單相氟磷灰石微晶玻璃晶相特征和生物相容性研究

崔 健，姚樹玉，韓 野

(山東科技大學材料科學與工程學院，青島 266590)

1 引 言

氟磷灰石晶體結構類似于羥基磷灰石，具有接近骨骼和牙齒的結構和主要礦物質成分。而且，氟磷灰石晶體結構比羥基磷灰石更加緊密[1]。因此，氟磷灰石微晶玻璃成為許多學者研究的對象。Moisescu等[2]研究了SiO2-Al2O3-CaO-P2O5-Na2O-K2O-F系微晶玻璃，利用高升溫速率制備了具有棒狀形態氟磷灰石FAP晶體的微晶玻璃 。H?land等[3]研究了磷灰石-白榴石微晶玻璃，在700 ℃熱處理8 h，然后在1050 ℃熱處理2 h，獲得了針狀氟磷灰石。O' Flynn K P 等[4]研究了磷灰石-莫來石微晶玻璃中FAP的成核和早期結晶過程，通過基礎玻璃組成和熱處理制度的變化可控制氟磷灰石的結晶，增加網絡修飾體含量能夠導致氟磷灰石晶體尺寸減小。

最近，Chen等[5]研究了用高爐爐渣制備透輝石-氟磷灰石微晶玻璃的可行性，結果表明，基礎玻璃的結晶主要依賴于其初始原料組成。張彥輝、亢靜銳、趙英娜等[6-8]采用燒結法研究了Na2O-B2O3-SiO2-CaO-P2O5-F系生物微晶玻璃的制備，燒結終止溫度均在900 ℃以下，均獲得了以氟磷灰石為主晶相的微晶玻璃。張彥輝等[6]研究了燒結工藝的影響，但SEM照片顯示組織致密性有待于進一步提高。亢靜銳等[7]分析了微晶玻璃的收縮率、顯氣孔率、體積密度、顯微硬度等，顯微硬度最高值僅為Hv 530左右，硬度稍低。趙英娜等[8]研究了微晶玻璃的制備及生物相容性，但XRD結果表征沒有給出氟磷灰石的標準PDF圖譜，難以判斷其主晶相的唯一性。

目前雖然有一些關于熔融-淬火-燒結法制備氟磷灰石微晶玻璃的報道，但關于其析晶過程、生物相容性及性能的研究，依然需要大量細致完善的工作。因此本研究的目的是在較寬的溫度范圍內制備單相氟磷灰石微晶玻璃，在析晶過程、體外生物相容性和顯微硬度方面進行探討，為相關研究提供技術參考。

2 實 驗

2.1 樣品制備

采用分批混料的方法制備了基礎玻璃的原始配方(表1)，經充分均勻混合制成玻璃配合料。將混合粉料置于 SX3-12-16 型程控電阻爐進行熔制，升溫速率為10 ℃/min，熔化溫度1500 ℃，保溫1 h。將熔融后的玻璃熔漿迅速倒入去離子水中，冷淬，得到玻璃顆粒。對玻璃顆粒進行研磨，顆粒粒度在200 μm以下。最后，將這些樣品放入耐火模具中，在900～1150 ℃的不同溫度下進行熱處理。

表1 氟磷灰石微晶玻璃配方Table 1 Chemicals for preparing fluorapatite glass-ceramics /wt%

2.2 樣品表征

采用 D/Max2500PC 型X射線衍射儀分析基礎玻璃和不同溫度燒結后氟磷灰石微晶玻璃粉末的物相組成，銅靶，Kα射線；管電壓和管電流分別40 kV 和 100 mA，掃描速率8°/min，掃描范圍 5°～80°。采用FE-SEM(Nova Nano SEM 450)觀察顆粒的微觀結構，并利用EDS 能譜儀對樣品進行成分分析，加速電壓和真空控制分別為20 kV和全自動。在FE-SEM分析之前，在樣品表面噴上一層碳，以增加電子傳導。

2.3 體外生物相容性實驗

體外生物相容性研究在模擬體液(SBF)中進行，制備SBF溶液的方法與Kokubo等[9]報道的方法相似。將經過1100 ℃熱處理的微晶玻璃樣品粉碎成不同大小顆粒，然后將其浸泡在裝有50 mL SBF溶液的聚乙烯瓶中，溫度保持在37 ℃，浸泡時間為14 d，每天更換模擬體液一次。SBF的初始pH值保持在7.4，處于人血漿[10]正常pH值范圍內。浸泡后，在室溫下用去離子水在空氣中輕輕沖洗。利用FT-IR (Nicolet380)和SEM/EDS (FE-SEM，Nova Nano SEM 450)分析樣品的表面組成。

2.4 顯微硬度分析

將部分燒結處理后的微晶玻璃制成金相試樣，在FM-700/SVDM4R 型顯微硬度計上測量其硬度，載荷100 g，每個樣品分別測試5個硬度值，扣除最大值和最小值，其余3個硬度值取平均值。

3 結果與討論

3.1 物相分析

圖1為未燒結基礎玻璃和900 ℃，1000 ℃，1100 ℃，1150 ℃燒結樣品XRD圖譜。從圖中可以看出,水淬處理后的基礎玻璃的衍射峰，呈現典型的非晶特征。燒結處理后出現衍射峰，且各衍射峰與氟磷灰石標準圖譜(JCPDS73-1727)一一對應，可見，氟磷灰石晶體可以在較寬的溫度范圍內從堿性玻璃中析出。衍射峰尖銳而強烈，表明它們具有高度的晶體性質。未見雜質峰，證實晶體類型的單一性。

XRD衍射峰強度的結果如表2所示。從表中可以看出，最強的峰值在相應溫度下具有相同的米勒指數。對于每個晶面，強度值隨著溫度的升高先增大，達到各自最大值后減小。同時，在900～1150 ℃的溫度范圍內燒結的所有樣品，最強的衍射峰在(211)晶面。

表2 不同溫度燒結后部分晶面的衍射強度Table 2 XRD diffraction intensity of some crystalline planes at different temperatures

圖1 基礎玻璃以及不同溫度下燒結的微晶玻璃XRD圖譜 (a)衍射角度10°到80°；(b)衍射角度30°到36° Fig.1 XRD patterns of base glass and sintered microcrystalline glass at different temperatures (a)diffraction angle of 10° to 80°;(b)diffraction angle of 30° to 36°

3.2 微觀結構分析

圖2展示了不同溫度下FAP晶體的微觀結構演變，圖2a顯示了微晶玻璃在900 ℃燒結的微觀形貌。微觀結構致密，能清晰看到基礎玻璃的顆粒邊界輪廓。顆粒邊界中分布著大量直徑小于200 μm的晶體，這表明該溫度下的析晶起源于顆粒的表面。同時可以看到，微晶玻璃主要是由少量的晶體和大量的玻璃基體組成。

燒結法制備微晶玻璃的過程中包含燒結和結晶兩個基本過程，部分文獻通過熱分析方法探討了玻璃軟化溫度、析晶溫度和燒結終止溫度等相關工藝制度[11-12]。該燒結溫度下結構致密，表明燒結過程已經完成，同時又有晶體析出，因此本論文就不再進行熱分析數據方面的表征。磷灰石屬六角晶系，螺位錯生長方式生長可使FAP晶體呈現針狀形態[13]；另外，在此燒結過程中，燒結顆粒表面許多缺陷，如晶界的空位和鍵的位錯變形，為原子(離子)的快速擴散提供了通道。所以晶體在顆粒的表面或界面上成核，然后垂直于表面或界面生長，這種表面析晶機制又進一步強化了FAP晶體的針狀形態。

圖2 不同溫度下燒結的 FAP 微晶玻璃的SEM照片以及能譜分析 (a)900 ℃；(b)1000 ℃；(c)1100 ℃；(d)1150 ℃；(e)1100 ℃燒結EDS；(f)1150 ℃燒結EDS Fig.2 SEM images and EDS patterns of FAP crystals sintered at different temperature (a)900 ℃；(b)1000 ℃；(c)1100 ℃；(d)1150 ℃；(e)1100 ℃ EDS；(f)1150 ℃ EDS

圖2b顯示了當燒結溫度升高到1000 ℃時，晶體呈現多邊形塊狀和針狀兩種形態。大多數針狀晶體垂直于晶粒表面，在顆粒內部也觀察到類似的塊狀或針狀晶體。燒結溫度進一步升高到1150 ℃(圖2d)時，多邊形FAP的數量明細增多，平均粒徑約2.5 μm，而且針狀形態的粒徑比1100 ℃燒結樣品的粒徑要小得多，形態趨于短棒狀，但該溫度下SEM照片內顯示的晶體數量明顯少于1100 ℃(圖2c)。這與XRD衍射分析結果相互吻合。文獻[14]探討了氟磷灰石微晶玻璃的析晶機理，研究認為，氟磷灰石在生長初期不呈針狀，而是在生長后期形成針狀結構，晶體沿著c軸生長，與本文900 ℃和1000 ℃燒結樣品的晶相特征吻合。

燒結過程包括固相燒結和有液相參與的燒結。隨著燒結溫度的升高，針狀晶體逐漸減少，晶體長度變短(圖2d)，這可能是因為部分針狀FAP晶體已經或正在溶解于玻璃相中。同時，從1000 ℃到1150 ℃的升溫過程中，隨著玻璃熔融液相增多。樣品冷卻至室溫后，多邊形和短棒狀FAP數量的增多，表明這些晶體是在燒結保溫和冷卻過程中從液相中析出。文獻[2]在其研究的配方中，在高加熱速率下得到了棒狀氟磷灰石晶體，本文則通過改變燒結溫度得到了棒狀形態的氟磷灰石微晶玻璃。

為了進一步檢查樣品的結晶特性和內部微觀結構，將1100 ℃和1150 ℃燒結處理后的微晶玻璃用10vol%氫氟酸腐蝕2 min，加蒸餾水沖洗，再用超聲波清洗，然后用酒精清洗，最后自然干燥。將樣品噴碳，在FE-SEM (Nova Nano SEM 450)中進行微觀組織觀察。圖3a和b顯示大量的短棒狀晶體，因此可以推斷，圖2d觀察到的多邊形態，是短棒狀晶體的橫斷面；大量短棒狀晶體的出現，是由于析晶機制從表面析晶變為玻璃熔體凝固析晶。多邊形晶體的中空部分，或許是由于凝固終止時，晶體生長不完整造成的，有關這方面的信息有待進一步研究。

圖3 (a)1100 ℃和(b)1150 ℃熱處理氟磷灰石晶體的SEM照片 Fig.3 SEM images of fluorapatite crystals heat treated at 1100 ℃(a) and 1150 ℃(b)

3.3 生物相容性分析

體外生物相容性簡單地說就是材料在SBF中浸泡時形成磷灰石界面層的能力，該方法可用于動物試驗前骨生物相容性材料的篩選，可顯著減少動物數量和動物實驗時間，有助于高效開發新型生物活性材料[15]。當生物活性物質與人血漿保持接觸時，它們在玻璃表面形成反應性的羥基磷灰石(HAP)層，在植入物和宿主組織[16]之間形成化學結合。大部分科學界已經接受了在體外運用模擬體液(SBF)浸泡實驗驗證生物相容性的范例[17]。

因為1100 ℃燒結樣品的晶體形貌較好，所以選取1100 ℃燒結的樣品進行體外模擬體液浸泡實驗。在模擬體液SBF中浸泡14 d后，圖4顯示樣品表面的SEM照片和EDS結果，微晶玻璃表面出現衍生物(圖4a)[18]。此外，EDS分析(圖4b)顯示了主要元素Ca、P和O的存在，Ca/P比值為1.65，與羥基磷灰石中Ca/P接近(Ca/P=1.67)。圖5為在SBF中浸泡14 d的FAP的FT-IR光譜。在961 cm-1、1037 cm-1和1094 cm-1處觀察到的吸收帶(圖4)為磷酸鹽的伸縮振動，在566 cm-1、604 cm-1處的吸收帶為磷酸鹽彎曲振動。3568 cm-1(-OH伸縮振動)和635 cm-1(-OH彎曲振動)的頻帶可歸因于OH基團[19]，結合EDS結果(圖3b)，可以證明HAP的存在。文獻[20]也進行了生物相容性分析，但僅僅解釋了磷酸鈣的出現；本論文進行的紅外光譜中不僅出現了磷酸鈣，而且也出現了羥基，更科學地證明了表面羥基磷灰石的形成。

圖4 在模擬體液中浸泡后的SEM照片(a)以及EDS圖譜(b) Fig.4 SEM image(a) and EDS pattern(b) of FAP after SBF bioactivity test

3.4 顯微硬度分析

900 ℃、1000 ℃、1100 ℃、1150 ℃四個燒結處理后樣品的顯微硬度平均值分別為644、670、709、657 Hv0.1(圖6)，高于文獻[7]的硬度值。硬度值與微晶玻璃的結構有關，而基礎玻璃的結晶又主要依賴于其初始原料組成[5]。不同于文獻[7]的研究體系，本論文研究體系中還含有適量的MgO、BaO、ZnO、Al2O3等組分，是硬度升高的主要原因，其影響機制有待于進一步研究。

圖5 在SBF浸泡過的經過1100℃熱處理的FAP紅外吸收光譜 Fig.5 FT-IR absorption spectrum of FAP glass-ceramics at 1100 ℃ after immersion in SBF

圖6 900～1150 ℃燒結樣品的顯微硬度 Fig.6 Microhardness of the sample sintered 900-1150 ℃

4 結 論

采用熔融-淬火-燒結法制備了氟磷灰石微晶玻璃。燒結溫度從900 ℃增加到1150 ℃，沒有引起晶體類型的變化，均含有單一的FAP晶相；顯微組織結構致密，顯微硬度平均值為644～709 Hv0.1。在低的燒結溫度下，微晶玻璃結晶以表面析晶為主，晶體形態呈現針狀。隨著燒結溫度的升高，晶體析出機制轉變為玻璃熔體凝固析晶，FAP的顯微結構由針狀向短棒狀形態轉變，在FE-SEM中，部分晶體呈現多邊形的形態。

探究了1100 ℃燒結處理并在SBF中浸泡14 d后樣品的生物相容性，樣品的FT-IR光譜不僅包括磷酸鹽的條帶，還包括3568 cm-1(-OH伸縮振動)和635 cm-1(-OH彎曲振動)的OH基團條帶，證明了羥基磷灰石晶體的存在。因此，FAP微晶玻璃是一種很有前途的生物醫用材料。