均匀沉淀法制备铁掺杂磷灰石及其热稳定性研究
摘 要 本实验以乙醇胺与硝酸钙混合与磷酸氢二铵水溶液反应，再用乙醇胺络合氯化钙与磷酸氢二铵的水溶液反应，通过均匀沉淀法制备出羟基磷灰石。并用Fe(NO)3取代部分Ca(NO)3、用FeCl3取代部分CaCl2，通过实验发现，用Fe(NO)3为钙源制备的为羟基磷灰石(HA),用CaCl2为钙源制备的为氯磷灰石(Cl-HA)。以CaCl2为钙源实现了阴离子Cl-1和阳离子Fe3+共掺杂，制备出了具有磁性的羟基磷灰石。利用X射线衍射(XRD)、傅立叶红外分光光度计(FTIR)、热重分析仪(TG)以及振动样品磁强计(VSM)对试样进行了表征。结果表明，按照(Fe+Ca)/P=1.67、Fe/(Fe+Ca)=6%进行配料计算，经箱式烧结炉500℃烧结，可得到结晶度好、纯度高的Cl-HA，其饱和磁化强度可达46A·m2/kg。
目 录
1. 绪论 1
1.1 羟基磷灰石概述 1
1.2 羟基磷灰石的国内外研究现状 2
1.3 羟基磷灰石制备方法 4
1.3.1 溶胶凝胶法 4
1.3.2 水热法 5
1.3.3 均匀沉淀法 6
1.3.4 自燃烧法 7
1.3.5 微乳液法 7
1.4 铁掺杂羟基磷灰石的作用 8
1.4.1 微量元素掺杂纳米羟基磷灰石作为运载药物的作用 8
1.4.2 磁性羟基磷灰石的作用 8
1.5 实验意义和目的 8
2. 实验部分 10
2.1 实验药品及仪器 10
2.2 实验方法及步骤 11
2.2.1 羟基磷灰石的制备 11
2.2.2 氯磷灰石的制备 11
2.2.3 铁掺杂羟基磷灰石的制备 12
2.2.4 Xray粉末衍射测试 12
2.2.5 红外可见光谱测试 12
2.2.6热重测试 13
2.2.7 饱和磁强度测定 13
3. 结果与讨论 14
3.1 热重分析 14
3.2 粉末衍射分析 14<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
br /> 3.2.1 羟基磷灰石的粉末衍射分析 14
3.2.2 氯磷灰石的粉末衍射分析 17
3.2.3 Fe掺杂羟基磷灰石的粉末衍射分析 19
3.3 红外可见光谱分析 21
3.3.1 羟基磷灰石的红外可见光谱分析 21
3.3.2 氯磷灰石的红外可见光谱分析 23
3.3.3Fe掺杂羟基磷灰石的粉末衍射分析 25
3.4 饱和磁强度分析 27
3.5 铁掺杂羟基磷灰石热稳定性能分析 28
4. 结论 31
参考文献 32
致谢 34
绪论
1.1羟基磷灰石概述
天然骨骼的主要成分是羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2(简称HA),它具有良好的生物活性和相容性,可以诱导新骨的快速形成并为新骨提供一个可靠的支架, 还能与骨骼组织直接形成较好的骨性结合,是理想的硬组织替换材料，具有非常重要的医学价值。柱状与针状的磷灰石晶体是组成骨骼纳米结构的主要结构单元,这些晶体可以定向或卷曲的排列，也可以通过相互缠结而构成多种组织与结构。这种不同的织构形成了骨骼在纳米尺寸上的功能单元,比如束状的结构和团聚的结构适合于承受高强度, 而卷曲和疏状交织结构具有很好的韧性，并且有利于营养物的传递。组成羟基磷灰石的成分与组成生物体骨质的无机成份相似，它的生物相容性非常好,作为硬组织的替代材料非常理想。目前为止，已经人工合成出高纯度的羟基磷灰石晶体, 与此同时还通过陶瓷的烧结技术, 已经烧制出了与人体牙齿的韧性和强度都十分相近的HA晶体,在临床上这种陶瓷HA已经得到了广泛的应用。不仅如此, HA晶体还可以制作成催化剂、色谱分离剂、荧光材料、电子材料等，可以说是用途非常广泛。全世界的材料研究者和医学工作者都广泛关注着高质量的纳米HA粉末。另外, HA广泛应用于生物大分子、细胞等分离的层析剂, 可以作为载体用于无机抗菌材料的制备以及药物的控制释放, 同时纳米HA对艾滋病毒和胃癌细胞具有抑制作用。作为生物材料，HA应具备纯度高、颗粒均匀、晶体形貌一定、热稳定性好等特性, 而这些特性与HA的合成条件密切相关。人工合成的羟基磷灰石材料的大部分的成分和主要的结构都与人体骨骼中的无机成分物质的相似，它不易产生过敏、对人体没有刺激性、不产生毒性、不会导致基因突变和更不会导致人体产生癌变，是一种能与生物基体很好的相容合的材料，不仅如此，人工合成的羟基磷灰石可以与人体骨骼会发生一系列化学作用，具有良好的骨骼传导性，因此可以广泛地作为组织材料应用于修复和替换生物硬组织，例如在口腔种植牙齿、增高牙脊骨、替换耳小骨、替换脊椎骨等。除此之外，人工合成的HA还具有无毒、安全、生物相容性和生物活性良好等优点。可以和人体的骨骼结合地很好，并且人体体液会使HA发生部分降解从而游离出钙和磷，这些钙和磷很容易被人体组织吸收以及被骨骼组织利用从而生长出新的组织，从而使得骨骼产生传导作用，所以整个世界在材料方面进行工作的专家和学者以及在医学领域工作的人全部在关心着羟基磷灰石的研究进展情况。现在羟基磷灰石早已应用于临床进行修理复原骨头缺失损坏以及用于填补充实整形的骨组织材料。在生物医学领域，纳米HA的应用大都是在修补复原硬组织、当作药物的运载工具以及抵制控制肿瘤活性等方面。纳米HA多分子的整合材料经过临摹效仿非人造的硬组织，彻底解决了常见的一般的HA材料的一些缺点：容易破碎断裂、抵抗变形的能力低下、在生理环境下不能长时间起作用等临床中的问题，因此这种多种材料整合在一起的材料在骨组织工程领域中的应用前景非常被看好。最接近非人造骨头结构的工程领域的材料是纳米HA晶体与胶原成分共同整合在一起的复合材料。
但是，人工合成的羟基磷灰石具有十分显著的缺点，例如脆性大、韧性较差、力学性能差等。使得羟基磷灰石做为承重骨方面的应用受到了限制。无机粒子与聚合物之间的界面结合力在很大程度上决定了羟基磷灰石/聚合物复合材料的力学性能。没有杂质的纳米羟基磷灰石粒子容易产生团结聚集作用且和聚合物界面的粘结在一起的能力较差, 故这种合成在一起的材料的物理力学性能下降变低了。由此可见，对羟基磷灰石进行表面化学修饰以及引入其他分子都具有十分重要的意义。纳米羟基磷灰石(nHA)以及掺杂羟基磷灰石的出现，提高了骨植入体的扭转模量、拉伸模量、拉伸强度以及疲劳抗力，从而改善了HA的力学性能。此外，人工合成HA不易生物降解，这是因为自然骨中的HA是一种典型的缺钙羟基磷灰石，其准确的表达式为(Ca,M)10(PO4)(OH,X)2，其中M为取代的阳离子(Na+、Mg2+、K+、Si4+、Zn2+、Sr2+等)，X为取代阴离子(CO32、Cl、F等)，取代离子可以引起HA结晶度、溶解度的变化，最终可以使其生物学性能发生变化。人工合成HA的结晶性和结构稳定性都高于自然骨中的HA，不易生物降解也不利于骨缺损部位骨功能的恢复，因此为了满足临床应用方面的需求，需要在非天然合成的HA中混入各种各样的元素来改变提高替代材料的临床性能。
1.2羟基磷灰石的国内外研究现状
目前，国内外有关于元素掺杂纳米羟基磷灰石制备以及性能方面的研究已有一些相应的报道。Dasgupta等[2]制备了ZnMgHA，研究发现，蛋白质释放率受掺杂元素的影响，这表明掺杂HA可用于骨生长因子以及药物释放的研究。Gomes等[3]采用溶胶凝胶法制备了ZnHA，发现只有当烧结温度高于900(C时Zn2+才能进入HA晶格，取代部分Ca2+,并且指出Zn2+最高掺杂溶度为0.25。李志宏等[4]采用水热法制得SrHA,发现随着Sr掺杂含量的增加，SrHA晶粒尺寸慢慢地变小，抵抗分解的能力也会随之降低，羟基磷灰石细胞毒性受锶掺杂影响较小，锶掺杂磷灰石不容易与基体产生排斥作用。李明欧等人[5]采用在高压锅炉内反应的水热法制备获取制得了纳米到微米级大小的木棒形状、细针形状或纸片形状的ZnHA粉体的材料，并且所得到的ZnHA粉体颗粒也具有了结晶度高以及化学计量比和晶型适合。尹兆益等[6]采用成点发制备了EuHA并研究了其发光性能，结果表明：持续不断地提升煅烧的温度，EuHA的红外光的强度也逐渐的升高，Eu3+溶入替代了HA晶格中Ca(II)所在位置的含量也循序渐进的升高。鲍志伟等人[2]采用不难的共沉淀法,通过稀土的掺杂以及磁性粒子的掺杂制备出了羟基磷灰石复合材料，具有磁性荧光双重功能,并且通过对其性能的表征，讨论了HA材料发光强度受不同的稀土掺杂浓度的影响。利用共沉淀法成功合成出了具有磁性荧光功能的γFe2O3/Eu:HA复合粒子。李成峰[4]采用Fe2+对羟基磷灰石粉末进行表面改性，利用金属离子对其进行表面改性还可以影响HA的很多其他性能，如形成晶体的能力、促进反应速度的能力以及受热不发生反应的能力等性质。铁离子与牙齿中的Ca2+在含铁离子的溶液中可以方便地进行交换，从而使得变色的现象渐渐地在牙齿中出现。研究被Fe3+取代的HA粉末已进行的很彻底，然而，目前还没有进行深入的表征和讨论取代的羟基磷灰石表面结构及性质。铁离子取代骨骼和牙齿中钙离子的过程可以通过含铁离子溶液对HA进行表面改性来模拟。铁离子作为微量元素存在在骨骼和牙齿中,HA的形成晶体的性能和溶入骨骼和牙齿的能力会受到影响。目前对骨骼生长调控方面的研究很少有关于磁场以及磁性材料。科学研究发现骨的生长以及生长取向可以受强磁场(8T)的调控。研究也表明，人的成骨细胞的分化可以因磁力作用而加速。还有科学研究发现，成骨细胞可以受到来自磁粒子提供的力学刺激。这一系列不断探索所获得的结果都说明：组织工程研究中，磁粒技术非常具有潜力和价值。在化学组成和晶体结构上，HA与人体骨骼中的无机质成分比较相似，生物相容性和生物活性优异，骨修复以及骨替代材料中得到广泛应用。其中具有超顺磁性以及具有较好生物相容性的磁性材料纳米Fe3O4在医学领域中得到了广泛的应用。目前已经有部分带有磁体性质的羟基磷灰石制备方法的报道，Jiang[5]等人运用产生沉淀的方法制备出带有磁性的羟基磷灰石，但接下来的实验显示其磁性较低。Ella[6]等在模拟体液中磁性HA的复合物利用生物矿化法制得，但是比较消耗时间(28d)，并且团聚现象在所得Fe3O4随时间的延长容易出现，有较差的稳定性。张熠[3]等底物用合成的纳米Fe3O4悬液，逐渐升高Ca、P溶液的pH值，可以利用尿素酶促进尿素水解实现，从而使得HA逐渐地在Fe3O4上沉淀累积，使得形成的磁性HA复合物紧密的结合在一起，并研究了磁性HA复合物的组成、结构和磁性，具良好的生物活性和超顺磁性的复合材料希望被制备出，同时兼有望治疗骨质疏松。
目 录
1. 绪论 1
1.1 羟基磷灰石概述 1
1.2 羟基磷灰石的国内外研究现状 2
1.3 羟基磷灰石制备方法 4
1.3.1 溶胶凝胶法 4
1.3.2 水热法 5
1.3.3 均匀沉淀法 6
1.3.4 自燃烧法 7
1.3.5 微乳液法 7
1.4 铁掺杂羟基磷灰石的作用 8
1.4.1 微量元素掺杂纳米羟基磷灰石作为运载药物的作用 8
1.4.2 磁性羟基磷灰石的作用 8
1.5 实验意义和目的 8
2. 实验部分 10
2.1 实验药品及仪器 10
2.2 实验方法及步骤 11
2.2.1 羟基磷灰石的制备 11
2.2.2 氯磷灰石的制备 11
2.2.3 铁掺杂羟基磷灰石的制备 12
2.2.4 Xray粉末衍射测试 12
2.2.5 红外可见光谱测试 12
2.2.6热重测试 13
2.2.7 饱和磁强度测定 13
3. 结果与讨论 14
3.1 热重分析 14
3.2 粉末衍射分析 14<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
br /> 3.2.1 羟基磷灰石的粉末衍射分析 14
3.2.2 氯磷灰石的粉末衍射分析 17
3.2.3 Fe掺杂羟基磷灰石的粉末衍射分析 19
3.3 红外可见光谱分析 21
3.3.1 羟基磷灰石的红外可见光谱分析 21
3.3.2 氯磷灰石的红外可见光谱分析 23
3.3.3Fe掺杂羟基磷灰石的粉末衍射分析 25
3.4 饱和磁强度分析 27
3.5 铁掺杂羟基磷灰石热稳定性能分析 28
4. 结论 31
参考文献 32
致谢 34
绪论
1.1羟基磷灰石概述
天然骨骼的主要成分是羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2(简称HA),它具有良好的生物活性和相容性,可以诱导新骨的快速形成并为新骨提供一个可靠的支架, 还能与骨骼组织直接形成较好的骨性结合,是理想的硬组织替换材料，具有非常重要的医学价值。柱状与针状的磷灰石晶体是组成骨骼纳米结构的主要结构单元,这些晶体可以定向或卷曲的排列，也可以通过相互缠结而构成多种组织与结构。这种不同的织构形成了骨骼在纳米尺寸上的功能单元,比如束状的结构和团聚的结构适合于承受高强度, 而卷曲和疏状交织结构具有很好的韧性，并且有利于营养物的传递。组成羟基磷灰石的成分与组成生物体骨质的无机成份相似，它的生物相容性非常好,作为硬组织的替代材料非常理想。目前为止，已经人工合成出高纯度的羟基磷灰石晶体, 与此同时还通过陶瓷的烧结技术, 已经烧制出了与人体牙齿的韧性和强度都十分相近的HA晶体,在临床上这种陶瓷HA已经得到了广泛的应用。不仅如此, HA晶体还可以制作成催化剂、色谱分离剂、荧光材料、电子材料等，可以说是用途非常广泛。全世界的材料研究者和医学工作者都广泛关注着高质量的纳米HA粉末。另外, HA广泛应用于生物大分子、细胞等分离的层析剂, 可以作为载体用于无机抗菌材料的制备以及药物的控制释放, 同时纳米HA对艾滋病毒和胃癌细胞具有抑制作用。作为生物材料，HA应具备纯度高、颗粒均匀、晶体形貌一定、热稳定性好等特性, 而这些特性与HA的合成条件密切相关。人工合成的羟基磷灰石材料的大部分的成分和主要的结构都与人体骨骼中的无机成分物质的相似，它不易产生过敏、对人体没有刺激性、不产生毒性、不会导致基因突变和更不会导致人体产生癌变，是一种能与生物基体很好的相容合的材料，不仅如此，人工合成的羟基磷灰石可以与人体骨骼会发生一系列化学作用，具有良好的骨骼传导性，因此可以广泛地作为组织材料应用于修复和替换生物硬组织，例如在口腔种植牙齿、增高牙脊骨、替换耳小骨、替换脊椎骨等。除此之外，人工合成的HA还具有无毒、安全、生物相容性和生物活性良好等优点。可以和人体的骨骼结合地很好，并且人体体液会使HA发生部分降解从而游离出钙和磷，这些钙和磷很容易被人体组织吸收以及被骨骼组织利用从而生长出新的组织，从而使得骨骼产生传导作用，所以整个世界在材料方面进行工作的专家和学者以及在医学领域工作的人全部在关心着羟基磷灰石的研究进展情况。现在羟基磷灰石早已应用于临床进行修理复原骨头缺失损坏以及用于填补充实整形的骨组织材料。在生物医学领域，纳米HA的应用大都是在修补复原硬组织、当作药物的运载工具以及抵制控制肿瘤活性等方面。纳米HA多分子的整合材料经过临摹效仿非人造的硬组织，彻底解决了常见的一般的HA材料的一些缺点：容易破碎断裂、抵抗变形的能力低下、在生理环境下不能长时间起作用等临床中的问题，因此这种多种材料整合在一起的材料在骨组织工程领域中的应用前景非常被看好。最接近非人造骨头结构的工程领域的材料是纳米HA晶体与胶原成分共同整合在一起的复合材料。
但是，人工合成的羟基磷灰石具有十分显著的缺点，例如脆性大、韧性较差、力学性能差等。使得羟基磷灰石做为承重骨方面的应用受到了限制。无机粒子与聚合物之间的界面结合力在很大程度上决定了羟基磷灰石/聚合物复合材料的力学性能。没有杂质的纳米羟基磷灰石粒子容易产生团结聚集作用且和聚合物界面的粘结在一起的能力较差, 故这种合成在一起的材料的物理力学性能下降变低了。由此可见，对羟基磷灰石进行表面化学修饰以及引入其他分子都具有十分重要的意义。纳米羟基磷灰石(nHA)以及掺杂羟基磷灰石的出现，提高了骨植入体的扭转模量、拉伸模量、拉伸强度以及疲劳抗力，从而改善了HA的力学性能。此外，人工合成HA不易生物降解，这是因为自然骨中的HA是一种典型的缺钙羟基磷灰石，其准确的表达式为(Ca,M)10(PO4)(OH,X)2，其中M为取代的阳离子(Na+、Mg2+、K+、Si4+、Zn2+、Sr2+等)，X为取代阴离子(CO32、Cl、F等)，取代离子可以引起HA结晶度、溶解度的变化，最终可以使其生物学性能发生变化。人工合成HA的结晶性和结构稳定性都高于自然骨中的HA，不易生物降解也不利于骨缺损部位骨功能的恢复，因此为了满足临床应用方面的需求，需要在非天然合成的HA中混入各种各样的元素来改变提高替代材料的临床性能。
1.2羟基磷灰石的国内外研究现状
目前，国内外有关于元素掺杂纳米羟基磷灰石制备以及性能方面的研究已有一些相应的报道。Dasgupta等[2]制备了ZnMgHA，研究发现，蛋白质释放率受掺杂元素的影响，这表明掺杂HA可用于骨生长因子以及药物释放的研究。Gomes等[3]采用溶胶凝胶法制备了ZnHA，发现只有当烧结温度高于900(C时Zn2+才能进入HA晶格，取代部分Ca2+,并且指出Zn2+最高掺杂溶度为0.25。李志宏等[4]采用水热法制得SrHA,发现随着Sr掺杂含量的增加，SrHA晶粒尺寸慢慢地变小，抵抗分解的能力也会随之降低，羟基磷灰石细胞毒性受锶掺杂影响较小，锶掺杂磷灰石不容易与基体产生排斥作用。李明欧等人[5]采用在高压锅炉内反应的水热法制备获取制得了纳米到微米级大小的木棒形状、细针形状或纸片形状的ZnHA粉体的材料，并且所得到的ZnHA粉体颗粒也具有了结晶度高以及化学计量比和晶型适合。尹兆益等[6]采用成点发制备了EuHA并研究了其发光性能，结果表明：持续不断地提升煅烧的温度，EuHA的红外光的强度也逐渐的升高，Eu3+溶入替代了HA晶格中Ca(II)所在位置的含量也循序渐进的升高。鲍志伟等人[2]采用不难的共沉淀法,通过稀土的掺杂以及磁性粒子的掺杂制备出了羟基磷灰石复合材料，具有磁性荧光双重功能,并且通过对其性能的表征，讨论了HA材料发光强度受不同的稀土掺杂浓度的影响。利用共沉淀法成功合成出了具有磁性荧光功能的γFe2O3/Eu:HA复合粒子。李成峰[4]采用Fe2+对羟基磷灰石粉末进行表面改性，利用金属离子对其进行表面改性还可以影响HA的很多其他性能，如形成晶体的能力、促进反应速度的能力以及受热不发生反应的能力等性质。铁离子与牙齿中的Ca2+在含铁离子的溶液中可以方便地进行交换，从而使得变色的现象渐渐地在牙齿中出现。研究被Fe3+取代的HA粉末已进行的很彻底，然而，目前还没有进行深入的表征和讨论取代的羟基磷灰石表面结构及性质。铁离子取代骨骼和牙齿中钙离子的过程可以通过含铁离子溶液对HA进行表面改性来模拟。铁离子作为微量元素存在在骨骼和牙齿中,HA的形成晶体的性能和溶入骨骼和牙齿的能力会受到影响。目前对骨骼生长调控方面的研究很少有关于磁场以及磁性材料。科学研究发现骨的生长以及生长取向可以受强磁场(8T)的调控。研究也表明，人的成骨细胞的分化可以因磁力作用而加速。还有科学研究发现，成骨细胞可以受到来自磁粒子提供的力学刺激。这一系列不断探索所获得的结果都说明：组织工程研究中，磁粒技术非常具有潜力和价值。在化学组成和晶体结构上，HA与人体骨骼中的无机质成分比较相似，生物相容性和生物活性优异，骨修复以及骨替代材料中得到广泛应用。其中具有超顺磁性以及具有较好生物相容性的磁性材料纳米Fe3O4在医学领域中得到了广泛的应用。目前已经有部分带有磁体性质的羟基磷灰石制备方法的报道，Jiang[5]等人运用产生沉淀的方法制备出带有磁性的羟基磷灰石，但接下来的实验显示其磁性较低。Ella[6]等在模拟体液中磁性HA的复合物利用生物矿化法制得，但是比较消耗时间(28d)，并且团聚现象在所得Fe3O4随时间的延长容易出现，有较差的稳定性。张熠[3]等底物用合成的纳米Fe3O4悬液，逐渐升高Ca、P溶液的pH值，可以利用尿素酶促进尿素水解实现，从而使得HA逐渐地在Fe3O4上沉淀累积，使得形成的磁性HA复合物紧密的结合在一起，并研究了磁性HA复合物的组成、结构和磁性，具良好的生物活性和超顺磁性的复合材料希望被制备出，同时兼有望治疗骨质疏松。
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