（材料学专业论文）反胶团热液法合成羟基磷灰石纳米线及其机理研究.pdf

博士学位论文 摘要 羟基磷灰石生物活性陶瓷具有良好的生物相容性，植入体内不仅安全无毒， 还能引导骨生长。因此，它主要用于人体硬组织( 骨、牙) 的修复和替换，也用 于人工血管、气管等软组织及药物控释和输送载体，还是一种优良的生物化学吸 附剂。尽管羟基磷灰石陶瓷材料具有良好的生物相容性和生物活性，但是其抗弯 强度低、脆性大，在生理环境中抗疲劳性不高，只能应用于不承重或者仅承受纯 压力负荷的环境中。 本实验的目的是为了制备出高长径比的羟基磷灰石纳米线，从而增加羟基磷 灰石生物陶瓷材料的柔韧性和强度。实验用反胶团热液法在高温高压的密闭 反应釜中，以十六烷基三甲基溴化铵环己烷正戊醇水溶液形成的反胶团溶液来 控制羟基磷灰石纳米材料的生长形态，制各了宽度为4 0 6 0 n m 、长度为2 3 9 m 、 平均长径比高达8 0 的纳米线。e d s 能谱研究表明，该羟基磷灰石的c a p 为1 7 8 ， 大于计量型h a 的钙磷比( c a p = 1 6 8 ) ，是富钙型羟基磷灰石，同时电子衍射图、 高分辨二维晶格像展示了该材料是结晶完好并且无晶格缺陷或位错的单晶体。 论文的第三章探讨了不同的表面活性剂体系、w 。( 体系中水的物质的量与表 面活性剂的物质的量的比) 、p 。( 正戊醇的物质的量与表面活性剂的物质的量的 比) 、反应温度、反应时间和p h 值等工艺条件对产物的形态、结晶度和成分的影 响。最终确定了最适宜制备高长径比羟基磷灰石纳米线的反应条件。 论文在第四和第五章中分别讨论了在反胶团体系中合成羟基磷灰石纳米线的 机理、反胶团对材料形态控制机理、反胶团一热液法的反应动力学、在反胶团中 晶体的成核和生长机理。结合透射电镜和扫描电镜技术表征了纳米线的微观结构。 利用傅立叶变换红外光谱分峰技术对反胶团的微观结构进行了研究；采用”p 的 核磁共振探讨了在水核中反应物离子与表面活性剂分子之间的相互作用；采用紫 外可见光技术研究了水和正戊醇含量对反应体系的影响。利用时间分辨荧光技术 以r u ( b p y ) 3 2 + 作为荧光探针确定了在不同w 。，p 。值下荧光衰减的衄线方程，并且 求出了反映局部受限的程度的参数s 。结果表明：在c t a b 环己烷正戊醇反应 物溶液体系中，当w 。= 1 0 ，p o = 3 时，探针r u ( b p y ) 3 ”的运动完全受到限制。从 而提出了在水核中纳米线的形成和反胶团对其控制形态的机理：组成反胶团的表 面活性剂分子与反应物中的p 0 4 3 - 之间有着强烈的作用，正是这种作用导致形成了 表面活性剂分子无定形核的复合体，从而使得反胶团之间发生定向、不可逆 的融合，保证了仅在一维方向上生成纳米线。水和正戊醇的含量变化会影响到反 胶团的形态、尺寸以及表面活性剂分子与反应物离子之间的作用，从而对在其中 i i 反胶团一热液法合成羟基磷灰钉纳米线及合成机理研究 生长的纳米材料形态起着精确的控制作用。 整个反应在低温时( 6 5 。c ) 是零级反应，表现为扩散控制，而且扩散系数基 本保持恒定，所以在宏观上整体反应表现为不随浓度变化的零级反应。在中高温 区( 1 2 0 2 0 0 ) 内为二级反应，表现为表观活化能控制，而且表观活化能较大， 使得反应对温度比较敏感。所以，当温度从1 2 0 。c 升至2 0 0 。c 时反应速率常数增大 两个数量级。 对反胶团溶液中成核动力学的研究发现，均相成核的过程中，羟基磷灰石成 核的吉布斯自由能远大于c a h p 0 4 成核的吉布斯自由能，因此也证明了在体系中 首先形成的是c a h p 0 4 无定形核。在反胶团中的成核过程中不仅要考虑反应物之 间的碰撞还要考虑反胶团之间的布朗运动。通过紫外可见光光谱测得在不同时间 内粒子的粒径，得到了在常温常压下成核速率方程。 通过计算在不同时间内产物的产量和比表面积可以得出羟基磷灰石纳米线在 一维方向上的生长速率方程和整体生长速率方程。实验中晶体有效生长级数为 1 4 。较大的生长级数证明了在本实验体系中由于有表面活性剂的生长引导作用使 得晶体在一维方向上能更加有效生长。 关键词：羟基磷灰石：纳米线；表面活性剂；反胶团；机理 i i i 博士学位论文 a b s t r a c t h y d r o x y a p a t i t eh a sg o o db i o c o m p a t i b i l i t y i ti sn o n p o i s o n o u sa n ds a f e t o t r a n s p l a n ti n t ot h el i v i n gb o d yo fh u m a nb e i n ga n di tc a ni n d u c et h eg r o w t ho fb o n e s ， t h e r e f o r e ，i ti sm a i n l yu s e da sb i o m a t e r i a l st or e p l a c eo rr e p a i rh u m a nh a r dt i s s u e s s u c ha sb o n e so rt e e t hi nc l i n i c a la p p l i c a t i o n s i tc a na l s ob eu s e da ss o f tt i s s u e ，s u c h a sa r t i f l c a lt r a c h e ao rb l o o dv e s s e l i na d d i t i o n i tc a nb eu s e dt oc o n t r 0 1t h er e l e a s e a n dd e l i v e r yo fd r u g s i ti sa ne x c e l l e n tb i o c h e m i c a la d s o r b e n t ，h o w e v e r ，d u et oi t s l o wb e n d i n gs t r e n g t h ，l o wt h o u g h n e s sa n dl o wf a t i g u es t r e n g t hi np h y s i o l o g i c a l e n v i r o m e n t ，h y d r o x y a p a t i t eb i o c e r a m i c sc a n n o t b eu s e df o rh e a v y l o a d b e a r i n g a p p l i c a t i o n s i no u re x p e r i m e n t s ，w ea i m e da tp r e p a r i n gl o n gh y d r o x y a p a t i t en a n o w i r e sw i t h h i g ha x i a lr a t i ot oe n h a n c et h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s so fh y d r o x y a p a t i t eb i o c e r a r n i c n a n o w i r e so f4 0 - 6 0n mw i d t ha n d2 - 3 p ml e n g t hw e r ep r e p a r e di ns e a l e dv e s s e la t h i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e b yt h em o r p h o l o g i c a lc o n t r o lo fr e v e r s em i c e l l a e w h i c hw e r ec o n s i s t e do fc t a b ，c y c l o h e x a n e ，n - p e n t a n o la n dr e a c t a n t ss o l u t i o n ，t h e a x i a lr a t i oo fn a n o w i r e sr e a c h e d8 0 e d sp a t t e r n ss h o w e dt h a tt h ep r o d u c tw a s c a l c i u m r i c hh y d r o x y a p a t i t ew i t hac a j pr a t i oa b o u t1 7 8 ( c a pr a t i oo fs t o i c h i o m e t r i c h y d r o x y a p a t i t e i s 1 6 7 ) t h eh i g h r e s o l u t i o n t 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 ( h r t e m ) i m a g ee x h i b i t e dw h i c hw a sd i s l o c a t i o n f r e ea n dh a dg o o dc r y s t a l l i n i t y t h e s e l e c t e d a r e ae l e c t r o nd i f f r a c t i o np a t t e r ns u g g e s t e dt h en a n o w i r ew a ss i n g l ec r y s t a l i nc h a p t e r3 ，w ed i s c u s s e dt h ei n f l u e n c e so ft e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n ss u c ha s s u r f a c t a n ts y s t e m s ，v a l u e so fw o ( m o l a rr a t i oo fw a t e rt os u r f a c t a n t ) a n dp o ( m o l a r r a t i oo fn p e n t a n o lt os u r f a c t a n t ) ，t e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m ea n dp hv a l u e so nt h e m o r p h o l o g yc r y s t a l l i n i t y a n dc o m p o s i t i o no ft h ef i n a l p r o d u c t t h eo p t i m i c t e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n sf o rt h ep r e p a r a t i o no fh a n a n o w i r e sw i t hh i g ha x i a lr a t i o w e r ed e t e r m i n e di no u re x p e r i m e n t s ， i nc h a p t e r4a n d5 ，t h eg e n e r a lm e c h a n i s mf o rt h eg r o w t ho fn a n o w i r e sa n dt h e m o r p h o l o g i c a l c o n t r o la b i l i t yo fr e v e r s em i c e l l a ew a sd e s c r i b e d f u r t h e r m o r e ，w e p r e s e n t e dt h ee q u a t i o n so fc r y s t a ln u c l e a t i o nr a t ea n dg r o w t hr a t ei n r e v e r s em i c e l l a e s o l u t i o n t h em i c r o s t r u c t u r eo fr e v e r s em i c e l l a ew a si n v e s t i g a t e db yt h ep e a k f i t t e d t e c h n i q u ei nf t i rs p e c t r u m t h e 3 1 pn m rr e s u l t se x p l o r e dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n r e a c t i o ni o n si nt h ew a t e rn u c l e u sa n ds u r f a c t a n tm o l e c u l e s m o r e o v e r ，t h ei n f l u e n c e s 反胶团一热液法合成羟基磷灰石纳米线及合成机理研究 o ft h ec o n t e n t so fw a t e ra n dn - p e n t a n o lo nt h er e a c t a n t i o ns y s t e mw e r ei n v e s t i g a t e db y u v - v i s t od e s c r i b eag e n e r a l i z e dm e c h a n i s mf o rt h eg r o w t ho fh an a n o w i r e s t h e e q u a t i o n o ff l u o r e s c e n t d e c a y i n g c u r v ew a sd e t e r m i n e d b y t h et i m e r e s o l v e d f l u o r e s c e n c e q u e n c h i n gt e c h n i q u e ，u s i n g r u ( b p y ) 3 】2 + ( r u t h e n i u mc o m p l e x ) a s f l u o r e s c e n tp r o b e m e a n w h i l e ，t h ep a r a m e t e rsd e s c r i b i n gt h es p a t i a lr e s t r i c t i o nd e g r e e o ft h ep r o b em o t i o nw i t h i nt h er e v e r s em i c e l l a ew a sd e t e r m i n e d w h e np c = 3a n d w 0 2 1 0 ，t h ec a l c u l a t e dr e s u l t so fsw a s1 ，i n d i c a t i n gt h em o t i o no fp r o b ew a s c o m p l e t e l yr e s t r i c t e d t h em e c h a n i s mo ff o r m i n gn a n o w i r e si nt h ew a t e rn u c l e ia n d c o n t r o l l i n gt h e i rm o r p h o l o g yb yt h em i c e l l a ew a ss u g g e s t e d ：t h e r ew a si n t e n s e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h em o l e c u l e so fs u r f a c t a n ta n dp 0 4 i nt h er e a c t a n t a n di t i n d u c e dt h ef o r m a t i o no ft h ec o m p l e x e so fs u r f a c t a n tm o l e c u l e sa n da m o r p h o u sn u c l e i w h i c hl e dt h eo r i e n t a t i o na n di r r e v e r s i b l em e r g i n go fr e v e r s em i c e l l a et oe n s u r et h e o n ed i m e n s i o n a lg r o w t ho ft h en a n o w i r e s t h ev a r i a t i o no ft h ec o n t e n to fw a t e ra n d n - - p e n t a n o lc o u l dm a k ei n f l u e n c eo nt h em o r p h o l o g ya n dt h es i z eo ft h er e v e r s e m i c e l l a e ，t h ei n t e r a c t i o n sa m o n gt h em o l e c u l e so fs u r f a c ta c t i v er e a g e n ta n dt h ei o n s o fr e a c t a n t ss oa st oc o n t r o lt h em o r p h o l o g yo ft h eg r o w i n gn a n o w i r e sa c c u r a t e l y w h e nt h er e a c t i o nw a sc a r r i e do u ta tl o wt e m p e r a t u r e ( 6 5 。c ) ，t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e a c t i o nr a t ew a sz e r oo r d e rr e a c t i o ns i n c et h ew h o l er e a c t i o n w a sd i f f u s i o nc o n t r o l l i n gw i t ht h ec o n s t a n td i f f u s i o nc o e f f i c i e n t s i nt h em i d d l ea n d h i g ht e m p e r a t u r er a n g e ，t h ek i n e t i cw a sc h a r a c t e r i z e db yt h er e a c t i o no ft h es e c o n d o r d e r , s i n c et h ec o n t r o l l i n gf a c t o rw a sa c t i v a t i o ne n e r g ya n dt h ea p p a r e n ta c t i v a t i o n e n e r g yw a sl a r g e r , t h er e a c t i o nr a t ew a sm o r es e n s i t i v et ot h et e m p e r a t u r e ，t h e r e f o r e t h e e x p o n e n t o ft h er e a c t i o nr a t ec o n s t a n ti n c r e a s e db yt w ow h e nt e m p e r a t u r e i n c r e a s e df r o m12 0o ct o2 0 0o c o ns t u d y i n gt h en u c l e a t i o nk i n e t i co ft h er e v e r s em i c e l l a es o l u t i o n ，i tw a sf o u n d t h a tt h eg i b b sf r e ee n e r g yo fh y d r o x y a p a t i t en u c l e a t i o nw a sf u r t h e rg r e a t e rt h a nt h a to f c a h p 0 4i nt h eh o m o g e n e o u sn u c l e a t i o np r o c e s s ，t h e r e f o r et h ea m o r p h o u sn u c l e io f c a h p 0 4f o r m e da tf i r s t i nt h en u c l e a t i o no fr e v e r s em i c e l l a e ，w em u s tc o n s i d e rn o t o n l yt h ec o l l i d i n go fr e a c t i o n sb u ta l s ot h eb r o w n i a nm o t i o no fm i c e l l a e t h en u c l e i s i z ea td i f f e r e n tt i m ea n dt h en u c l e a t i o nr a t ee q u a t i o nc a nb eo b t a i n e df r o mt h er e s u l t s o fu v - v i ss p e c t r u m c a l c u l a t i n gt h ey i e l d so fp r o d u c t sa n dt h es p e c i f i cs u r f a c ea r e a sa td i f f e r e n tt i m e ， t h el i n e a rg r o w t hr a t ee q u a t i o na n dt h eo v e r a l lg r o w t hr a t ee q u a t i o no fh y d r o x y a p a t i t e n a n o w i r e sc o u l dh eo b t a i n e d t h ee f f e c t i v eg r o w t ho r d e ro fc r y s t a l sw a s14i nt h e e x p e r i m e n t t h eg r e a t e rg r o w t ho r d e r s h o w e dt h a tt h ec r y s t a lc o u l dg r o wm o r e v e f f e c t i v e l yi no n ed i r e c t i o nd u et ot h ei n d u c t i o no ft h es u r f a c t a n ti nt h ee x p e r i m e n t s y s t e m k e y w o r d s ：h y d r o x y a p a t i t e ；n a n o w i r e s ；s u r f a c t a n t ；r e v e r s em i c e l l a e ；m e c h a n i s m v i 博士学位论文 插图索弓 图1 1表面活性剂分子简图8 图1 2 几何排布参数p 与胶团形状关系图9 图1 3 表面活性剂胶团在溶液中的结构变化1 0 图1 4 在反胶团体系中制备纳米粒子的过程1 1 图2 1 制备羟基磷灰石纳米线工艺流程图1 6 图3 1 反胶团结构简图2 l 图3 2 在反胶团体系中合成的纳米纤维透射电镜照片( t e m ) 2 4 图3 3 在a 、b 中制各的纳米材料红外谱图f i t r 2 4 图3 4 在反胶团体系中制备的纳米纤维的x r d 图2 5 图3 5基于0 0 l 轴向的磷酸盐结构图2 6 图3 6c t a b 与p 0 4 3 - 的电荷和结构补偿示意图2 6 图3 7 在讵胶团体系中制备的产物透射电镜照片( t e m ) 一2 7 图3 8胶团外层结构示意图2 8 图3 9 液晶的偏光显微照片2 9 图3 1 0 液晶的结构简图2 9 图3 1 1在液晶体系中合成羟基磷灰石颗粒的t e m 照片2 9 图3 1 2 不同温度段下合成纳米颗粒形态3 2 图3 1 3 不同反应温度下合成的纳米颗粒x r d 图谱3 2 图3 1 4 不同反应温度下产物的红外图谱3 3 图3 1 5 不同温度下制备的产物在5 5 0 6 5 0 c m 。1 内”4 ( p 0 4 ) 分裂峰3 4 图3 1 6 温度与分裂因子s f 关系图3 4 图3 1 7 不同反应时间下合成纳米颗粒形态3 5 图3 1 8 不同反应时间下反应产物的x r d 图谱3 6 图3 2 0 不同时间内制备产物在5 5 0 6 5 0 c m d 内u4 ( p 0 4 ) 分裂峰的局部放大 图3 7 图3 2 2 不同w 。值下合成纳米颗粒形态3 9 图3 2 3 不同w 。值下合成纳米颗粒x r d 图谱4 0 图3 2 4 不同w 。值下制备的产物f t i r 图谱4 0 图3 + 2 5 不同w 。下制备产物在5 5 0 6 5 0 c m 。内”4 ( a 0 4 ) 分裂峰的局部放大图 图3 2 6 体系中含水量w 。与分裂因子s f 关系图 x 4 1 4 1 反胶团一熟液法合成籍基磷灰i i 纳米线及台成机理研究 图3 2 7 在不同p 。值下合成纳米颗粒的t e m 4 3 图3 2 8 不同p 。值下合成纳米颗粒的x r d 图谱4 4 图3 2 9 在不f 司p 。值下合成产物的f t i r 图谱4 5 图3 3 0 不同p 。下制备产物在5 5 0 6 5 0 c m 1 内d 4 ( p 0 4 ) 分裂峰的局部放大图 ，4 5 图3 3 l 体系中含水量p 。与分裂因子s f 关系图4 6 图3 _ 3 2 在不同反应p h 值下产物的形态t e m 图4 7 图3 3 4 在不同p h 值下合成产物的f t i r 图谱4 9 图3 3 5 不同p h 下制备产物在5 5 0 6 5 0 c m 1 内u4 0 0 4 ) 分裂峰的局部放大图 ， 月d 日 ， 一 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。本人授权湖南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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：2 年f 月f 珀 日期：棚6 年厂月f 巾 博士学位论文 第1 章绪论 1 1 纳米羟基磷灰石生物材料的研究 羟基磷灰石的化学式为c a lo ( 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 ，属六方晶 系，晶格参数为a = b = 0 9 4 2 l n m ，c = 0 6 8 8 2 n m ，c a p = 1 6 7 。羟基磷灰石广泛存在 于动物的骨和牙中，也存在于人体的一些病态组织中。如唾液结石、脑结石、尿 道结石、扁桃体结石、结节结石和颈椎后韧带骨化之中。存在于自然骨的磷灰石 是一种晶体结构不完善的羟基磷灰石。同时，由于羟基磷灰石结构中沿六方轴存 在一个“隧道”，其中的离子易被其他离子替代，因此，骨磷灰石中的磷灰石结合有 少量的碳酸根、氟、镁、钠及柠檬酸等离子。羟基磷灰石生物活性陶瓷具有良好 的生物相容性，植入体内不仅安全无毒，还能传导骨生长。因此，它主要用于人 体硬组织( 骨、牙) 的修复和替换，也用于人工血管、气管等软组织及药物控释 和送达载体，还是一种优良的生物化学吸附剂。尽管羟基磷灰石具有良好的生物 相容性和生物活性，但是其抗弯强度低、脆性大，在生理环境中抗疲劳性不高， 只能应用于不承重或者仅承受纯压力负荷的环境中【1j 早在l8 7 1 年羟基磷灰石就 已人工合成，目前的合成方法多种多样，合成出的羟基磷灰石的形态也不尽相同。 最常见的方法有：湿法合成口1 、溶胶凝胶法【3 1 、自燃法 4 1 、微乳法【5 。引、水热法 9 。1 2 1 和固相反应法【1 3 1 等等；合成羟基磷灰石的形态以球形、针状、棒状和片状为 l io 1 1 1 球形羟基磷灰石纳米材料 利用上述的各种方法均可制备出粒度小于1 0 0 9 m 的球形h a 粉体。球形h a 的制备基本上是根据成本的要求采用不同c a 源和p 源使c a ：p = i 6 7 ，用氨水调 节到适当的p h 值，产物经过滤、洗涤后，在高温下焙烧即可。溶胶一凝胶法是 制备羟基磷灰石陶瓷级涂层的常用方法之一，宋云京等 1 4 l 以含结晶水的硝酸钙和 五氧化二磷的醇溶液为前驱体在5 0 8 0 c 下水浴一个小时，用溶胶一凝胶法制备 出高纯且粒度均匀的纳米羟基磷灰石颗粒。颗粒均匀，无团聚，平均粒径为3 0 n m 。 适合大批量纳米及羟基磷灰石的制备。此外，为了能够均相成核，在c a ( o h ) z 和 ( n h 4 ) 2 h p 0 4 溶液中可以加入e d t a 将钙离子屏蔽起来，使用尿素来促进凝胶化， 调节口h 值，采用溶胶一凝胶法可以制备粒径在5 0 2 0 0 n m 的球形羟基磷灰石l l ”。 随着分子自组装技术在制备纳米材料以及控制晶体生长形态方面的发展，微 乳法和反微乳法在制备纳米羟基磷灰石方面也显示出了优势。l i m 等研究人员1 5 6 j 反胶圳一热液法合成羟基磷灰石纳米线及合成机理研究 在非离子表面活性剂n p 5 + n p 9 以及可生物降解的表面活性剂k b 6 z a 的微乳体系 和反微乳体系中都合成出了球形羟基磷灰石颗粒，经过高温煅烧后的颗粒大小为 2 0 4 0 n m 。其具体方法是采用水或者环己烷作为溶剂，将c a c l 2 - 与( n h 4 ) 2 h p 0 4 分 别制成微乳液，将两种微乳液混合后放置一定时间，最后将得到的沉淀物用乙醇 洗涤。 1 1 2 非球形羟基磷灰石纳米材料 颗粒型h a 缺乏粘附性，植入人体后早期易发生弥散、移位、有时不得不对 部分患者进行二次手术来处理移位的植入体，造成患者的痛苦。纤维状、片状 h a 可以增加强度，同时又避免了h a 的移位、游散。在制备金属植入材料的功 能涂层中，这种形态的h a 由于其附着力好能够阻挡体液对会属材料的侵蚀而具 有明显优势。傅希贤等f l6 】利用低温水溶液均相沉淀技术合成出微米级纤维状羟基 磷灰石晶体，其长度为5 0 1 5 0 i _ t m ，线宽度为2 0 p 。m 。e l i z a b e t h l o l e 17 1 、a t a k e u c h i 1 8 】 采用生物模拟的方法，也合成出了直径大于5 0 u m 的h a 纤维。他们通过加入沉 淀剂、调节温度使离子在沉淀剂的作用下以适当速度释放出来，以达到控制晶体 生长的目的。采用液相反应也是合成羟基磷灰石纳米材料常用的方法，研究人员 【1 9 1 利用溶液共混法制备了平均尺寸为1 2 n m x 9 7 n m 的纳米针状h a 晶体。采用化 学沉淀法也可以得到针状的羟基磷灰石，p a n g 等【9 j 在c a c l 2 和( n h 4 ) 2 h p 0 4 溶液中 调节不同反应温度、p h 值和反应时间得到了结晶度和尺寸不同的针状羟基磷灰 石。l i o u 等【2 0 】在( c h 3 c o o ) 2 c a x h 2 0 和h 3 p 0 4 的溶液中加入聚丙烯酸，调节p h 值不但制备了针状羟基磷灰石，而且还发现通过调节p h 值可以有效地控制纳米 颗粒的尺寸。通过湿法合成，郭大刚等研究人员合成了长约为3 0 4 0 n m ，直径为 1 0 - 2 0 n m 短棒状纳米羟基磷灰石颗粒【2 ”。近年来水热法制备羟基磷灰石也取得了 很大的进展。水热法是在特制的密闭反应容器( 高压釜) 旱，采用水溶液作为介 质，通过对反应容器加热，制造一个高温、高压反应环境，使得通常难溶或不溶 的物质溶解并且重结晶。它具有如下特点：( 1 ) 可直接获得结晶良好的粉体，无 需作高温烧灼处理，避免了在此过程中可能形成的粉体硬团聚。( 2 ) 粉体晶粒物 相和形貌与水热反应条件有关。( 3 ) 晶粒线度适度可调。( 4 ) 工艺较为简单。李 浩莹等1 0 1 用水热法以硝酸钙与磷酸铵为原料。制备针状羟基磷灰石。徐光亮等】 利用水热法合成羟基磷灰石纳米颗粒，在不同的温度和时间下反应得到了结晶完 好、晶粒完整、分散性好、端粒面小于1 0 0 r i m 的粉体。提高温度还可以得到富钙 型的羟基磷灰石，其形态为柱状或针状。此外，将c a ( o h ) 2 、c a ( h 2 p 0 4 ) 2 h 2 0 和 蒸馏水混合后，放入高压反应釜中1 0 9 下反应1 3 h ，可以得到宽15 2 5 n m ， 长为1 3 0 1 7 0 n m 的针状贫钙性羟基磷灰石【2 2 1 ，这种贫钙型羟基磷灰石的生物相容 性比计量型的更好。采用分段加热的方法产生温度梯度也可以合成出碳取代的单 博士学位论文 晶羟基磷灰石，这种片状的晶体长度可达1 2 n m ，宽度可达2 0 0 9 m 23 1 。采用氢氧 化物的凝胶也可以合成5 0 2 0 n m 的碳取代羟基磷灰石短棒状颗粒【9 l ，这种碳取代 的羟基磷灰石与人体也有良好的生物相容性。1 9 9 1 年m y o s h i m u r a 等报道了氢氧 化钙和磷酸在2 0 0 、2 m p 下，5 小时水热合成了针状羟基磷灰石，长径比可达 1 1 【”j 。r i m a n 等【”j 将c a ( o h ) 2 、c a c 0 3 和( n h 4 ) 2 h p 0 4 按化学计量比混合好，在 5 0 2 0 0 下水热反应2 4 h ，得到了长径比5 8 的针状羟基磷灰石，平均尺寸为 2 0 1 0 0 1 6 0 n m 。另外，采用层状的羟基磷灰石为前驱体，在高温下热分解产生了 片状的羟基磷灰石，它与生物体内的羟基磷灰石形态十分相近1 2 8 1 。水热法中的水 溶液也可用凝胶取代。如将c a ( o h ) 2 、磷酸、在批p h = 1 2 6 时制备成透明的凝胶， 再将凝胶转移到反应釜中于8 0 8 0 0 下水热反应，可得到的短棒状的羟基磷灰石 颗粒【2 5 】。利用表面活性剂分子也可以控制产物的形态，1 1 1 中提到的非离子表面 活性剂脂肪酸聚氧乙烯酯的微乳中，通过调节工艺参数也合成出了短棒状的羟基 磷灰石( 长为2 0 0 n m 宽为8 0 n m 4 7 】) 。在离子型表面活性剂c t a b ( 十六烷基三甲基 溴化氨) 的微乳体系中可以合成出形态均一的针状羟基磷灰石( 1 5 0 n m x l o n m ) 哺j 。 在d d a b 水十四烷十六烷体系中模拟生物矿化的过程在短棒状且相互连通的 “水核”内合成了网格状的磷酸钙粉体 2 6 , 2 7 】。甚至在以c t a b 为模板剂的水溶液中 还合成了具有介孔的短棒状羟基磷灰石，产物的尺寸为5 0 1 0 0 n m x 5 0 0 1 0 0 0 n m ， 介孔孔径为3 n m “j 。 1 1 3 羟基磷灰石纳米材料的增韧 虽然采用上述的方法制备了针状、短棒状或片状羟基磷灰石纳米材料，但是 由于其长径比较小，很难起到纤维的增强作用。而微米级的h a 纤维由于其尺寸 与人体骨骼中的尺寸相差甚远( 人体骨骼h a 为4 0 6 0 n m 长，2 0 n m 宽) 所以生 物相容性较差。为了更好地满足临床的需要，有多种方法来增韧羟基磷灰石。王 学江等人【3 0 】通过溶液共混法制备了羟基磷灰石纳米针晶与聚已二酰已二胺生物 医用复合材料。此种复合材料的力学性能特别是弹性模量，与人体皮质骨接近。 华南理工大学王迎军等3 1 l 采用四方氧化锆多晶增韧羟基磷灰石生物活性陶瓷，在 不降低材料生物活性基础上，提高材料断裂韧性。l a d i z e s k y 3 2 】综合利用压模成丝 及液压挤出法等技术，对h a p e ( 聚乙烯类) 混合粉末经液压挤出后再次粉末化 然后再经压模形成h a p e 复合材料，发现其具有与人体皮质骨相近的机械性能， 能够作为高负荷骨的替代材料，诸如臀部关节的替代等。 理想的骨替代材料应该是一种具有高的生物相容性、生物活性物质，它的机 械性能与天然骨相当或稍优于天然骨。目前的复合材料，基本上只是羟基磷灰石 颗粒与聚合物的机械混合，材料的性能优化也往往只限于聚合物的结晶化，复合 材料两相自j 缺乏化学键合，也没有形成有序的微观结构。而这两方面却往往是复 反胶团一热液法合成羟基磷灰石纳米线及合成机理研究 合材料性能的决定因素。所以，能够通过控制纳米羟基磷灰石的自身生长形态， 得到较大长径比的一维纳米材料，对于增韧和增强羟基磷灰石骨替代材料有着重 大的意义。 1 1 4 羟基磷灰石纳米材料做为药物载体的应用 对于传统药物必须在用药剂量和用药时间间隔上做出安排，但是体内的血药 浓度仍然处于波动状态。因此需要开发可使血药浓度长期维持不变而且仅对病灶 起疗效作用的药物，或仅在需要时才释放出药物的体系。因此必须选择合适的药 物载体、药物剂型及给药途径，使机体能有效地吸收药物。做为药物载体的材料 通常有：天然的有机材料和无机材料及合成的有机材料和无机材料、高分子材料 和非高分子材料、生物降解性材料和非生物降解性材料。采用纳米包囊的生物活 性药物具有优异的性能。通过纳米包囊的缓慢降解，可以达到延长抗体和免疫抗 原细胞作用的效果。做为载体必须具有的特点包括：使用便利；能维持正常 的血药浓度；不引起药物积累中毒；减少对正常细胞、组织的毒副作用； 提高疗效，并可产生新的疗效；安全、迅速、可靠、经济并具有竞争力。 纳米羟基磷灰石具有优异的生物相容性而且具备上述的所有优点，从而成为 理想的药物载体，在针对病灶靶向和针对药物的缓释方面具有优异的性能。s h i t o y 等将羟基磷灰石多孔陶瓷做为抗生素的载体1 3 。在1 2 周内释放出7 0 的抗生 素，即使在释放的最后阶段抗生素的浓度仍有7 5 毫克，比常规用于抑制葡萄状球 菌的最小浓度高出5 倍。同时载入羟基磷灰石中的抗生素活性并没有降低。还有 科研人员将羟基磷灰石的多孔骨架材料涂覆上聚e 一己内酯和羟基磷灰石粉末制成 组织再生和控释系统。载入抗生素药物一四环素氢氯化物，发现在最初的2 小时 内药物的释放量急剧升高，之后缓释速度趋于平缓【3 “。同时聚- 己内酯也是无毒 无害的生物相容性材料，制成的避孕装置已通过f d a 的检验标准。由于它具有良 好的药物通透性，也常用于药物释放载体。骨形态发生蛋白( b m p ) 具有使骨再 生的功能，通常它是治疗骨质疏松的有效药物。b a l a s u n d a r a m 将羟基磷灰石氨基 化然后载上b m p ，发现羟基磷灰石晶体或无定形磷酸钙载体都具有良好的载药性 3 5 1 。而a l a m 等研究人员发现，新骨的生成与载体中羟基磷灰石与磷酸三钙( t c p ) 所占的比例有极大的关系 3 6 1 。在研究中r i p a m o n t i 也发现【” ，羟基磷灰石多孔材 料的孔形态大小对b m p 促进骨生成具有重大的影响。运用冷冻干燥的方法将抗 癌药物亚德里亚霉素( d o x ) 吸附在微米级的羟基磷灰石颗粒上，在个月的时间 内可以稳定地释放d o x 。发现d o x h a 可以抑制肝癌细胞的生长而对生物体没 有明显的毒性【3 8 1 。一些水凝胶药物释放体还具有更高级的功能，即能对外界的环 境作出反应，从而控制药物的释放时间和释放部位。它包括对