代w g e f f c k e n 证实用金属醇盐的水解和凝胶化可以制备氧化 物薄膜。 1 9 7 1 年德国h d i s l i c h 报道了通过金属醇盐水解制备了 s i 0 2 一b 2 0 - a 1 2 0 3 - n a 2 0 k 2 0 多组分玻璃。 1 9 7 5 年b e y o l d a s 和m y a m a n e $ 1 j 得整块陶瓷材料及多孔透明氧化铝薄 膜。 8 0 年代以来，在玻璃、氧化物涂层、功能陶瓷粉料以及传统方法难以制 得的复合氧化物材料得到成功应用。 1 3 4 国内外研究 找到合适的、能够合成最终的h a 相的溶胶凝胶体系是其广泛应用的基础。这方 面的研究最早始于增田喜男“”等的研究，他们采用乙醇钙和亚磷酸三乙醋加入乙二 醇、水和醋酸使之水解成凝胶沉淀，经2 0 0 烘干和9 0 0 热处理形成h a 相。根据 体系中p h 值的不同，最终的产物中可能有c a o 、b t c p 相存在。其中在p h 为6 至1 j 8 范围内产物为一纯的h a 相。虽然这种方法可以制备出较纯的h a 相，但由于采用的 醇盐价格昂贵，而且制备过程中需要较高的热处理温度，难以广泛地应用。 d e p t u l a 等”2 将醋酸钙和磷酸溶液超声共混后，在2 乙基已醇中制成乳浊液， 以5 0 干燥2 4 d 时以及9 0 0 热处理2 4 d 时后形成粒径小于1 0 0b m 的h a 颗粒。可以 看到，虽然这种方法的先驱体成本较低，然而制备过程稍显复杂，而且需经高温 ( 9 0 0 ) 长时i b j 热处理。la y r o l l e 等”采用在乙醇钙的醇溶液中滴加磷酸的方 法得到了白色的凝胶沉淀，经在1 0 0 烘干8 小时后得到的粉未为一非晶相钙磷酸盐 ( a c p1 ，经过6 0 0 。c 热处理后，粉末转变为h a 相。与i j 述方法相比，该方法能够 在较低的热处理泓度下制备出h a ，然而，由于采用了将钙金属溶于乙醇中制备乙醇 钙作为钙前驱体，实验过程较为复杂，而且成本也较高。 g k o r d a s 等”“”和a j i l l a v e n k a t e s a 等似7 1 采用醋酸钙和磷酸= 三乙酯体系合成 l o 硕十学伶论文 了h a ，从实验过程来看，该方法较为简单只需将两种试剂的水溶液( a j i l l a v e n k a t c s a 等采用醇溶液) 混合，在接近室温的条件下成胶，再将凝胶干燥、热 处理即可得到h a 。虽然这种方法在5 0 0 左右就可产生h a 相，但只有经过近 1 0 0 0 左右的热处理后h a 晶相才能较好地发育，而且产物中通常含有部分c a o 相 存在，需要h c i 溶解去处。 袁媛”等以四水硝酸钙和磷酸三甲酯为原料，水和无水乙醇为溶剂，用氨