天然表面活性劑輔助制備羥基磷灰石材料研究*

谷婉婷，董雨萱，劉 彤，韓 冰，詹舒輝，蔣建新，韓春蕊，2，宋 杰

(1. 北京林業(yè)大學 材料科學與技術(shù)學院，林業(yè)生物質(zhì)材料與能源教育部工程研究中心，北京 100083；2. 江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點實驗室， 南京 210042；3. 美國密西根大學(弗林特) 生物與化學系，美國 密西根州48502)

0 引 言

羥基磷灰石(HAP)是脊椎動物骨質(zhì)的主要成分，具有良好的生物相容性并與骨組織形成牢固的骨性結(jié)合等特點，被認為性能良好的骨修復替代材料[1]。HAP由于其穩(wěn)定性和較好的生物相容性，成為了藥物遞送材料的研究熱點[2]。目前合成HAP材料的方法有水熱法[3]、沉淀法[4]、溶液凝膠法[5]，模板法[6]等。其中模板法制備HAP在結(jié)晶性能、粒徑尺寸、比表面積等的控制表現(xiàn)出突出的優(yōu)越性。Wan等[7]用十二烷基硫酸鈉(SDS)陰離子表面活性劑作為模板，層狀雙金屬氫氧化物(LDH)作為新型基因載體，合成了層狀羥基磷灰石納米板，將其用作DNA的裝載材料。Wu等[8]以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的膠束作為晶體生長的成核中心，利用低溫共沉淀法，洗滌除去表面活性劑模板，成功合成了介孔羥基磷灰石納米粒子。以上所用模板均為具有一定柔性結(jié)構(gòu)的石油基表面活性劑，為開發(fā)更環(huán)保天然和生物相容性好的表面活性劑用于HAP制備，本課題組采用自制生物質(zhì)松香基磷酸酯陰離子剛性表面活性劑，得到多層組裝結(jié)構(gòu)的形貌均勻的羥基磷灰石材料，研究發(fā)現(xiàn)松香陰離子表面活性劑在材料制備中起到模板和離子吸附作用，影響材料形貌[9-10]。但松香磷酸酯合成過程復雜，副產(chǎn)物多，產(chǎn)物純化具有一定困難，對HAP合成具有一定影響。前期研究發(fā)現(xiàn)，天然萜類表面活性劑無患子皂苷可作為模板，用于合成無機材料。詹等[11]將無患子皂苷與十二烷基苯磺酸鈉復配，并將其作為模板制備得到形貌均勻的氫氧化鎳材料。無患子皂苷不僅具有松香的萜類剛性結(jié)構(gòu)，且提取方便，克服了松香衍生物合成困難的問題。本文采用無患子皂苷輔助制備HAP材料，以期獲得天然表面活性劑制備HAP的優(yōu)良方法，同時結(jié)合量子化學，深入探討表面活性劑法制備無機材料的機理。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

四水合硝酸鈣；磷酸二氫銨；乙醇；(除無患子皂素外其余均為分析純)。GS-L型反應釜(威海嘉毅化工機械有限公司)；Hitachi S4800N II掃描電子顯微鏡； X射線衍射儀(德國布魯克)。

1.2 實驗方法

1.2.1 無患子皂苷的提取

無患子皂苷的提取方法參照文獻[12]。

1.2.2 HAP材料的合成

根據(jù)前期實驗探索，在180 ℃條件下制備HAP雜化材料形貌相對較好，且無患子皂苷的臨界膠束濃度(CMC)為0.2 g/L[11]。因此本研究直接在180 ℃時探討酸堿條件下不同濃度的影響。配制0.087 mol/L的四水合硝酸鈣溶液、0.052 mol/L的磷酸二氫銨溶液、無患子皂苷的乙醇溶液0.5 g/L(2.5CMC)、1.0 g/L(5CMC)、2.0 g/L(10CMC)調(diào)節(jié)材料形貌，用氫氧化鈉調(diào)節(jié)體系pH。實驗方案如表1所示。

表1 實驗方案

1.2.3 HAP材料的表征

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM， JSM-7001F，日本)觀察合成樣品的微觀結(jié)構(gòu)和形貌。

X射線衍射儀(XRD)用于樣品的晶相分析。在XRD進行分析(Bruker D8 ADVANCE，德國)的衍射光譜記錄從15到70°；采用CuKa(波長0.154056 nm，40 mA，40 kV)速率為0.05°/s。

1.2.4 量子化學計算

利用Gaussian，在HF/6-31G(d)水平下，進行無患子皂苷量子化學計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM表征

2.1.1 酸性條件下無患子皂苷輔助制備HAP

樣品1～8所得HAP材料的掃描電鏡照片分別如圖1中a～h。其中，酸性條件下，以無患子皂苷輔助制備得到的HAP材料掃描電鏡圖分別對應圖1(c)、e、g。從圖1 c中可以看出，在酸性條件下，加入少量無患子皂苷所制備的材料與不加時(圖1a)相比平均長度變短。從局部放大圖中可以看出，樣品為長度、寬度不均勻的六棱柱狀；當無患子皂苷濃度進一步增大到1g/L時，如圖1 e所示，材料的大小逐漸變均勻，并有形成組裝結(jié)構(gòu)的趨勢，棒狀材料的長度在30-40 μm，寬度在1μm左右；當體系中無患子皂苷濃度增加到2 g/L時，如圖1 g所示，材料有一部分形成了由棒狀單體組裝成的蒲公英狀聚集體，蒲公英的直徑在10 μm左右，組裝體棒的長度在5 μm左右。從圖1 c、e、g中材料的變化趨勢可以看出，隨著無患子皂苷濃度的增加，材料形貌呈均一化，聚集化的趨勢改變。說明無患子皂苷能限制晶體在某個方向上的生長，從而使得材料形貌變得均一化。樣品3、5和7所用皂苷濃度分別為2.5CMC、5CMC、10CMC，皂苷在體系中聚集形成有序的膠束微結(jié)構(gòu)，使反應在一定的空間內(nèi)進行[13]，進而起到模板的作用，濃度越高，組裝形貌越明顯[14]。另外，與課題組以松香磷酸酯合成的HAP材料相比[9]，所得蒲公英形貌規(guī)則性稍差，主要是由于松香磷酸酯制備HAP，其即作為表面活性劑，又作為磷源，松香磷酸酯水解過程原位生成HAP，HAP形成速度慢，材料可控性強[15]。

2.1.2 堿性條件下無患子皂苷輔助制備HAP

圖1 羥基磷灰石材料掃描電鏡圖Fig 1 SEM images of HAP

2.2 XRD表征

圖2為所得HAP材料XRD衍射譜圖，其中a～d分別為樣品1、2、7和8的XRD衍射譜圖。試樣在25 °、 29 °、32 °、33 °、34 °、39 °、46 °、47 °、49 °和53 °處出現(xiàn)特征峰，與標準卡JCPDS Card No. 73-0293 和標準卡JCPDS Card No. 09-432(002)、(210)、(211)、(112)、(300)、(202)、(212)、(401)、(213)和(004)面對應，可以確定所得試樣屬于六角棒狀結(jié)構(gòu)[17]。對比a和b 衍射峰發(fā)現(xiàn)，酸性條件下(002)、(112)和(202)面的衍射明顯不如堿性條件，即酸性條件下，此3個晶體面生長較弱，說明酸性條件為長棒狀結(jié)構(gòu)，而堿性條件趨于形成顆粒，與SEM電鏡結(jié)果相符。對比圖2 c和d也有類似的規(guī)律，不同的是，c的(002)面衍射峰明顯增強，可能是在此條件下以無患子皂苷為模板形成的簇狀形貌影響了晶面的變化。樣品7在小于10°出現(xiàn)的明顯峰，可能是HAP在生成過程中，由于靜電、吸附等作用引入了表面活性劑無患子皂苷有機結(jié)構(gòu)[9]。

圖2 羥基磷灰石材料XRD圖(a、b、c和d分別為樣品1、2、7和8)Fig 2 XRD of HAP (a, b, c and d were samples of 1, 2, 7 and 8)

2.3 無患子皂苷量子化學分析

為考察無患子皂苷在HAP合成過程中的作用，對無患子皂苷化學結(jié)構(gòu)進行量子化學運算和分析。圖3Ⅰ為無患子皂苷化學結(jié)構(gòu)式，無患子皂苷不僅含有多個六元環(huán)剛性骨架親油結(jié)構(gòu)，還含有羥基、糖苷等親水基團。由于取代基羥基和多糖骨架上取代甲基上氫位置不同，化合物存在如圖3Ⅱa-e所示空間構(gòu)型異構(gòu)體。圖中紅色、灰色和白色分別代表O、C和H原子。進行量子化學計算結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其中圖3Ⅱa結(jié)構(gòu)對應化合物能量最高，為-1 571 707.720 kcal/mol，是由于多糖基與4號位的羥基距離較近，存在較大的空間位阻；而Ⅱb、Ⅱc、Ⅱd結(jié)構(gòu)中，通過多糖基和羥基取代位置的變化，逐漸消除了空間位阻的影響，因此能量逐漸減小；其中Ⅱe的能量最小，為-1 571 718.607 kcal/mol，表明圖3Ⅱe對應結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，為無患子皂苷分子最優(yōu)存在結(jié)構(gòu)。

圖3 無患子皂苷(Ⅰ)結(jié)構(gòu)式；(Ⅱa-e)不同分子構(gòu)型Fig 3 The molecular configuration of sapogenin compounds: (Ⅰ) structural formula; (Ⅱa-e) spatial configuration

在HAP材料形成過程中，皂苷的影響主要表現(xiàn)為模板和吸附作用，為探究無患子皂苷在合成HAP過程中的靜電吸附機理，選取圖3Ⅱe對應無患子最優(yōu)構(gòu)型進行靜電勢能運算，得到無患子皂苷靜電勢圖如圖4所示。圖中外環(huán)境顏色越深代表電荷越集中，從圖中可以看出，皂苷分子的負電荷主要分布在兩部分，一部分為左側(cè)多糖中羥基，另一部分為右側(cè)酯鍵位置，相比，右側(cè)具有更多負電中心聚集，其對HAP合成過程中鈣離子具有較大吸附作用。

圖4 無患子皂苷的靜電勢圖Fig 4 Electrostatic potential diagrams of sapogenin

2.4 形成機理分析

圖5 羥基磷灰石材料形成機理Fig 5 The formation mechanism of HAP

3 結(jié) 論

(1)以Ca(NO3)2為鈣源，以NH4H2PO4為磷源，無患子皂苷作為輔助劑，制備得到蒲公英和納米顆粒HAP材料。通過對無患子皂苷結(jié)構(gòu)進行量子化學優(yōu)化和靜電勢能研究分析，依靠多糖親水端的負電中心電荷作用，可將Ca2+吸附在膠束聚集體表面，從而控制了復合材料的形貌。

(2)加入無患子皂苷后，在酸性條件下，皂苷可作為模板使棒狀結(jié)構(gòu)變短，濃度達到一定程度，部分六角棒狀結(jié)構(gòu)組合形成蒲公英狀，表明材料中可能含有無患子皂苷有機結(jié)構(gòu)。堿性條件下形成的HAP樣品為顆粒狀，無患子皂苷表面活性劑起到修飾作用，使顆粒均勻。

無患子皂苷在HAP的引入，可大幅提高材料載藥等性能。無患子皂苷輔助制備HAP材料，具有原料制備更簡單，提純純度高優(yōu)點，所得材料分散性好，是一種簡便優(yōu)良制備HAP的方法，所得到的HAP材料在載藥等性能可能具有優(yōu)異潛在應用價值。