以碳酸鈣為模板制備空心羥基磷灰石微球及其表征*

陳繼偉，沈 娟，胡文遠，齊永成

(西南科技大學 材料科學與工程學院, 四川 綿陽 621010)

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以碳酸鈣為模板制備空心羥基磷灰石微球及其表征*

陳繼偉，沈 娟，胡文遠，齊永成

(西南科技大學 材料科學與工程學院, 四川 綿陽 621010)

以碳酸鈣為模板和鈣源，與磷酸氫二銨通過水熱反應，制備出尺寸均勻、形態規則的空心羥基磷灰石微球。采用X射線衍射(XRD)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)測試制備的樣品，結果顯示，制備的空心羥基磷灰石微球具有與碳酸鈣微球模板相似的形貌，空心，尺寸均勻且形貌規則。并通過改變水熱反應時間探索了羥基磷灰石微球的形成機理。此羥基磷灰石空心微球在生物醫學領域具有較大的應用前景。

羥基磷灰石；空心微球；碳酸鈣；水熱法；形成機理

0 引 言

羥基磷灰石具有與生物體骨骼的無機成分相似的結構和組成，決定了其具有良好的生物相容性、生物活性和骨傳導性能[1-2]，因此，羥基磷灰石被廣泛應用于生物醫學領域，如藥物傳輸[3-4]和組織修復[5-7]等方面。而羥基磷灰石的形貌及性質決定了羥基磷灰石的應用，空心羥基磷灰石微球具有較大的比表面積，在藥物傳輸和組織修復中具有更廣闊的應用前景。

制備羥基磷灰石微球的方法較多，但大多制備方法較復雜或對設備要求較高，如噴霧干燥[8-9]需要較復雜的實驗過程和較高設備要求，Xiao等[11]采用玻璃轉化法制備出規則的羥基磷灰石微球，但制備溫度為1 200 ℃，而且消耗大量的原料。其它制備羥基磷灰石微球的方法大多采用有機試劑[12-14]，這嚴重影響了羥基磷灰石微球在生物體中的應用。本文利用自制的碳酸鈣微球作為模板，不采用有機試劑利用水熱法制備出空心羥基磷灰石微球。水熱反應時間直接影響羥基磷灰石微球的質量，尤其是在固液離子交換反應中，水熱反應時間對羥基磷灰石微球的轉化具有較大的影響，而此類的研究報道卻較少。本文采用較少種類的試劑且整個實驗過程不采用對生物體有毒的有機試劑制備出空心羥基磷灰石微球，并通過控制水熱反應時間的不同，探索了羥基磷灰石微球的形成機理。

1 實 驗

1.1 實驗試劑

無水氯化鈣(CaCl2，ACS)，阿拉丁化學有限公司；無水碳酸鈉(Na2CO3，AR)，磷酸氫二銨((NH4)2HPO4，AR)和一水檸檬酸(C6H8O7·H2O, AR)均來自于成都市科龍化工試劑廠；氫氧化鈉(NaOH，AR)，成都聯合化工研究所。

1.2 儀器與設備

Ultra 55場發射掃描電子顯微鏡，德國蔡司儀器公司； Libra 200FE 透射電子顯微鏡，德國蔡司儀器公司；X’Pert PRO多功能X射線衍射儀，荷蘭帕納科公司；Spectrum One 型傅里葉變換紅外光譜儀，美國PE儀器公司。

1.3 碳酸鈣微球的制備

碳酸鈣的制備采用與文獻[15]報道中類似的方法。稱取0.1 mol的一水檸檬酸加入100 mL CaCl2濃度為0.5 mol/L的溶液中，攪拌使其溶解均勻，用1.0 mol/L 的NaOH溶液調節溶液的pH值為5.8，攪拌下快速倒入100 mL 0.5 mol/L的Na2CO3溶液，混合均勻后靜置沉降24 h。過濾，用蒸餾水洗滌數次，50 ℃烘干。

1.4 空心羥基磷灰石微球的制備

0.0024 mol的(NH4)2HPO4在40 mL蒸餾水中充分溶解，加入0.004 mol實驗室制備的CaCO3(鈣磷摩爾比為5∶3)，用1.0 mol/L的NaOH溶液調節溶液的pH值為12.0，轉入40 mL的聚四氟乙烯壓力釜中140 ℃水熱一定時間(15，28和40 h)。自然冷卻至室溫，用蒸餾水洗滌數次，50 ℃干燥24 h。

2 結果與討論

2.1 碳酸鈣微球的表征

圖1和2分別為實驗室制備的碳酸鈣微球的XRD圖和FT-IR圖。樣品的X射線衍射峰尖銳，說明結晶性良好。對照方解石(JCPDS 5-586)和球霰石(JCPDS33-268)的X射線衍射標準卡片發現樣品由方解石和球霰石兩種晶型構成。碳酸鈣具有方解石、文石和球霰石3種常見的晶型，方解石熱力學最穩定，

圖1 制備的碳酸鈣微球的XRD圖(C=方解石，V=球霰石)

Fig 1 XRD spectrum of as-prepared calcium carbonate microspheres (C=calcite, V=vaterite)

圖2 制備的碳酸鈣的FT-IR圖

Fig 2 FT-IR spectrum of as-prepared calcium carbonate microspheres

球霰石最不穩定[16]，通常制備的碳酸鈣均為方解石。因此可以推斷檸檬酸的添加促進了球霰石的產生。從FT-IR圖中可以看出，樣品在712和874 cm-1處出現方解石的特征吸收峰，而745 cm-1處的峰值是球霰石的特征峰[17-19]，再次證明了制備的碳酸鈣微球具有方解石和球霰石兩種晶型。FT-IR圖譜在1 490 cm-1處出現較強非晶碳酸鈣的吸收峰，說明制備的碳酸鈣樣品中含有一定量的非晶碳酸鈣，這可能是檸檬酸的加入抑制了碳酸鈣的結晶，在產生球霰石的同時產生了部分非晶碳酸鈣。

2.2 空心羥基磷灰石微球的表征

圖3 水熱反應不同時間碳酸鈣轉化成羥基磷灰石微球的XRD圖

Fig 3 XRD spectra of calcium carbonate microspheres prepared hollow hydroxyapatite microspheres by hydrothermal different time

圖4 水熱反應不同時間碳酸鈣轉化成羥基磷灰石微球的FT-IR圖

Fig 4 FT-IR spectra of calcium carbonate microspheres prepared hollow hydroxyapatite microspheres by hydrothermal different time

2.3 空心羥基磷灰石微球的形貌

以碳酸鈣微球為模板制備羥基磷灰石微球，碳酸鈣的形貌直接影響羥基磷灰石微球的形貌。圖5是以本文制備的碳酸鈣微球為模板制備的羥基磷灰石微球。從圖中可以看出，制備的空心HAp微球與作為原料的碳酸鈣微球形貌一致，球形度較高，且分散性良好。隨著水熱反應時間的增長，圖5(a)、(c)和(e)中碎片增多，說明隨著水熱時間的增加，制備的空心HAp微球逐漸破碎，成球率降低。由圖5(b)、(d)和(f)可以看出，制備的羥基磷灰石球是由六方柱形和其它形貌的小顆粒組成，且隨著水熱時間的增加，六方柱形顆粒的量逐漸增加，其它形貌顆粒逐漸減少。一般羥基磷灰石呈現六方柱狀，推測六方柱狀顆粒為羥基磷灰石，其它形貌顆粒為碳酸鈣顆粒，隨著水熱時間的增長，碳酸鈣逐漸轉化為羥基磷灰石，因此碳酸鈣逐漸減少，羥基磷灰石逐漸增多。水熱反應時間較短時(圖5(a)和(b))，微球表面基本無缺損，水熱反應時間增長到28 h時，由圖5(c)可以看出有部分殘缺球出現，而且球面中心凹陷(圖5(d))。水熱反應時間為40 h時，由圖5(e)可以看出殘缺碎片進一步增加，而圖5(f)可以清楚地看出制備的羥基磷灰石空心。圖6為對應樣品的透射電鏡圖，水熱反應15 h時，微球為實心微球，隨水熱反應時間的增加，微球中心有透射光通過，隨著水熱反應時間的進一步增加，當水熱反應時間達到40 h時，微球變為空心微球。由圖中可以明顯的看出隨著水熱反應時間的增長，微球逐漸成為空心微球的過程。

圖5 水熱反應不同時間碳酸鈣轉化成羥基磷灰石微球的FESEM圖

Fig 5 FESEM images of calcium carbonate microspheres prepared hollow hydroxyapatite microspheres by hydrothermal different time

圖6 水熱反應不同時間碳酸鈣轉羥基磷灰石微球的TEM圖

Fig 6 TEM images of calcium carbonate microspheres prepared hollow hydroxyapatite microspheres by hydrothermal different time

2.4 空心羥基磷灰石微球的成球機理

碳酸鈣微球與磷酸氫二銨溶液在水熱條件下反應制備羥基磷灰石。由氫氧化鈉調節反應開始時的pH值，水熱反應溫度為140 ℃。反應體系形成高溫高壓環境，而碳酸鈣微溶于水，因此反應可以認為是高溫高壓下的固液離子交換反應[21]。溶液中，存在如下反應

(1)

(2)

(3)

Ca10-x-y/2(HPO4)x(PO4)6-x-y(CO3)y(OH)2-x

(4)

反應產物不易溶于水，進一步促進方程(1)碳酸鈣的水解。隨水熱時間的增加，碳酸鈣微球中碳酸鈣量進一步減少，產生的羥基磷酸鈣量進一步增加。這與XRD圖和FT-IR圖顯示的一致。隨著反應時間增加，溶液對碳酸鈣微球的侵蝕進一步增加，微球的缺陷增多，破碎產生的碎片逐漸增多，而且隨著反應(1)和(4)的進行，反應(4)產生的物質不易溶于水，產生沉淀，形成碎片或附著于碳酸鈣微球表面(圖7(c))。因此隨著反應時間的增加，反應產生的碎片增多，這與圖5顯示的一致。

圖7 碳酸鈣微球水熱法制備空心羥基磷灰石微球的機理圖

3 結 論

采用自制的碳酸鈣微球為模板，制備了粒徑約為800 nm～2 μm形態均勻、尺寸一致的空心羥基磷灰石微球。通過改變水熱反應時間，發現水熱反應時間不但影響碳酸鈣的轉化率，也影響羥基磷灰石的結晶性。水熱反應時間為40 h時碳酸鈣微球基本完全轉化為羥基磷灰石微球，且呈空心狀態。水熱時間越長，碳酸鈣轉化率越大，羥基磷灰石的結晶性越低。這種方法制備的空心羥基磷灰石采用較少的試劑，呈球性較好，在醫學領域具有潛在的應用前景。

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Preparation and characterization of hollow hydroxyapatite microspheres used calcium carbonate as template

CHEN Jiwei,SHEN Juan, HU Wenyuan,QI Yongcheng

(School of Materials Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010, China)

Uniform and hollow hydroxyapatite microspheres were prepared by calcium carbonate as the template with diammonium phosphate using hydrothermal method. As-prepared hollow hydroxyapatite microspheres were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), Field emission scanning electron microscopy (FESEM) and Transmission electron microscopy (TEM). Results showed that as-prepared hollow hydroxyapatite microspheres had the similar morphology and size with calcium carbonate microspheres. The formation mechanism of prepared hollow hydroxyapatite microspheres was explored by changed the reaction time. Therefore, as-prepared hollow hydroxyapatite microspheres have great application prospect in the biomedical field.

hydroxyapatite; hollow microspheres; calcium carbonate; hydrothermal method; formation mechanism

1001-9731(2016)04-04169-05

國家自然科學基金資助項目(21201142)；四川省科技廳應用基礎資助項目(2015JY0147)

2015-05-25

2015-09-17 通訊作者：沈 娟，E-mail: sj-shenjuan@163.com，胡文遠

陳繼偉 (1989-)，男，河南漯河人，碩士，師承沈娟副研究員，從事生物醫學材料研究。

TQ174.75

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.04.034