基于正交設計的化學共沉淀法制備β－磷酸三鈣
2007-01-01 00:00:00李素芹宋邦才張軍王俊鳳王志鋒
佛山陶瓷 2007年5期
摘 要 采用正交設計，獲得了化學共沉淀法制備β-磷酸三鈣的最佳工藝條件。將產物分子中鈣磷原子的摩爾比，即n(Ca)/n(P)作為控制指標，對影響該指標的四個要素（反應物鈣磷源配比、pH值、反應溫度、反應時間）在四個水平上進行考察，并對實驗結果進行了直觀分析。結果表明，化學共沉淀法制備β-磷酸三鈣的最佳工藝條件為：反應物鈣磷源配比為1.50、pH值為11、反應溫度為25℃、反應時間為3h。其中反應物鈣磷源配比、pH值是影響產物n(Ca)/n(P)的顯著因子。在最佳工藝條件下制得了高純度的β-磷酸三鈣，并經化學分析及XRD測定進行了確證。
關鍵詞 β-磷酸三鈣，共沉淀法，正交設計，化學分析
1引言
磷酸三鈣基生物陶瓷，因其在生理環境中可被逐步降解和吸收，并為新生組織所替代，在當今生物組織工程支架材料領域一直倍受關注。這類生物陶瓷包括磷酸三鈣(α-TCP及β-TCP)、羥基磷灰石(HA)、磷酸四鈣(C4P)及它們的混合物[1～2]。其中生物降解性能顯著的是β-TCP。β-TCP（β-tricalcium phosphate）分子式為β-Ca3(PO4)2，組成與生物骨中的無機成分相似，不僅具有良好的生物相容性、生物活性、骨傳導甚至骨誘導作用，而且植入機體后對人體無毒、無局部刺激性、不致溶血或凝血，也不致突變或癌變，因此β-TCP生物陶瓷在骨組織工程領域日益受到重視[3～4]。
1970年以來，對β-TCP生物降解陶瓷研究的熱點主要集中在其制備過程中材料純度、粒度和結晶的控制等，目的是使其降解速度與骨的再生速度相匹配[5]。β-TCP生物陶瓷的制備包括微粉合成、成形和燒結，其中高純度β-TCP的合成是保證生物陶瓷質量的關鍵。目前，β-TCP的合成方法主要有濕法、干法、水熱法以及醇化合物法[6]。其中濕法是通過溶液反應合成，制得細小晶粒或無定形微粉， 是合成β-TCP較為理想的工藝。化學共沉淀法[7]是濕法的一種，具有如下優點：裝置簡單、操作簡便、原料易得、產物質量易于控制等。利用該法合成β-TCP雖已有報道，但缺乏基于正交設計對合成條件的系統優化研究。本研究通過正交設計尋求化學共沉淀法制備β-TCP的最佳工藝條件，評價反應物鈣磷源配比、pH值、反應溫度、反應時間等因素對產物n(Ca)/n(P)的影響。
2實驗部分
2.1主要試劑
制備原料：Ca(NO3)2·4H2O、(NH4)2HPO4以及輔助試劑EDTA、氨水、喹啉和鉬酸等，均為分析純市售產品，使用前未作進一步純化。
2.2 分析檢測
（1） 元素分析：產物中鈣元素含量用改進的EDTA容量法[8～9]測定， 磷元素含量測定采用磷鉬酸喹啉重量法[10]。
（2） 物相分析：X-射線粉末衍射（XRD）分析測定。
2.3 正交實驗設計
初步實驗證實，采用化學共沉淀法合成β-TCP時，反應物配比、溶液pH值等因素能夠顯著影響產物的化學組成和物相。因此通過對比分析各種合成影響要素，將產物鈣磷元素物質的量比，即n(Ca)/n(P)作為控制指標，采用正交設計原理，對反應物配比、pH值、反應溫度、反應時間等因素在四個水平上進行考察，選擇四因素四水平 （L16（45））正交表安排實驗，并對實驗結果進行直觀分析。
2.4 β-TCP的合成
配制一定濃度的Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4水溶液，用恒溫水浴控制反應體系的溫度，磁力勻速攪拌。按照一定摩爾比的Ca(NO3)2·4H2O與(NH4)2HPO4，將(NH4)2HPO4溶液緩慢逐滴滴加到Ca(NO3)2溶液中，反應過程中用氨水調節溶液pH值為9～12。在一定溫度下反應一段時間后，陳化、抽濾洗滌至中性，于90℃烘干24h，然后在900℃下焙燒2h，所得樣品置于干燥器中備用。
3結果與討論
3.1 化學分析法測產物鈣、磷元素含量
3.1.1 改進的EDTA容量法測鈣
由于溶液中含有大量的PO43-，使常規的EDTA法滴定Ca2+離子受到嚴重干擾。我們對此做了詳細的前期研究[11]，通過加入復合鈣指示劑等手段，成功消除了PO43-的影響，確保了分析結果的準確性。
稱取上述合成的各組樣品0.2g，精確至0.0002g，用1:1的鹽酸溶解后定容于100mL容量瓶中。移取10.00mL溶液，置于250mL錐形瓶中，加水稀釋至50mL，加3.6 mol·L-1的KOH溶液5mL，使溶液的pH值大于12，再加15mg復合鈣指示劑，用EDTA標準溶液滴定，溶液由酒紅色突變為純藍色，即為終點。為提高顯色靈敏度，加入少量0.5%MgSO4溶液輔助顯色。
3.1.2磷鉬酸喹啉容量法測磷
將各組樣品用1:1的鹽酸、濃硝酸混合液加熱溶解，加入適量檸檬酸－鉬酸鈉溶液，加熱至沸騰，然后邊攪拌邊趁熱滴加5%的喹啉溶液，繼續加熱至沸騰。沉淀后經冷卻、過濾，以冷去離子水洗滌至無酸性，置于燒杯中，加入NaOH標準溶液至沉淀溶解，再加入適量混合指示劑，用HCl標準溶液滴定至藍色褪去，并過量少許，再用NaOH標準溶液回滴至黃色變為藍紫色，即為終點。
3.1.3計算產物n(Ca)/n(P)
根據上述化學法測定結果，計算出各組產物的n(Ca)/n(P)，結果如下表所示。
3.2 實驗結果的直觀分析
采用直觀分析即極差分析法對實驗結果進行分析[12]，表中K表示各因素下產物n(Ca)/n(P)對水平數的均值，R表示極差即各因素均值的最大值與最小值之差。
3.2.1因素的主次關系
極差R越大，則該因素對控制指標的影響越顯著。由下表可知，第2列的極差為0.49，是所有極差中最大的一個，表明pH值為影響實驗結果的主要因素；同理，反應物鈣磷源配比為次主要因素，反應溫度和反應時間為次要因素。因此，因素的主次關系，即它們的影響能力順序為：pH值＞反應物鈣磷源配比＞反應溫度＞反應時間。
3.2.2最佳方案組合
根據K值的大小來確定各因素的最佳水平，確定的原則要根據對指標值的要求而定。本實驗的控制指標為產物n(Ca)/n(P)，要求其與純β-TCP的理論值（n(Ca)/ n(P)=1.50）越接近越好。因此最佳工藝條件為反應物鈣磷源配比為1.50，pH值為11，反應溫度為25℃，反應時間為3h。在此最佳工藝條件下本研究做了進一步的驗證實驗，經并行三次實驗所得產物的化學分析得知，該條件下產物的n(Ca)/n(P)與純β-TCP的比值極為接近。
3.2.3討 論
分析發現：（1）隨著溶液pH值增高， 產物的n(Ca)/ n(P)值增大，且影響非常顯著。有研究表明[13]，酸性條件下，產物是以鈣磷摩爾比相對較低的CaHPO4為主的化合物存在；在堿性條件下，產物則以鈣磷摩爾比較高的 Ca3(PO4)2、Ca10(PO4)6(OH)2等物質為主。因此本實驗中pH值控制在11為宜；（2）反應物鈣磷源配比也是一個顯著影響因子，Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)2HPO4的摩爾比過高會生成羥基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2等雜相。二者的物質的量比保持在1.50時，結果比較理想；（3）反應時間與反應溫度均不是顯著影響因子，對產物影響不大。綜合考慮，以反應溫度為25℃，反應時間3h為宜。
3.3 X-射線衍射（XRD）分析
為了進一步驗證最佳合成工藝條件下制得的樣品的物相和組成，對該組產品進行了X-射線衍射(XRD)分析。將所得圖譜與標準圖譜對照，發現二者非常吻合，且圖譜中基本無雜相峰存在，衍射峰強而尖銳，表明反應在該條件下進行得比較徹底，產物為純度較高、晶態較好的β-TCP，如下圖所示。
4結 論
本文以價廉易得的Ca(NO3)2#8226;4H2O和(NH4)2HPO4為原料，利用濕法工藝制得了組成和晶相皆優的高純β-TCP。同時，基于正交設計法對影響產物品質的各種因素進行對比分析，得出如下結論：控制反應物鈣磷源配比為1.50、pH值為11、反應溫度為25℃、反應時間為3h時，利用化學共沉淀法可制備出純度較高、晶態較好的β-TCP，并經化學分析及XRD測定得到了確證。
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