Sr-HAP/CS 復合凝膠的制備及生物礦化性能研究*

楊雪艷，安燕，胡鳴鳴，常愛香

（1.貴州廣播電視大學，貴州貴陽550023；2.貴州大學化學與化工學院）

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Sr-HAP/CS 復合凝膠的制備及生物礦化性能研究*

楊雪艷1，安燕2，胡鳴鳴2，常愛香2

（1.貴州廣播電視大學，貴州貴陽550023；2.貴州大學化學與化工學院）

采用化學沉淀法-冷凍干燥法制備含鍶羥基磷灰石/殼聚糖（Sr-HAP/CS）復合凝膠，比較羥基磷灰石/殼聚糖（HAP/CS）凝膠，研究了它們的組成、結構和生物礦化性能。產物經IR、XRD和SEM分析證實：HAP/CS和Sr-HAP/CS中無新化學鍵生成，主要成分為HAP、Sr-HAP和CS；XRD中Sr-HAP的特征峰比HAP相應峰尖銳，晶體粒徑減小；2種凝膠內部為網狀孔隙結構，物相分布均勻。礦化實驗結果表明，2種復合凝膠在模擬體液（SBF）中浸泡，表面發生鈣的溶解和沉積現象；15 d后，凝膠表面有明顯白色絮狀物，主要為HAP類物質，且Sr-HAP/CS凝膠表面沉積物量較多；復合凝膠均具有誘導成骨性，Sr-HAP/CS對促進無機成骨物的生長作用較強。

Sr-HAP；CS；復合凝膠；表征；礦化性能

羥基磷灰石（HAP）在成分和結構上與天然骨組織相似，屬磷灰石類無機物，是一種重要的骨組織修復材料。研究證實，在羥基磷灰石中摻雜少量Sr2+形成含鍶羥基磷灰石（Sr-HAP）可提高其生物相容性、抗菌性，增強骨生長誘導作用，促進礦化，利于骨組織的生長和修復［1-4］。磷灰石類無機物作為骨組織材料，脆性較大、抗疲勞性能差，力學性能不理想，限制了其在骨修復和替換中的應用。近年，羥基磷灰石類物質與天然高分子復合材料的研究非常活躍，該類材料利用高分子凝膠的含水量高、溶脹快、生物相容性好等特點，使用時造成創傷小、能任意塑形，對人體組織無毒、無害，可改善單一材料在力學和生物學性能上的不足，在骨材料應用領域具有極好的發展前景［5-10］。筆者采用化學沉淀法分別合成HAP和Sr-HAP前驅體，與殼聚糖混合，經冷凍干燥制備復合水凝膠，研究了產物的組成、結構以及生物礦化性能。

1　實驗部分

1.1原料與儀器

原料：氯化鈉、碳酸氫納、氯化鉀、磷酸氫二鉀、無水氯化鈣、無水硫酸鈉、硫酸鎂、氫氧化鉀、鈣指示劑、二甲酚橙、乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）、四水硝酸鈣、磷酸氫二氨、無水乙醇（均為分析純，天津光復科技發展有限公司）；三羥甲基氨基甲烷［（CH2OH）3CNH2，Tris，質量分數＞99.8%］、鹽酸（質量分數36%～38%，天津市光復科技發展有限公司）；氨水（質量分數為25%～28%，重慶市川江化學試劑廠）；硝酸鍶（分析純，天津瑞金特化學品有限公司）；聚乙二醇-400（成都金山化學試劑有限公司）；殼聚糖（脫乙酰度＞90.0%黏度＜100 mPa·s，上海藍季科技發展有限公司）；明膠（分子量為1×105，天津市科密歐化學試劑研發中心）；去離子水（自制）。

儀器：JDT-2A型數字式精密溫度溫差測量儀、DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、聚乙烯瓶、PHS-3C型精密pH計、HK-2A型超級恒溫水浴、ALPHA 1-4 LSC型冷凍干燥機、X′pertPRO X衍射儀、JSM-6490LV HK-1D型掃描電鏡、WGH-30雙光束紅外吸收光譜儀。

1.2實驗方法

1.2.1復合凝膠的制備

采用化學沉淀法分別合成HAP和Sr-HAP前驅體［2］，與CS溶液混合形成HAP/CS和Sr-HAP/CS前驅體，經冷凍-解凍制備各復合凝膠產物。圖1為工藝流程圖。

圖1　HAP/CS凝膠工藝流程示意圖

1.2.2產物表征方法

分別用紅外光譜（IR）、X衍射譜圖（XRD）、掃描電鏡（SEM）檢測分析產物組成、結構等。采用Schrrer公式，通過讀取XRD譜圖上最強衍射峰半高寬及衍射角的大小估算晶粒的平均粒徑。

1.2.3生物礦化實驗

作為骨組織修復材料，生物礦化性能是一個重要的考察指標［5-6］。

1）模擬體液（SBF）配制。表1為SBF溶液的組成。按表1中的順序和加入量將各藥品依次溶解于去離子水中，在37℃水浴條件下配制1 000 mL模擬體液，以Tris為緩沖溶液調節pH，冰箱冷藏備用［5］。

表1　SBF溶液的組成

2）礦化實驗。①實驗設計。將SBF溶液分別加入一定量的HAP/CS、Sr-HAP/CS凝膠中（固液比為75∶100，mg/mL），置于37℃恒溫水浴中浸泡，在不同浸泡時間取樣分析SBF中的Ca2+和pH；浸泡15 d后對產物表面進行SEM檢測與XRD分析。礦化實驗設計見表2。

表2　SBF浸泡實驗

②Ca2+含量測定。采用EDTA法測定Ca2+含量［5-6］。鈣質量分數的計算式：

w（Ca）=cν×10-3×40.08

式中，c和ν分別表示EDTA的濃度和用量。

2　實驗結果與討論

2.1產物的表征

2.1.1IR分析

圖2為HAP/CS、Sr-HAP/CS凝膠的IR譜圖。由圖2a可知，3 455 cm-1處為O—H、N—H的吸收峰，1 640 cm-1處為殼聚糖中殘余乙酰氨基中的C=O吸收峰，1 540 cm-1處為—NH2吸收蜂，1 385、1 458 cm-1處為殼聚糖中烷基吸收峰，977 cm-1處為PO43-的對稱伸縮振動峰，500～580 cm-1附近的吸收帶是由PO43-彎曲振動引起的。由圖2b可見，3 440 cm-1處有O—H、N—H吸收峰，1 621 cm-1處為CS中殘余乙酰氨基中C=O的吸收峰；1 400 cm-1處為CS的烷基吸收峰，1 100 cm-1處為C—OH吸收峰，975 cm-1峰是由PO43-對稱伸縮引起的；500～610 cm-1吸收峰是由PO43-彎曲振動引起的。將圖2與HAP和CS的IR譜圖作比較，發現CS分子與無機物（HAP和Sr-HAP）之間僅有氫鍵形成，無其他化學鍵生成。

圖2　復合凝膠的IR譜圖

結果表明，復合凝膠主要由HAP、Sr-HAP和CS組成，凝膠形成過程中除了CS與HAP、Sr-HAP分子之間有氫鍵產生外并無新化學鍵生成，未見反應。

2.1.2XRD分析

圖3為HAP/CS、Sr-HAP/CS凝膠的XRD譜圖。由圖3a可見，在25.83°及32.5°處出現強烈的衍射峰，是HAP的特征峰，圖中還觀察到HAP的其他特征衍射峰，各峰與HAP的JCPDS標準卡片（024-0033）基本吻合，計算得到晶體平均粒徑為34.29 nm。將圖3b與圖3a對比發現，Sr-HAP/CS凝膠中的特征峰逐漸銳化，31.881°出現尖銳清晰的特征峰，計算得知晶體平均粒徑為30.56 nm，原因分析：Sr2+取代了Ca2+，使HAP的晶格發生畸變，使晶體粒徑減小。

圖3　復合凝膠XRD譜圖

2.1.3SEM分析

圖（4a～4c）和圖（4d～4f）分別為HAP/CS和Sr-HAP/CS凝膠的內部截面SEM照片。由圖4可見，2種凝膠內部結構相似，物相分布均勻，無相分離，可見HAP、Sr-HAP與CS相容性良好。凝膠截面為網絡孔隙結構，大孔直徑約為100 μm，中間貫穿有20 μm左右的小孔。在水凝膠形成過程中HAP和CS交聯的網格中存在大量的水分子，當冷凍干燥時這些被水分子充滿的孔洞隨著水分蒸發，在原有的位置上會留下孔隙，這種結構有利于水分和無機鹽的代謝、細胞和組織的生長繁殖，還為凝膠提供了良好的可滲透性和吸附性。

圖4　CS/M-HAP水凝膠內部SEM照片

2.2凝膠的礦化實驗

2.2.1浸泡時間、pH與Ca2+含量的關系

圖5為復合凝膠在SBF中浸泡后Ca2+含量的測定結果。由圖5可見，HAP/CS和Sr-HAP/CS在SBF中浸泡后，Ca2+的含量均發生了改變，且變化趨勢相似。在3～12 h內，SBF中Ca2+含量下降幅度較大，這是因為浸泡初期凝膠表面與溶液中Ca2+發生作用，有鈣磷化合物（可能為含碳酸根的磷灰石）的沉積，SBF中的Ca2+被吸附到表面，溶液中Ca2+含量減少，12 h時達到最低值。隨著時間的延長，在12～24 h時，2組溶液中的Ca2+含量迅速上升，說明表面鈣磷化合物又能溶解出Ca2+；當達到24～96 h時，SBF中Ca2+的濃度上升變緩慢至平衡。因此可認為凝膠浸泡過程，表面的沉積與溶解是一動態過程。

從圖5還可見，Sr-HAP/CS中Ca2+的下降值小于HAP/CS凝膠，平衡時Ca2+的含量較高，表明在SBF中，Sr-HAP對Ca2+的含量維持能力較強，有利于骨組織生長。

圖6為浸泡過程中，SBF溶液pH隨時間的變化（37℃）。凝膠在SBF溶液中浸泡，其表面會發生變化，有類骨磷灰石物質的形成和金屬離子的溶出等，導致溶液pH的改變。比較圖6中2種凝膠浸泡后溶液pH，在12 h內，隨著時間的延長，溶液的pH降低；浸泡12～24 h，溶液的pH急劇上升。浸泡初期，凝膠表面金屬離子發生水合作用溶解；而后金屬離子與溶液中的酸根、OH-形成磷灰石物質附著沉積。浸泡48 h后，SBF中凝膠表面的溶解與沉積達到動態平衡，溶液的pH趨于穩定。浸泡Sr-HAP/CS溶液的pH上升幅度稍大于HAP/CS溶液，可能是形成的Sr（OH）2堿性強于Ca（OH）2。

圖5　浸泡時間與Ca2+含量的關系

圖6　浸泡時間與pH的關系

2.2.2SEM分析

圖7為未浸泡和經15 d浸泡后的HAP/CS和Sr-HAP/CS凝膠的SEM照片。由圖7可見，浸泡后的HAP/CS與Sr-HAP/CS表面均附有乳白色沉積物，后者表面顆粒狀物質較前者多，表明Sr-HAP更容易促進類骨磷灰石物質的形成。

圖7　浸泡前后凝膠表面SEM照片

2.2.3XRD分析

HAP/CS與Sr-HAP/CS凝膠浸泡15 d后表面生成的物質用乙醇溶液超聲法獲取，進行XRD測試，結果見圖8。由圖8可知，譜圖中有HAP的主要衍射峰，證實表面沉積物為羥基磷灰石類物質。

圖8　復合凝膠表面物質的XRD譜圖

3　結論

采用化學沉淀法-冷凍干燥制備HAP/CS和Sr-HAP/CS復合水凝膠，研究了它們的組成、結構和礦化性能對比實驗。

1）實驗方法制備的HAP/CS和Sr-HAP/CS復合凝膠組成為HAP、CS和Sr-HAP、CS，無新物質生成；后者晶體粒徑小于前者，平均粒徑為30.56 nm；2種凝膠內部結構相似，物相分布均勻，HAP類無機物與CS有良好相容性。2）凝膠產物是一種連通的網絡結構，大孔直徑約為200 μm，中間貫穿有20 μm左右的小孔，說明HAP類物質的加入不影響CS的多孔結構，可以滿足理想組織修復材料高孔隙率的要求。3）礦化實驗表明，凝膠浸泡在SBF中，其表面發生沉積與溶解的動態過程，Sr-HAP/CS對Ca2+含量維持能力較HAP/CS強，更利于骨組織生長。浸泡15 d后，凝膠表面有白色的絮狀物生長，且Sr-HAP/CS表面沉積物較多，主要為HAP類物質。復合凝膠均具有誘導成骨性，Sr-HAP/CS誘導能力較強。

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聯系方式：491260615@qq.com

Studies on preparation and biomineralization performance of Sr-HAP/CS composite gel

Yang Xueyan1，An Yan2，Hu Mingming2，Chang Aixiang2
（1.Guizhou Radio＆TV University，Guiyang 550023，China；2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Guizhou University）

Strontium-doped hydroxyapatite/chitosan composite gel（Sr-HAP/CS）was prepared by chemical precipitationfreeze-drying process.Compared with hydroxyapatite/chitosan gel（HAP/CS），their compositions，structures，and biomineralization performances were studied.The products were confirmed by IR，XRD，and SEM analysis：The HAP/CS and Sr-HAP/CS were mainly constitutive of HAP，Sr-HAP，and CS，and there was no new chemical bonds formed.Sr-HAP characteristic peak in XRD was sharp than HAP，and its crystal diameter decreased.The internal structure of two kinds of gel present reticular and pore on disperse uniformly.Results showed that the mineralized experiment，dissolution，and deposition of calcium on surface were produced for two kinds of compound gel soaked in simulated body fluid（SBF）.After 15 d the gel surface had obvious white flocks which were mainly the HAP，and Sr-HAP/CS′s was more in quantity.Compound gel had induced into osseous，and the promotion effect of Sr-HAP/CS to the growth of inorganic osteogenesis content was stronger.

Sr-HAP；CS；composite gel；characterization；mineralization performance

TQ132.2

A

1006-4990（2016）08-0026-04

貴州省科學技術基金項目（黔科合J字2013-2131）、貴州大學教改項目（JG2013052）。

2016-02-10

楊雪艷（1964—），女，碩士，教授，主要研究方向為生物復合材料。

安燕