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羟基磷灰石制备与生物模拟

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  摘要选择中和法制备羟基磷灰石(HA), 添加TritonX-100、卵磷脂、维生素E等模拟生物环境,通过扫描电镜(SEM)观察并比较其形貌的变化,结果表明所用添加剂能明显改善HA粒子形貌和粒径的大小。通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)等实验手段进行表征。为考察其生物活性和相容性,分别将龟壳、甲壳素放在HA悬浊液中静置一个月,观察到HA在龟壳上定向生长,在甲壳素组织的片层间沉积。
  关键词羟基磷灰石;中和反应;表面活性剂;生物模拟
  中图分类号R318.08文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)011-0047-02
  
  羟基磷灰石(HA)是一种生物活性陶瓷材料, 是目前齿科和骨科所常用的替代材料。羟基磷灰石(hydroxyapatite,Ca10(PO4)6(OH)2,简称HA或HAp),分子量为1004,Ca/P 理论摩尔比为1.67,它的结构、成分和脊椎动物的牙齿、骨组织中的无机质相似,它与骨组织极易结合, 有引导骨组织生长的作用,具有良好的生物活性和生物相容性,是目前植入材料的研究热点之一。已有报道临床经伤椎椎弓根灌注羟基磷灰石骨水泥 提供了三柱的即刻稳定性 防止了术后椎体的塌陷减少了由此造成的并发症。
  纳米尺度的羟基磷灰石构成的人工骨可以根据不同生长部位的需要制比较成不同的硬度,具有与骨生长相匹配的降解速率,与人体不会产生排异反应,所以植入人体后可与人体骨骼实现骨性结合并逐渐被人骨所替代,具有抑癌作用。羟基磷灰石制备方法主要包括:液相沉淀法、固相合成法、溶胶凝胶法、微乳液法和水热合成法等。由于液相沉淀法制备羟基磷灰石粉体工艺简单、成本低。所以 通过液相沉淀法的中和反应制备羟基磷灰石并和复分解反应比较所制HA的形貌,再添加TritonX-100、卵磷脂、维生素E 等调控HA粒子大小。为探讨其与生物骨形成骨性结合的能力,分别将龟壳、甲壳素等放在HA悬浊液中一个月,观察羟基磷灰石在生物材料上原位生长的形貌,并测定性能。结果显示:羟基磷灰石能沿着生物骨组织生长,从而可以有目的地用于修复骨组织。通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)等实验手段进行表征。添加蛋白质模拟体液仍在进行中,试图为探讨在生物活性条件下修复骨组织提供理论与实验依据。
  1实验部分
  1.1实验药品及仪器
  Ca(OH)2(AR,含量≥95.0%);Ca(NO3)2 ・4H2O(AR,含量≥99.0%);H3PO4 分析纯(AR,含量≥85.0%);NaH2PO4 ・2H2O(AR,含量≥99.0%)以上试剂均购于中国医药集团上海化学试剂公司。Na2HPO4 ・12H2O(AR,含量≥99.0%),江苏省连云港化学试剂厂。(NH4)2S2O8 (AR,含量≥98.0%)上海桃浦化工厂。NH3・H2O (AR ,含量≈27.0%) 上海恒利精细化工有限公司 ,TritonX-100(进口分装),卵磷脂、维生素E均为康麦斯市售产品。
  XL-30环境扫描电子显微镜(荷兰philips公司)FT-IR740傅立叶红外光谱仪(美国Nicolet公司),Mo3XHF22X-衍射仪(日本MAC公司)。
  1.2实验方法
  复分解反应制备羟基磷灰石HA根据Ca:P值为5:3,配制含Ca含P的储备液,在搅拌的条件下将一定量的两种储备液的混合。控制不同反应温度分别为在30℃,60℃,90℃。维持pH值在7.5-9.5之间,反应完全后,离心分离,洗涤。然后将产品置烘箱中于100℃烘干1小时,取出部分产品放在马弗炉中于900℃恒温煅烧1小时。得羟基磷灰石。
  中和反应制备羟基磷灰石HA利用氢氧化钙和磷酸在水溶液中制备羟基磷灰石;在表面活性剂体系中,利用中和反应制备羟基磷灰石,然后反应开始前,在体系中加入表面活性剂TritonX-100,反应温度选择37℃。然后,在表面活性剂TritonX-100体系中加入维生素AD和卵磷酯,观察表面活性剂的加入对HA粒子生长的影响。
  在HA悬浊液中龟骨、甲壳素,观察生物相容性,在37℃左右,于中和反应合成出HA悬浊液中分别加入龟壳、甲壳素,静置,观察龟壳、甲壳素在HA环境下生长情况。
  通过SEM观察形貌,XRD、FT-IR对不同条件下所制羟基磷灰石进行表征。
  2结果与讨论
  2.1形貌观察
  2.1.1复分解反应制备羟基磷灰石(HA)
  复分解反应制备羟基磷灰石的反应式为:
   10Ca(NO3)2+ 2NaH2PO4+ 4Na2HPO4+ 10NH3・H2O Ca10(PO4)6(OH)2+ 10NH4NO3+ 10NaNO3+ 8H2O
  复分解反应的副产物为NH4NO3, NaNO3,产品经水洗涤,可得纯净的羟基磷灰石。
  图1为不同温度条件下所制备羟基磷灰石的SEM照片。由图1-A、C、E与1-B、D、F比较可见复分解反应制备的HA时试剂添加方式对羟基磷灰石大小和均匀度的影响,当Ca(NO3)2加到Na2HPO4,中时,羟基磷灰石大小不均匀,粒径在400-600nm之间。反之,羟基磷灰石粒径较小且均匀,粒径为200-300nm。图1可见温度变化对粒径大小的影响,随温度升高,反应物分子碰撞加快,不利于结晶形成,粒子的粒径明显降低,从300nm降到200nm左右。实验结果表明P加入Ca中所制备羟基磷灰石的粒子明显小于Ca加入P。所以要得到较小粒子必须采用磷加入钙的实验方法。由图可知,随着温度的增加粒子的粒径逐渐减小。
  2.1.2酸碱中和反应制备的HA
  利用酸碱中和反应, 制备羟基磷灰石的反应式为:
  10Ca(OH)2+ 6H3PO4Ca10(PO4)6(OH)2+ 18H2O
  为方便模拟生物体系,中和反应较适合,其优点是羟基磷灰石是反应唯一产物,副产物为水, 不引入其他杂质离子,不需洗涤。该反应属于液固多相反应,反应时间较长, 常温下易形成溶胶产物,使固液分离困难,但在生物体系中有优势,首先无需分离,反应无副产物不会对生物体造成不良影响。所以在生物体系中应利用酸碱中和反应制备羟基磷灰石,此法所制粒径约200nm,加入表面活性剂TritonX-100,HA粒子平均粒径在170nm左右,粒径分布均匀。在表面活性剂TritonX-100体系中分别加入维生素AD,卵磷酯粒子粒径均为160nm、90 nm。
  由图1和图2两种方法比较,可见酸碱中和反应法制备HA操作比复分解法简便,因产物中除了产品羟基磷灰石之外就是水,无其它杂质离子,且反应过程不用调节pH值。综合比较两种方法的特点,优先选取酸碱中和法用于模拟生物体系HA生长。首先考察在反应体系中加入表面活性剂TritonX-100形成胶束体系,然后加入维生素AD与卵磷酯,考察HA在其中的生长情况(图2),最后,利用生物活性材料(龟壳、甲壳素)与反应液在37℃下发生作用,观察生物材料在HA悬浊液中的生长情况(图3~图4)。
  2.1.3生物材料上HA的生长
  图3-1 反应前的龟壳的形貌图3-2 反应后生长羟基磷灰石的龟壳 图3龟壳在HA悬浊液中反应前后的形貌变化
  图4甲壳素在HA悬浊液中反应前后的形貌变化
  实验结果表明,HA均能沿两种生物材料的断面上生长。表明两者相容性很好。图3-2证明HA在龟壳断面有选择性地沿一定方向生长,使原来比较平坦的表面图3-1上有众多微米级棒状物生成。图4-1甲壳素的断面,图4-2 HA在甲壳素上生长后断面的形貌,通过两图对比可证明在甲壳素原本层次分明的断面上,由于HA的生长断面上的空隙已被填满。
  2.2结构表征 2.2.1X-射线衍射
  图5-1复分解反应900℃煅烧粉末的XRD图 图5-2和反应900℃煅烧粉末的XRD图
  2.2.2红外光谱分析
   图6-1 复分解法制备HA的FT-IR谱图图6-2 中和法制备HA的FT-IR谱图
  由图6可见两种实验方法所制产物均为羟基磷灰石,630-650cm-1及
  1200-1000cm-1处是PO43-的特征峰,3500cm-1左右为OH-1的特征峰。比较图6-1和图6-2可以发现,两张图峰的位置基本一致,酸碱中和反应合成HA较复分解反应产物纯度更高。
  结论:由于复分解反应有附产物而酸碱中和反应产物是羟基磷灰石和水,所以中和法制备HA操作比复分解法简便,反应过程不需调节pH值,且制得的HA粒径较小, 产品纯度高。在TritonX-100胶束体系中分别加入维生素AD和卵磷酯得到的HA粒径为160nm左右,实验结果表明TritonX-100胶束的存在影响了HA粒子的大小,由SEM照片对比可知,加入维生素AD制得的HA粒子更小(可达100纳米以下)更为致密。本文选择中和法进行生物模拟实验,将生物材料龟壳和甲壳素置于HA悬浊液中一个月以上,取出后在电镜下观察,并与反应前对比反现HA在龟骨与甲壳素的断面组织空隙中生长,且有一定的取向性。本文结果表明中和法所制HA具有良好的生物相容性,为进行HA仿生研究及其生物原位生长、医学组织修复提供了有价值的实验基础。
  注:江苏省环境材料与环境工程重点实验室资助
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