溶膠-凝膠法制備納米雙相磷酸鈣生物陶瓷粉體的研究*

李亞東，楊為中，易勇，張虎軍

(1.中國人民解放軍成都軍區總醫院，成都 610083；2. 四川大學材料科學與工程學院，成都 610064 3. 西南科技大學材料科學與工程學院，綿陽 621010)

1 引 言

1926年，借助X射線衍射法，Bassett分析確認了人骨和牙齒中的無機礦物成分類似于磷灰石。迄今為止，組成結構與骨磷灰石類似的磷酸鈣系列生物陶瓷已成為重要的生物醫學材料，其中，羥基磷灰石(HA)的Ca/P原子比為1.67，具有優異的生物活性和生物相容性，β-磷酸三鈣(β-TCP)則是Ca/P原子比為1.5,具有在體內可吸收和降解特性。近年來，結合HA和β-TCP特點的雙相復相材料—雙相磷酸鈣(BCP)成為了研究熱點。80年代，經過Jarcho等[1]的努力，BCP陶瓷進入了臨床—作為牙科和骨科中的替換材料。Legeros等[2]則研究了不同HA/TCP比陶瓷的制備與性能的關系，結果表明，BCP陶瓷的生物活性可通過調節二者的比例來控制。利用一定顆粒粒徑范圍內，HA/TCP比為50/50的BCP陶瓷，Piattelli等[3]進行了臨床實驗，發現BCP陶瓷的骨傳導性和生物相容性表現良好。90年代初，有關磷酸鈣陶瓷誘導成骨現象的報道，引發了BCP陶瓷研究的又一輪高潮[4-5]。研究認為：在HA和TCP的性能互補的情況下，BCP陶瓷材料的生物相容性要優于單相磷酸鈣陶瓷；在力學性能方面，磷酸三鈣的斷裂強度會因為羥基磷灰石的重結晶而增強，特定的HA/TCP比則會提高BCP陶瓷的抗彎強度和彈性模量。

納米生物陶瓷粉體的制備包括：固相反應法、化學沉淀法、水熱合成法、溶膠-凝膠法等[6-8]。目前，關于納米級雙相磷酸鈣粉體制備的研究報道并不多，本實驗選擇溶膠-凝膠法制備納米雙相磷酸鈣生物陶瓷粉體，重點探索了煅燒溫度及初始反應物組成對制備結果的影響。

2 實驗和方法

2.1 實驗方法

將亞磷酸三甲酯((CH3O)3P，AR)和硝酸鈣(Ca(NO3)2·4H2O，AR)分別溶解在無水乙醇(AR)中分別形成4 mol L-1和2 mol L-1的溶液。

將適量去離子水在充分攪拌下加入180 ml亞磷酸三甲酯溶液中，攪拌30 min后與硝酸鈣溶液均勻混合；持續攪拌該混合溶液30 min后，在室溫下靜置16 h，然后將混合液在60℃的水浴中放置6 d，可得白色干凝膠。干凝膠在600～900℃下煅燒3 h后，在研缽中研細可得粉體。

實驗研究了煅燒溫度對產物的影響以及反應初始Ca/P對產物的影響初始Ca/P比(～1.6、～1.55、1.5、～1.45)。

2.2 表征方法

以X射線衍射分析儀(XRD，DX-1000型，中國丹東方圓儀器有限公司)分析粉體晶型結構；以掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-5900LV型，日本Hitachi公司)及場發射透射電子顯微鏡(TEM，G2 F20 FEI型，香港Tecnai有限公司)表征粉體的顯微形貌及粉體顆粒粒徑。

以XRD JADE軟件，Materials Data，Inc，通過RIR計算法，比較各物相最強峰，半定量估算出產物物相的質量比，進而得到產物Ca/P比；借助軟件通過謝樂公式得到產物粉體計算粒徑。

3 實驗結果和討論

當初始反應物Ca/P比固定為～1.6時，不同煅燒溫度下產物的X衍射圖譜，見圖1。

圖1相同初始Ca/P比(初始Ca/P～1.60)，不同煅燒溫度下所得產物的XRD圖譜

(a)T=600℃; (b)T=700℃; (c)T=800℃;(d) T=900℃;

Fig. 1XRDpatternoftheproductscaclinedatdifferenttemperature

(a)T=600℃; (b)T=700℃; (c)T=800℃;(d) T=900℃

由圖1(a)，可得：當煅燒溫度為600℃，產物主要為β-磷酸三鈣(β-TCP)，羥基磷灰石(HA)峰結晶效果不好；由圖1(b～c)可見，當煅燒溫度為700～900℃，產物HA和β-TCP結晶峰均尖銳，結晶效果好；由JADE軟件計算可得，圖1(b)中，產物Ca/P～1.664，產物平均晶粒尺寸約為37.7 nm；當煅燒溫度為800℃，產物Ca/P～1.629，產物平均晶粒尺寸約為40.1 nm；當煅燒溫度為900℃，產物Ca/P～1.628，產物平均晶粒尺寸約為46.1 nm；

當初始鈣磷比約1.6時，制備BCP陶瓷粉體較佳的煅燒溫度為700～900℃，在此溫度范圍內，產物Ca/P比隨煅燒溫度增大而減小，煅燒溫度達800℃后，鈣磷比基本穩定在1.628～1.629；產物計算顆粒粒徑隨煅燒溫度提高而逐漸增大。

3.1 不同初始Ca/P對產物晶型結構及顆粒粒徑的影響

實驗考察了相同煅燒溫度(800℃)，不同初始Ca/P比下得到的BCP產物的晶型結構，圖2為初始Ca/P比分別為1.60、1.55、1.5時的產物X衍射圖譜。

根據圖2，由JADE軟件計算所得，當初始Ca/P比為1.60時，產物HA/TCP質量比～75.6:24.4，Ca/P比為1.629，平均晶粒尺寸約為40.1 nm；當初始Ca/P比為1.55時，產物HA/TCP質量比～63:37，Ca/P比為1.595，平均晶粒尺寸約為37.8 nm；當初始Ca/P比為1.5時，產物HA/TCP質量比～22:78，Ca/P比為1.537，平均晶粒尺寸約為41.5 nm。

圖2 不同初始Ca/P比

Fig2XRDpatternoftheproductsderivedfromdifferentstartingCa/Pmolratio

(a) 1.6; (b)T=1.55; (c)1.5

對于化學計量β-TCP和HA， Ca/P比是 1.5和1.67。對于BCP， Ca/P 比應在1.5和1.67之間。實驗可得，產物初始Ca/P比從1.6變化到1.5，產物Ca/P比隨之降低，在實驗Ca/P比變化范圍內，均能獲得BCP雙相晶型結構(Ca/P 比為1.5～1.67)；當初始Ca/P比較低時(=1.5)，反應產物以β-TCP為主，若需增加產物中羥基磷灰石(HA)比例，可提高反應物初始Ca/P比；另外，產物初始Ca/P比的變化對產物計算晶粒尺寸的影響并不大。

可見，通過調節反應物初始Ca/P，可控制產物兩相組成比例，進而調節產物性質。當產物中HA相含量高時，BCP穩定性好，生物活性較高；當β-TCP相含量高時，BCP在體液或模擬體液(SBF)環境下可降解，且通過調節β-TCP含量，可對BCP的降解速度進行調節。

3.2 BCP粉體的顯微形貌

由于本實驗范圍內，產物初始Ca/P比的變化對產物計算晶粒尺寸的影響不大，實驗以初始Ca/P比為1.60時所得BCP粉體來表征產物顯微形貌結構。

圖3分別為煅燒溫度為700℃與800℃下，BCP粉體的SEM圖譜；圖4分別為煅燒溫度為700℃與800℃下，BCP粉體的TEM圖譜。

由圖3及圖4均可看出，兩種溫度下所得BCP粉體，一次粒徑均達到納米級；700℃煅燒，顆粒一次粒徑約50～80 nm；800℃煅燒，顆粒一次粒徑約80～100 nm。說明隨煅燒溫度的增大，產物BCP粉體顆粒粒徑隨之增大。

圖3 不同煅燒溫度下產物BCP粉體的SEM圖譜

圖4 不同煅燒溫度下產物BCP粉體的TEM圖譜

實驗以(CH3O)3P、Ca(NO3)2·4H2O為主要原料，通過溶膠-凝膠法制備了納米級雙相磷酸鈣(BCP)生物陶瓷粉體。煅燒溫度為700～900℃均能制得BCP粉體，產物Ca/P比隨煅燒溫度增大而減小，煅燒溫度達800℃后，鈣磷比基本穩定在1.628～1.629；產物計算顆粒粒徑隨煅燒溫度提高而逐漸增大，SEM及TEM結果發現，700℃煅燒，顆粒一次粒徑約50～80 nm；800℃煅燒，顆粒一次粒徑約80～100nm；產物初始Ca/P比從1.6變化到1.5，產物Ca/P比隨之降低，但均能獲得BCP雙相晶型結構(Ca/P 比為1.5～1.67)；當初始Ca/P比較低時(=1.5)，反應產物以β-TCP為主，若需增加產物中羥基磷灰石(HA)比例，可提高反應物初始Ca/P比，即：調節反應物初始Ca/P，可控制產物兩相組成比例，進而調節產物生物活性、降解速度等特性。