廖曉明 尹光福 謝克難 朱宏揚(yáng)

(1.四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,成都,610041;2.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,成都,610041)

沉淀法制備硅酸鈣及其體外生物活性的研究

廖曉明1尹光福1謝克難2朱宏揚(yáng)1

(1.四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,成都,610041;2.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,成都,610041)

采用沉淀法制備的硅酸鈣粉體經(jīng)成型,在1200℃下常壓燒結(jié),制備出高純的硅酸鈣陶瓷,通過模擬體液浸泡對(duì)其體外生物活性進(jìn)行了研究。X射線衍射(XRD)和掃描電鏡(SEM)的結(jié)果表明:在1200℃下燒結(jié)制得的硅酸鈣陶瓷主晶相為β型硅酸鈣(β-CS);在模擬體液中浸泡14d后其表面可見類骨羥基磷灰石生成,28d后生成大量羥基磷灰石。因此,沉淀法合成的硅酸鈣具有良好的誘導(dǎo)類骨羥基磷灰石形成能力和體外生物活性。

硅酸鈣 沉淀法 模擬體液 生物活性

1 引言

硅酸鈣(CaSiO3)由于其獨(dú)特的物理和化學(xué)性能及礦物學(xué)特征,被廣泛應(yīng)用于塑料、聚合物、耐火材料、化工、機(jī)械、電子等領(lǐng)域[1,2]。

大量研究證明[3-10],含Ca、Si元素的玻璃陶瓷及生物玻璃具有良好的力學(xué)性能和生物活性,在人體硬組織的修復(fù)上具有廣闊的應(yīng)用前景。近幾年來,研究人員開始將視線投向硅灰石的生物活性、生物相容性及與其它材料復(fù)合的研究。研究表明硅酸鈣與磷酸鹽骨水泥混合,發(fā)現(xiàn)硅酸鈣對(duì)骨水泥的凝結(jié)有明顯促進(jìn)作用[8],將硅酸鈣噴涂至鈦合金表面形成涂層,該涂層也具有良好的生物活性[9,10]。為證實(shí)該類材料在骨修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用性能,本文主要通過模擬體液浸泡對(duì)沉淀法制備的硅酸鈣的體外生物活性進(jìn)行了研究。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 硅酸鈣粉體制備

將分析純的硝酸鈣和硅酸鈉為原材料,按照化學(xué)計(jì)量比(1:1)稱取硝酸鈣和硅酸鈉,用去離子水將二者分別溶解,調(diào)節(jié)濃度至0.5 mol/L。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的聚乙二醇作為分散劑加入硝酸鈣溶液,邊攪拌邊滴加硅酸鈉溶液。沉淀完全后,將所得沉淀物反復(fù)抽濾洗滌,再用無水乙醇洗滌三遍。80℃烘干,得到硅酸鈣粉體。

2.2 硅酸鈣陶瓷制備

稱取適量的硅酸鈣粉體,并添加少量的聚乙烯醇(5 w t%),混合均勻,在內(nèi)徑Φ10 mm的不銹鋼模具中20 M Pa下保壓2 min成型,在1200℃下燒結(jié),保溫 3h隨爐冷卻到室溫。用 X-ray diffraction (XRD,Philips X’Pert Pro,Netherlands)測取樣品的組成;Scanning electron microscopy(SEM,JSM-5900,Japan)觀察樣品表面形貌。

2.3 樣品的模擬體液(SBF)浸泡實(shí)驗(yàn)

模擬體液(SBF)參考 Kokubo[11]的方法進(jìn)行配制,其配方如表1,調(diào)節(jié)其p H值為7.4。

表1 模擬體液配方

將制備的陶瓷片每 4片一組,分別浸泡 7d、14d、21d、28d。浸泡結(jié)束后取出,用去離子水洗凈,室溫干燥,分別用于XRD、SEM測試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 XRD表征

圖1 1200℃下燒結(jié)沉淀法制備的硅酸鈣樣品XRD圖

3.2 模擬體液浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果表征

圖2為1200℃燒結(jié)硅酸鈣陶瓷樣品在浸泡前及在模擬體液中浸泡14 d、28 d的試樣SEM圖,可以看出,浸泡前樣品呈現(xiàn)明顯的陶瓷相,表面成瓷完整,但是由于制備的粉體粒徑較小,壓片燒結(jié)體積收縮較為嚴(yán)重,導(dǎo)致陶瓷片孔洞較多。在浸泡14天以后,樣品表面被一層沉積層所覆蓋,隨著浸泡時(shí)間的延長,至28天時(shí),可以發(fā)現(xiàn)此沉積層厚度及致密度明顯增加。

圖3為1200℃燒結(jié)硅酸鈣陶瓷在SBF中浸泡28 d的XRD圖,可以看出,在浸泡28 d后,在2θ為31.7°處出現(xiàn)明顯的羥基磷灰石(211)晶面特征衍射峰(JCPDS24-0033),且硅酸鈣的特征峰有所減弱,這可能是因?yàn)榻?jīng)過浸泡以后,羥基磷灰石在硅酸鈣表面大量生成而覆蓋了硅酸鈣陶瓷表面的緣故。由此可見,硅酸鈣能較好的誘導(dǎo)類骨羥基磷灰石的生成。

硅酸鈣在模擬體液中形成羥基磷灰石是由于:鈣離子首先從硅酸鈣中釋放出來,這樣就在材料表面形成富硅層,為羥基磷灰石成核提供了有效位置,因此,當(dāng)周圍體液中的羥基磷灰石超過了過飽和度時(shí),在材料表面很快形成很多羥基磷灰石晶核,晶核與體液中的鈣離子和磷酸根離子自發(fā)生長,體液中羥基磷灰石的過飽和度增加,最終析出沉積在樣品表面[12]。

4 結(jié)論

(1)通過沉淀法制備的硅酸鈣粉體經(jīng)成型,在1200℃下燒結(jié)所制備的硅酸鈣其主晶相為β-硅酸鈣。

(2)模擬體液浸泡14 d后,硅酸鈣陶瓷表面有羥基磷灰石生成,28 d后試樣表面的羥基磷灰石層更加致密和均勻;表明硅酸鈣能較好的誘導(dǎo)類骨羥基磷灰石的生成,具有良好的體外生物活性。

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Abstract:The high-purity calcium silicate ceramics were sintered at 1200℃under the atmospheric p ressure w ith the calcium silicate pow der synthesized by the p recipitation method.The in-vitro bioactivity of the p repared samp les w as evaluated by investigating their bone-like apatite-fo rmation ability in sim ulated body fluid(SBF).The calcium silicate ceramicswere characterized by X-ray diffraction(XRD)and scanning electron microscopy(SEM).The results show that the p repared samp le ismainly constituted by theβ-calcium silicate(β-CS).The bone-like hydroxyapatite(HAp)is fo rmed on the surface of the calcium silicate ceramics after 14-day soaking in SBF,and mo re bone-like HAp fo rmed after 28-day soaking,w hich indicate good in-vitro bioactivity.

Key words:calcium silicate;p recipitation method;SBF;bioactivity

In Vitro Bioactivity of Calcium Silicate Prepared by a Precipitation Method

L iao X iaom ing1,Yin Guangfu1,Xie Kenan2,Zhu Hongyang1
(1.College of M aterials Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610041; 2.School of Chem ical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610041)