纳米羟基磷灰石综述

纳米羟基磷灰石制备方法及应用

赖荣辉

西南民族大学化学与环境保护工程学院高分子化学与物理

摘要

羟基磷灰石（HA）具有良好的生物相容性和生物活性，被广泛的应用于骨修复和药物载体中。但是其本身容易团聚，而形成较大的晶体，使得其生物学性能下降。合成纳米级的羟基磷灰石，使得羟基磷灰石具有较大的比表面积，而具有较好的生物学性能。本文综述了近年来合成纳米羟基磷灰石的进展和几种主要的合成方法包括：水热法、超声法、溶胶-凝胶法、自燃烧法。并对纳米羟基磷灰石的一些改性方法做了简述。最后还对纳米羟基磷灰石的一些应用做了简述。

关键词：羟基磷灰石;制备方法;生物材料;纳米晶体

0前言

羟基磷灰石，英文名Hydroxyapatite（HA）,其化学式为Ca10(PO4)6(OH)2作为一种现代的纳米生物材料，是动物和人体骨骼和牙齿的主要无机成分，具有良好的生物相容性。故常用作骨修复材料和药物载体[1]

1纳米羟基磷灰石的合成方法

一、自燃烧法

自燃烧法是一种利用硝酸盐与羧酸反应，在低温下实现原位氧化、自发燃烧、快速合成产物前驱体粉末的方法[2]。王欣宇等[3, 4]通过自燃烧法投制备纳米羟基磷灰石粉，他们结合络合物机理和氧化还原反应机理，以柠檬酸为络合剂并通过其具有还原性与硝酸盐混合均匀后进行充分络合，在加热条件下就会发生氧化还原反应，在较低的温度下就可以燃烧。其反应方程式如下：

C6H8O7 + Ca2+ = C6H6O7Ca + 2H+（l）

5C6H6O7Ca + l8NO3- + l8H+ = 30CO2 +9N2 + 24H2O + 5CaO（2）9Ca(NO3)2+ 5C6H8O7 = 30CO2 + 9N2 +20H2O + 9CaO（3）王欣宇等最后所得的自燃烧法制备纳米羟基磷灰石的最佳条件为n（H2O）: n （Ca2+）= 30 ~ 35时，可使自燃烧反应进行，反应时间短。对于该反应体系pH的最佳范围为2 ~ 3。最佳的加热温度为80℃，自燃烧产物粉末煅烧的最佳温度为750℃。采用上述最佳工艺条件制备出的HAP 粉末，经超声分散，分散介质为水，然后用粒度分析仪测定粉末的二次平均粒径为494.6±l0.l nm。可见，虽然他们得到了纳米级的羟基磷灰石，但是其平均粒径对于现在的临床研究来说仍然太大了，并且在自燃烧法的反应过程复杂，过程的煅烧温度750℃过高，不利于控制。二、水热法

水热法是在特定的密闭容器（高压釜）里，用水溶液作反应介质，通过对反应容器加热，创造一个高温、高压的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解并且重结晶，从而得到纳米结构的晶体。其优点是可以通过控制水热条件（温度、反应时间、前驱物形式等）面得到不同的粉体晶粒物相和形貌[5]，徐光亮, 聂轶霞[5]等人利用CaCO3和CaHPO4·2H2O按一定的n(Ca)/n(P)混合在高温高压下合成纳米羟基磷灰石，并且通改变反应的条件：前驱物配比、水热反应温度、以用反应时间等来研究羟基磷灰石合成的最佳反应条件。对于水热法，仍存在一些缺点，因为水热反应耍要在一个高温高压的反应条件下进行，过程不易控制。并且，反应时间耍8h以上才能达到最佳反应，反应时间过长。

另，据报道，任强，罗宏杰等[6]人通过低温燃烧／水热法联合法制备了纳米羟基磷灰石。该方法充分发挥了低温燃烧法(LCS)和水热法的优势，具有制备温度低、反应速度快、制备效率高以及粉体的纯度高、粒度小(40 nm～80 nm)且均匀等优点。该次实验主要用Ca(NO)2, (NH4)2HPO4和柠檬酸(C6H8O7H2O)，通过羟基磷灰石中的Ca : P = 5:3，并根据燃烧化学基本理论来参加反应。该实验的主要环节是反应温度的确定和硝酸钙与磷酸氢二铵和柠檬酸的比例，其最佳比例为Ca(NO3)2·4H2O : (NH4)2HPO4 : C6H8O7·H2O = 5 : 3 : 2.2。实验的具体过程是：

A、燃烧部分将原料按一定配比并加入助燃剂NH4NO315％(质量分数)，在烧杯中用20％(质量分数)左右的浓硝酸(分析纯)溶解，经10min~15 min超声分散至溶液透明。然后将烧杯移入300℃恒温的马弗炉中，这时可观察到：首先溶液挥发并产生大量气泡，在短时间内浓缩、起火燃烧，产生亮红色火焰，同时释放出大量气体。燃烧过程持续10 s~20 s，得到的燃烧产物是蘑菇云状白色泡沫疏松体。

B、水热处理部分将燃烧产物研细后移至水热釜中，并加入适量的去离子水和氨水，调整液体的pH=12～13，然后在200℃下水热处理1 h～2 h。试样经干燥后即得到HAP白色粉体。

任强等根据化学热力学和动力学的有关理论，以及试验过程中观察到的现象和实验结果，初步认为：在液体的加热过程中首先发生的反应是：

9Ca(NO3)2+5C6H8O7=30CO2+9N2+20H2O+9CaO (4) 2(NH4)2HPO4=4NH3+P2O5+3H2O (5) 反应(4)，(5)均为放热反应，产物中的NH3在400℃以上发生氧化反应也是放热反应。随着反应的进行体系的温度不断提高，反应产物中的CaO和P2O5发生下列反应：

3CaO+P2O5=Ca3(PO4)2(6) 2CaO+P2O5=Ca2P2O7(7) 在高温下反应(6)，(7)的产物Ca3(PO4)2和Ca2P2O7分别与CaO，H2O发生反应，产物为HAP，反应式：

3Ca3(PO4)2+CaO+H2O=Ca10(PO4)6(OH)2(8) 3Ca2P2)7+4CaO+H2O=Ca10(PO4)6(OH)2(9) 最后得到的燃烧部分得到产物的相组成为：HAP，Ca3(PO4)2，Ca2P2O7和少量CaO。

三、溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是通过羟基磷灰石的前驱体：钙源和磷源，通过缓慢滴加并加以剧烈搅拌，让反应后的HA能够高度分散于液相中，从而形成胶体。因为胶体体系的颗粒为纳米级，故可以得到纳米级的HA。

李霞[7]通过溶胶-凝胶法制备了羟基磷灰石纳米粉体其工艺过程为：首先按照羟基磷灰石(Ca l0(PO4)6(OH)2)的Ca／P=1.67摩尔比分别称量并配制硝酸钙和五氧化二磷的醇溶液；然后把P2O5的醇溶液滴加到Ca(NO3)2·4H2O的溶液中，加热磁力搅拌2 h，得到无色透明溶液，取下静置直至变成白色透明凝胶；再将凝胶放在120℃的恒温干燥箱内保温12 h，取出得到白色粉末，再将其分别放到电热炉中加热到600℃并保温2 h，然后自然冷却至室温。

合成的产物成产物纯度高并且热处理温度低并且颗粒均匀，无团聚现象等特点。

另K P SANOSH等[8]

亦通过溶胶-凝胶法合成

了纳米羟基磷灰石。但其

与李霞的方法略有差异，

K P SANOSH等人的方法

以是Ca(NO3)2·4H2O和

H3PO4为前驱体，并用

NH3调节PH值，其实验

的最佳条件为

Ca(NO3)2/H3PO4=1.67，

PH=10，温度为65，反应

时间为24 h。其具体反应

流程如图1所示。

图1 通过溶胶-凝胶法制备羟基磷灰石的流程K P SANOSH等制备羟

基磷灰石的机理为：

H3PO4 + 3NH4OH → (NH4)3PO4 + 3H2O (10) 6(NH4)3PO4 + 10Ca(NO3)2⋅4H2O →Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3(11)