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)2 Ksp=2.34*10-59

2.2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·X H2O）→缺钙磷灰〔Ca10-Z ( HPO4)Z(PO4 )6 -Z(OH )2-Z·X H2O→羟基磷灰石(Ca10( PO4 )6(OH )2·X H2O)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。Chandrasekhar KotHAalli 等研究发现：70℃时产生CaO杂质100℃时分解成Ca3( PO4 )2、Ca3 P2O8 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，