摘 要 采用正交設(shè)計(jì)，獲得了化學(xué)共沉淀法制備β-磷酸三鈣的最佳工藝條件。將產(chǎn)物分子中鈣磷原子的摩爾比，即n(Ca)/n(P)作為控制指標(biāo)，對(duì)影響該指標(biāo)的四個(gè)要素（反應(yīng)物鈣磷源配比、pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間）在四個(gè)水平上進(jìn)行考察，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了直觀分析。結(jié)果表明，化學(xué)共沉淀法制備β-磷酸三鈣的最佳工藝條件為：反應(yīng)物鈣磷源配比為1.50、pH值為11、反應(yīng)溫度為25℃、反應(yīng)時(shí)間為3h。其中反應(yīng)物鈣磷源配比、pH值是影響產(chǎn)物n(Ca)/n(P)的顯著因子。在最佳工藝條件下制得了高純度的β-磷酸三鈣，并經(jīng)化學(xué)分析及XRD測(cè)定進(jìn)行了確證。

關(guān)鍵詞 β-磷酸三鈣，共沉淀法，正交設(shè)計(jì)，化學(xué)分析

1引言

磷酸三鈣基生物陶瓷，因其在生理環(huán)境中可被逐步降解和吸收，并為新生組織所替代，在當(dāng)今生物組織工程支架材料領(lǐng)域一直倍受關(guān)注。這類(lèi)生物陶瓷包括磷酸三鈣(α-TCP及β-TCP)、羥基磷灰石(HA)、磷酸四鈣(C₄P)及它們的混合物[1～2]。其中生物降解性能顯著的是β-TCP。β-TCP（β-tricalcium phosphate）分子式為β-Ca₃(PO₄)₂，組成與生物骨中的無(wú)機(jī)成分相似，不僅具有良好的生物相容性、生物活性、骨傳導(dǎo)甚至骨誘導(dǎo)作用，而且植入機(jī)體后對(duì)人體無(wú)毒、無(wú)局部刺激性、不致溶血或凝血，也不致突變或癌變，因此β-TCP生物陶瓷在骨組織工程領(lǐng)域日益受到重視[3～4]。

1970年以來(lái)，對(duì)β-TCP生物降解陶瓷研究的熱點(diǎn)主要集中在其制備過(guò)程中材料純度、粒度和結(jié)晶的控制等，目的是使其降解速度與骨的再生速度相匹配[5]。β-TCP生物陶瓷的制備包括微粉合成、成形和燒結(jié)，其中高純度β-TCP的合成是保證生物陶瓷質(zhì)量的關(guān)鍵。目前，β-TCP的合成方法主要有濕法、干法、水熱法以及醇化合物法[6]。其中濕法是通過(guò)溶液反應(yīng)合成，制得細(xì)小晶?；驘o(wú)定形微粉， 是合成β-TCP較為理想的工藝?；瘜W(xué)共沉淀法[7]是濕法的一種，具有如下優(yōu)點(diǎn)：裝置簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、原料易得、產(chǎn)物質(zhì)量易于控制等。利用該法合成β-TCP雖已有報(bào)道，但缺乏基于正交設(shè)計(jì)對(duì)合成條件的系統(tǒng)優(yōu)化研究。本研究通過(guò)正交設(shè)計(jì)尋求化學(xué)共沉淀法制備β-TCP的最佳工藝條件，評(píng)價(jià)反應(yīng)物鈣磷源配比、pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)產(chǎn)物n(Ca)/n(P)的影響。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1主要試劑

制備原料：Ca(NO₃)₂·4H₂O、(NH₄)2HPO₄以及輔助試劑EDTA、氨水、喹啉和鉬酸等，均為分析純市售產(chǎn)品，使用前未作進(jìn)一步純化。

2.2 分析檢測(cè)

（1） 元素分析：產(chǎn)物中鈣元素含量用改進(jìn)的EDTA容量法[8～9]測(cè)定， 磷元素含量測(cè)定采用磷鉬酸喹啉重量法[10]。

（2） 物相分析：X-射線粉末衍射（XRD）分析測(cè)定。

2.3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

初步實(shí)驗(yàn)證實(shí)，采用化學(xué)共沉淀法合成β-TCP時(shí)，反應(yīng)物配比、溶液pH值等因素能夠顯著影響產(chǎn)物的化學(xué)組成和物相。因此通過(guò)對(duì)比分析各種合成影響要素，將產(chǎn)物鈣磷元素物質(zhì)的量比，即n(Ca)/n(P)作為控制指標(biāo)，采用正交設(shè)計(jì)原理，對(duì)反應(yīng)物配比、pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等因素在四個(gè)水平上進(jìn)行考察，選擇四因素四水平 （L₁₆（4⁵））正交表安排實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析。

2.4 β-TCP的合成

配制一定濃度的Ca(NO₃)₂和(NH₄)₂HPO₄水溶液，用恒溫水浴控制反應(yīng)體系的溫度，磁力勻速攪拌。按照一定摩爾比的Ca(NO₃)₂·₄H₂O與(NH₄)₂HPO₄，將(NH4)2HPO4溶液緩慢逐滴滴加到Ca(NO₃)₂溶液中，反應(yīng)過(guò)程中用氨水調(diào)節(jié)溶液pH值為9～12。在一定溫度下反應(yīng)一段時(shí)間后，陳化、抽濾洗滌至中性，于90℃烘干24h，然后在900℃下焙燒2h，所得樣品置于干燥器中備用。

3結(jié)果與討論

3.1 化學(xué)分析法測(cè)產(chǎn)物鈣、磷元素含量

3.1.1 改進(jìn)的EDTA容量法測(cè)鈣

由于溶液中含有大量的PO₄^3-，使常規(guī)的EDTA法滴定Ca²⁺離子受到嚴(yán)重干擾。我們對(duì)此做了詳細(xì)的前期研究[11]，通過(guò)加入復(fù)合鈣指示劑等手段，成功消除了PO₄^3-的影響，確保了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

稱取上述合成的各組樣品0.2g，精確至0.0002g，用1:1的鹽酸溶解后定容于100mL容量瓶中。移取10.00mL溶液，置于250mL錐形瓶中，加水稀釋至50mL，加3.6 mol·L^-1的KOH溶液5mL，使溶液的pH值大于12，再加15mg復(fù)合鈣指示劑，用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，溶液由酒紅色突變?yōu)榧兯{(lán)色，即為終點(diǎn)。為提高顯色靈敏度，加入少量0.5%MgSO₄溶液輔助顯色。

3.1.2磷鉬酸喹啉容量法測(cè)磷

將各組樣品用1:1的鹽酸、濃硝酸混合液加熱溶解，加入適量檸檬酸－鉬酸鈉溶液，加熱至沸騰，然后邊攪拌邊趁熱滴加5%的喹啉溶液，繼續(xù)加熱至沸騰。沉淀后經(jīng)冷卻、過(guò)濾，以冷去離子水洗滌至無(wú)酸性，置于燒杯中，加入NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液至沉淀溶解，再加入適量混合指示劑，用HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至藍(lán)色褪去，并過(guò)量少許，再用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液回滴至黃色變?yōu)樗{(lán)紫色，即為終點(diǎn)。

3.1.3計(jì)算產(chǎn)物n(Ca)/n(P)

根據(jù)上述化學(xué)法測(cè)定結(jié)果，計(jì)算出各組產(chǎn)物的n(Ca)/n(P)，結(jié)果如下表所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀分析

采用直觀分析即極差分析法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析[12]，表中K表示各因素下產(chǎn)物n(Ca)/n(P)對(duì)水平數(shù)的均值，R表示極差即各因素均值的最大值與最小值之差。

3.2.1因素的主次關(guān)系

極差R越大，則該因素對(duì)控制指標(biāo)的影響越顯著。由下表可知，第2列的極差為0.49，是所有極差中最大的一個(gè)，表明pH值為影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要因素；同理，反應(yīng)物鈣磷源配比為次主要因素，反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間為次要因素。因此，因素的主次關(guān)系，即它們的影響能力順序?yàn)椋簆H值＞反應(yīng)物鈣磷源配比＞反應(yīng)溫度＞反應(yīng)時(shí)間。

3.2.2最佳方案組合

根據(jù)K值的大小來(lái)確定各因素的最佳水平，確定的原則要根據(jù)對(duì)指標(biāo)值的要求而定。本實(shí)驗(yàn)的控制指標(biāo)為產(chǎn)物n(Ca)/n(P)，要求其與純?chǔ)?TCP的理論值（n(Ca)/ n(P)=1.50）越接近越好。因此最佳工藝條件為反應(yīng)物鈣磷源配比為1.50，pH值為11，反應(yīng)溫度為25℃，反應(yīng)時(shí)間為3h。在此最佳工藝條件下本研究做了進(jìn)一步的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，經(jīng)并行三次實(shí)驗(yàn)所得產(chǎn)物的化學(xué)分析得知，該條件下產(chǎn)物的n(Ca)/n(P)與純?chǔ)?TCP的比值極為接近。

3.2.3討 論

分析發(fā)現(xiàn)：（1）隨著溶液pH值增高， 產(chǎn)物的n(Ca)/ n(P)值增大，且影響非常顯著。有研究表明[13]，酸性條件下，產(chǎn)物是以鈣磷摩爾比相對(duì)較低的CaHPO₄為主的化合物存在；在堿性條件下，產(chǎn)物則以鈣磷摩爾比較高的 Ca₃(PO₄)₂、Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂等物質(zhì)為主。因此本實(shí)驗(yàn)中pH值控制在11為宜；（2）反應(yīng)物鈣磷源配比也是一個(gè)顯著影響因子，Ca(NO₃)₂·4H₂O和(NH₄)₂HPO₄的摩爾比過(guò)高會(huì)生成羥基磷灰石Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂等雜相。二者的物質(zhì)的量比保持在1.50時(shí)，結(jié)果比較理想；（3）反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)溫度均不是顯著影響因子，對(duì)產(chǎn)物影響不大。綜合考慮，以反應(yīng)溫度為25℃，反應(yīng)時(shí)間3h為宜。

3.3 X-射線衍射（XRD）分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證最佳合成工藝條件下制得的樣品的物相和組成，對(duì)該組產(chǎn)品進(jìn)行了X-射線衍射(XRD)分析。將所得圖譜與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照，發(fā)現(xiàn)二者非常吻合，且圖譜中基本無(wú)雜相峰存在，衍射峰強(qiáng)而尖銳，表明反應(yīng)在該條件下進(jìn)行得比較徹底，產(chǎn)物為純度較高、晶態(tài)較好的β-TCP，如下圖所示。

4結(jié) 論

本文以價(jià)廉易得的Ca(NO₃)₂#8226;4H₂O和(NH₄)₂HPO₄為原料，利用濕法工藝制得了組成和晶相皆優(yōu)的高純?chǔ)?TCP。同時(shí)，基于正交設(shè)計(jì)法對(duì)影響產(chǎn)物品質(zhì)的各種因素進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：控制反應(yīng)物鈣磷源配比為1.50、pH值為11、反應(yīng)溫度為25℃、反應(yīng)時(shí)間為3h時(shí)，利用化學(xué)共沉淀法可制備出純度較高、晶態(tài)較好的β-TCP，并經(jīng)化學(xué)分析及XRD測(cè)定得到了確證。

參考文獻(xiàn)

1 王志鋒，張 軍，盧偉偉等.Ca-P-Si系微晶玻璃的制備及生物活性分析[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，27(4):98～100

2 吳建鋒，徐曉虹.多孔磷酸三鈣生物陶瓷的研制[J].陶瓷學(xué)報(bào)，1999，20(2):104～105

3 劉朝紅，董寅生，林萍華等.β-磷酸鈣多孔生物陶瓷支架的制備及生物相容性[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，34(5):665～668

4 李世普.生物醫(yī)用材料導(dǎo)論[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1999

5 Blokhuis T J，Termat M F，den Boer FC，et al.Properties of calcium phosphate ceramics in relation to their in vivo behavior[J].J Trauma，2000，48(1):179～186

6 王玥華，張 云，尹光福等.用磷酸八鈣前驅(qū)體法制備β-磷酸三鈣[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2004，17(4):266

7 徐光亮，賴振宇，宋奕民等. 鈣磷系統(tǒng)生物陶瓷粉末的制備[J]. 全國(guó)性建材科技期刊-陶瓷，2001，152(4):33～34

8 楊潤(rùn)泉，楊學(xué)芬，曾 波.EDTA容量法測(cè)定飼料級(jí)磷酸三鈣中的鈣含量[J].云南化工，2001，31(1):31

9 秦克剛，李淑珍.磷灰石中鈣含量測(cè)定方法的探討[J].山東建材，2001，22(1):28～29

10 郭 萍.快速測(cè)定飼料級(jí)磷酸氫鈣和磷酸二氫鈣中鈣及總磷含量的方法初探[J].當(dāng)代畜牧，2005，2:29～30

11 王志鋒，宋邦才，張 軍.化學(xué)分析法精確測(cè)定羥基磷灰石 (HA)中的Ca和P含量[J].硅酸鹽通報(bào)，2007，26（1）:186～189

12 李云雁，胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005，79～96

13 王德平，王 璐.pH值對(duì)化學(xué)沉淀法制備納米羥基磷灰石的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，33(1):97