不同鈣源的羥基磷灰石的合成及表征

姚成立，嚴 妍，何艷嬌，李紅英

(合肥師范學院 化學與化學工程學院，安徽 合肥 230601)

不同鈣源的羥基磷灰石的合成及表征

姚成立*，嚴 妍，何艷嬌，李紅英

(合肥師范學院 化學與化學工程學院，安徽 合肥 230601)

羥基磷灰石；蛋殼粉；磷酸肌酸鈉；水熱反應

羥基磷灰石[Ca5(PO4)3(OH),HA]是天然骨的主要無機成份。在類型多樣的磷酸鹽中，羥基磷灰石是酸性條件下最為穩定的形態[1]。其中納米羥基磷灰石具有很高的比表面積和獨特的性能，使得仿生合成的納米羥基磷灰石等在整形外科或骨替代物方面有著廣泛的應用前景[2-4]。此外，羥基磷灰石還廣泛用于藥物載體[5-7]等。目前合成羥基磷灰石的過程中，高溫熱處理技術中的水熱法倍受歡迎[8]。在水熱條件下，有利于溶液的擴散，以及在一定程度上提高反應物活性，此外還可以通過控制反應條件，合成出一系列介穩結構、特殊凝聚態與聚集態的新物質、以及規則取向和晶形完美的晶體材料。肌酸磷酸二鈉是一種含磷生物分子，在受熱條件下可以水解釋放出磷酸根并用于羥基磷灰石的礦化合成。與傳統的磷酸鹽相比，采用肌酸磷酸二鈉作為磷源具有明顯的優勢：在受熱條件下緩慢釋放磷酸根可以避免磷酸鈣、羥基磷灰石的快速成核和生長；通過控制肌酸磷酸二鈉的水解速率可以控制產物的形貌、尺寸和結構；肌酸磷酸二鈉及其水解產物具有良好的生物相容性，明顯有益于誘導合成的磷酸鈣、羥基磷灰石納米顆粒的生物相容性[9-11]。鑒于雞蛋殼主要由碳酸鈣和有機質組成，利用蛋殼作為天然的綠色鈣源合成HA粉體，可為蛋殼的高附加值產品的應用開發提供新的技術途徑。目前已有文獻報道了蛋殼制備HA生物材料的工藝技術，如微波合成、水熱合成HA等，并分別就不同工藝參數對其熱穩定性、形態特征、顆粒大小等的影響進行了對比研究，對合成產物的應用作了有益探討[12-17]。

綜合上述研究，不難發現多數研究通過煅燒蛋殼粉可獲得純度很高的CaO粉體，再用其與可溶性含磷無機鹽來合成HA，雖然此方法可以成功合成HA，但該過程屬于高能耗，又喪失了蛋殼生物性，無法體現蛋殼在合成中的雙重作用：鈣源和硬模板。為了考察供磷模式對羥基磷灰石結構和性能的影響，以磷酸肌酸二鈉為磷源在水熱條件下水解緩慢釋放磷酸根合成HA，并對其結構性能進行表征。與傳統的磷酸鹽相比，采用肌酸磷酸二鈉作為磷源具有明顯優勢：磷酸根緩慢供給可以避免磷酸鈣、羥基磷灰石的快速成核和生長；通過控制肌酸磷酸二鈉的水解速率可以控制產物的形貌、尺寸和結構；肌酸磷酸二鈉及其水解產物具有良好的生物相容性，明顯有益于誘導合成的磷酸鈣、羥基磷灰石納米顆粒的生物相容性。本文通過對上述研究的對比，從生物廢棄物中獲得鈣源，并用作硬模板在水熱條件下簡便地獲取了HA；同時利用磷酸肌酸二鈉為磷源簡易制備純度較高的HA。此方法是比較可行的HA制備方法，并具備理想的預期應用效果，體現了環境友好和綠色化學理念。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

掃描電子顯微鏡(FESEM)測試通過日立S-1510掃描電鏡(Hitachi公司)完成。產物的物相分析在XRD-6000型X射線衍射儀(日木島津Shimadzu公司)上進行，采用Cu Kα(λ=0.154 18 nm)，加速電壓和電流分別為40 kV和30 mA，掃描速率(2θ)為10°/min，2θ角掃描范圍為10°～80°。紅外光譜測試在傅立葉變換紅外光譜儀(NEXUS-870，美國尼高力儀器公司，頻率范圍:400～4 000 cm-1)上進行測定。

磷酸肌酸二鈉鹽(阿拉丁試劑(上海)有限公司)、無水氯化鈣(分析純)、無水乙醇(分析純)、六亞甲基四胺(分析純)、磷酸二氫鈉(分析純)、新鮮蛋殼若干。為了獲得符合生成羥基磷灰石的Ca/P比，在設計實驗方案時，反應物的Ca/P化學計量比均約為1.67。除特別說明外，所有在樣品制備中使用的化學試劑均為分析級，使用前未做進一步的提純。實驗用水為去離子水。

1.2 實驗方法

1.2.1 以CaCO3為鈣源合成HA 小心剝離新鮮雞蛋殼的內外層膜，利用水洗滌數次后在60 ℃下烘干，再用研缽研磨后以200目化學篩收集蛋殼粉，備用。取25 mL 0.1 mol/L NaH2PO4溶液置于有聚四氟乙烯內膽的高壓反應釜內，向其中加入1.0 g蛋殼粉，攪拌后密封，在120 ℃條件下反應10 h后，擱置至室溫。離心收集，水洗3次后，再用無水乙醇洗滌，60 ℃下烘干，備用，產物用HA-1表示。作為參比，利用商用碳酸鈣粉末，在同樣條件下制備了相應的產物，用HA-2表示。

1.2.2 以CaCO3為鈣源、六亞甲基四胺為添加劑合成HA 在分別含有25 mL 0.1 mol/L NaH2PO4的標記A、B的100 mL燒杯中分別加入蛋殼粉、商用碳酸鈣粉末1.0 g，再分別加入3 mmol的固體六亞甲基四胺粉末，磁力攪拌30 min后，轉至裝有聚四氟乙烯內膽的高壓反應釜內，密封。反應條件和收集方法同“1.2.1”。在A和B燒杯得到的固體產物分別記為HA-3和HA-4。

1.2.3 以CaCl2為鈣源，不同來源磷合成HA 在標記C和D的100 mL燒杯中分別放入25 mL 0.1 mol/L CaCl2(含3 mmol的固體六亞甲基四胺粉末)。然后向C燒杯中加入1.5 mmol肌酸磷酸二鈉固體，向D燒杯中加入1.5 mmol NaH2PO4，分別磁力攪拌30 min后裝入有聚四氟乙烯內膽的高壓反應釜內，密封。反應條件和收集方法同“1.2.1”。在C和D燒杯得到的產物分別記為HA-5和HA-6。

2 結果與討論

2.1 雞蛋殼及商用碳酸鈣的表征與分析

通過掃描電子顯微鏡測試發現，蛋殼上富含孔洞(圖1A)。該孔洞具有非常重要的生物學作用，被稱為氣孔。氣孔一般外大內小，是胚胎發育時與外界氣體的交換通道；在鮮蛋存放過程中，蛋內水分通過氣孔蒸發造成失重；同時微生物也可以通過氣孔侵入蛋內，加速蛋的腐敗；加工再制蛋時，料液通過氣孔浸入[18]。由于蛋殼的主要無機成分是碳酸鈣，在生物體內通過生物礦化緩慢形成，與商用碳酸鈣相比，該碳酸鈣缺乏明顯的規則晶體形貌，而商用碳酸鈣則呈現的是穩定菱形方解石(圖1B)。使用蛋殼作為鈣源水熱合成碳羥基磷灰石，不僅利用了其含有的鈣元素，同時多孔結構也為水熱合成提供了有益的硬模板作用。

圖2 雞蛋殼(a)和商用碳酸鈣(b)的XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of eggshell(a) and commercial calcium carbonate(b)

家禽的卵殼結構具有一定的種屬特異性，且其結構特征在分類學上具有重要作用。雞蛋殼粉末的X射線圖譜如圖2a所示，在(012)，(104)，(110)，(113)，(202)，(018)和(116)衍射面有較強的衍射峰，說明蛋殼中的碳酸鈣屬方解石型晶體，與商用碳酸鈣的主要衍射峰一致(圖2b)。表明卵殼的礦物成分主要為方解石型碳酸鈣，晶體層中方解石(110)，(113)和(202)衍射面垂直外表面定向排列，這些研究結果對家禽卵殼的綜合利用具有重要意義，為進一步研究家禽的微觀結構提供了依據[19-20]。

2.2 不同條件下合成的HA的表征及分析

2.2.2 以蛋殼及商用CaCO3為鈣源,六亞甲基四胺為添加劑制備HA 為了考察堿性環境對生成物成分和晶型的影響，在上述制備過程中，采用適量的六亞甲基四胺為添加劑參與合成。根據化學性質可知，六亞甲基四胺在120 ℃附近可以完全反應分解釋放出NH3。由于反應體系屬于高壓密封體系，NH3不斷生成但不易外漏，NaH2PO4不斷電離，繼而使得體系溶液的pH值增大，更有利于HA的生成。從圖4的 SEM圖可以看出，由蛋殼為鈣源制備得到的產物花球狀和未添加六亞甲基四胺時差異甚微(圖4A，HA-3)；而由商用碳酸鈣為鈣源所制備的產物在有六亞甲基四胺時，呈現多薄片層聚集(圖4B，HA-4)，與圖3B相比差異很大。導致此種情形出現，可能與體系的pH值變化緩慢以及六亞甲基四胺參與反應有關。六亞甲基四胺受熱緩慢分解與NaH2PO4侵蝕碳酸鈣均停留在顆粒的表面，兩者既抗衡又制約。蛋殼的多孔不僅被NaH2PO4滲透，同時也被六亞甲基四胺滲入，所以上述抗衡與制約對最終產物形貌的影響不大；但商用碳酸鈣微粒內部無法滲透NaH2PO4和六亞甲基四胺，抗衡與制約僅停留在其表面，為HA晶核的生成和長大提供了位點和時間，所以形貌發生了不同的變化。雖然圖4C依舊顯示HA-3和HA-4產物中含有方解石型碳酸鈣，但圖4D顯示，HA-3和HA-4中HA的特征吸收峰強度變得更大，表明含量增大。

2.2.3 以CaCl2為鈣源,不同來源磷制備HA 在水熱條件下，因肌酸磷酸二鈉鹽分解在溶液中緩慢釋放出磷酸根，同時由于反應體系含有的六亞甲基四胺不斷分解促成體系顯堿性，磷酸根和Ca2+作用生成羥基磷灰石。這樣肌酸磷酸二鈉鹽可以用于生物相容性磷酸鹽源磷酸鈣或HA材料的合成。圖5A為以肌酸磷酸二鈉鹽為有機磷源，在120 ℃水熱溫度下反應10 h合成的HA掃描電鏡圖，從圖中可以發現此時的顆粒整體上呈多孔珊瑚狀，未出現片層，而是有諸多細小顆粒，可能是羥基磷灰石成核顆粒組成。而由CaCl2和NaH2PO4在堿性條件下直接沉淀生成的HA顆粒外形呈放射性花狀，而且構成片層大小不均勻(圖5B，HA-6)。通過XRD和FT-IR測試發現，HA-5和HA-6中不再出現碳酸鈣的特征衍射峰，所制備的HA樣品的XRD衍射峰位基本相同，其中2θ在30°和35°之間的有一較強衍射峰，分別對應HA的(211),(112)和(300)晶面，也是HA的主要特征峰(圖5C)。而且圖5D紅外譜圖中也未發現其他雜質峰，表明在該條件下制備的HA純度較高。

上述研究表明：3種方法均可以制得羥基磷灰石粉體，但所制得的產品無論結構，還是純度均有所差別。在以碳酸鈣為鈣源水熱法制備HA時，對于碳酸鈣在何種配料比時能完全轉換成HA，后期仍需摸索，但蛋殼的廢物利用值得進一步深入研究，同時蛋殼的特殊生物結構為其合理利用提供了便利。本文在以生物含磷分子肌酸鈉為磷源水熱合成高純度的HA粉體方面進行了有益的嘗試，為未來研究以羥基磷灰石為主體的骨替代品奠定了基礎。

3 結 論

本文以蛋殼為生物鈣源，磷酸二氫鈉溶液為反應溶劑，采用水熱合成工藝，可簡單便捷地制備合適的HA粉體。研究結果表明，蛋殼不僅充當鈣源，多孔結構還可合成HA的硬模板，合成的含碳羥基磷灰石可以用于藥物緩釋等方面。其中磷酸肌酸鈉水熱分解后可緩慢釋放磷酸根，在合成高純度生物功能的HA粉體中有著非常重要的應用前景。

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Synthesis and Characterization of Hydroxyapatite with Different Calcium Sources

YAO Cheng-li*,YAN Yan,HE Yan-jiao,LI Hong-ying

(School of Chemistry and Chemical Engineering,Hefei Normal University,Hefei 230601,China)

Synthesis methods of hydroxyapatite with different calcium sources under hydrothermal conditions were compared.From SEM,XRD and FT-IR results,it is concluded that the eggshell could be used as an effective source of Ca2+,and its porous structures could also be selected as a hard template in the formation of flower-like hydroxyapatite.Sodium dihydrogen phosphate was used as the sources ofto corrode the CaCO3to hydroxyapatite.The result indicated that the sodium phosphocreatine would have a wide application prospect in the synthesis of high purity hydroxyapatite by hydrothermal decomposition.

hydroxyapatite;eggshell;sodium phosphocreatine;hydrothermal reaction

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.04.018

2016-11-08;

2016-12-05

安徽省高校省級自然科學研究項目(KJ2015A287);安徽省高校優秀青年人才支持計劃重點項目(2013SQRL067ZD,gxyqZD2016229);國家級大學生創新創業訓練計劃項目基金(20151409801);合肥師范學院開放實驗項目(2015-2016);安徽省大學生創新創業訓練計劃項目基金(201614098031)

O657.3；P578.92

A

1004-4957(2017)04-0544-06

*通訊作者：姚成立,博士,高級實驗師,研究方向:生物無機化學和材料化學,Tel:0551-63674145，E-mail:yaochengli@hfnu.edu.cn