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        羥基磷灰石濕法制備技術(shù)及應(yīng)用研究進展

        2012-03-20 08:09:39曹娜娜張萬東王永蘭
        無機鹽工業(yè) 2012年12期

        曹娜娜,張萬東,王永蘭

        (1.天津大學理學院化學系,天津 300072;2.天津醫(yī)科大學)

        羥基磷灰石簡稱HAP,結(jié)晶化學式為Ca10(PO4)6(OH)2,晶體為六方晶系,結(jié)構(gòu)為六角柱體。HAP是脊椎動物骨和牙齒的主要成分,而人工合成的納米HAP無機化學組分和晶體結(jié)構(gòu)與天然HAP極為相似,是一種典型的生物活性材料,具有獨特的生物活性和生物相容性,是生物材料研究的熱點,被廣泛應(yīng)用于骨組織的修復(fù)與替代材料以及藥物緩釋等的醫(yī)用領(lǐng)域。HAP獨特的化學組成和晶體結(jié)構(gòu),使其具有優(yōu)異的理化性能,它的離子交換性能使其在工業(yè)廢水治理、廢氣治理等方面也得到廣泛應(yīng)用。HAP是一種微溶于水的弱堿性磷酸的鈣鹽,采用不同的合成工藝可以實現(xiàn)對其結(jié)構(gòu)、尺寸和形貌的可控制備。筆者綜述了HAP的濕法制備技術(shù)和其在環(huán)境治理、生物醫(yī)學等領(lǐng)域的應(yīng)用研究進展。

        1 HAP的濕法制備技術(shù)

        1.1 水熱合成法

        水熱合成法是在水熱反應(yīng)釜中以水為反應(yīng)介質(zhì),使難溶或不溶的物質(zhì)溶解并重結(jié)晶的一種方法。該法可獲得純度高、有序度高、結(jié)晶度高的HAP多晶粉末,一般生成正常配比的HAP(Ca與P物質(zhì)的量比為1.67),且不需要高溫焙燒晶化,避免了團聚現(xiàn)象的發(fā)生 。 Q.F.Zhao 等[1]以 Ca(NO3)2·4H2O 和(NH3)2HPO4作為鈣源和磷源,以 F127(EO106PO70EO106)和CTAB(十六烷基三甲基溴化銨)為共模板劑,在80℃下水熱合成24 h,制得直徑約30 nm、長度為100~300 nm、排列規(guī)整的介孔 HAP。 X.F.Xiao 等[2]用聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)為模板水熱法合成HAP,證明PSS的用量和水熱溫度均能對產(chǎn)物的形貌產(chǎn)生很大的影響。在反應(yīng)體系中,PO43-和OH-從不同的方向吸附在立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的PSS上,與Ca2+結(jié)合形成HAP的晶核,使粒子沿各個方向均勻生長,阻止其沿某一特殊晶面的進一步生長,從而形成球狀產(chǎn)物。M.Salarian等[3]在 120℃的水熱條件下,以 CTAB 為模板劑,聚乙二醇作為助模板劑,合成了長徑比在20左右、直徑在80~150 nm的單分散的蒲公英狀HAP。而A.Lak等[4]在使用水熱合成法制備HAP的過程中,未添加任何模板劑,只加入乙二胺四乙酸(EDTA)作為絡(luò)合劑,使HAP晶粒自組裝成直徑在200 nm左右的具有蒲公英三維立體結(jié)構(gòu)的納米顆粒。Y.Z.Zhao等[5]水熱合成精氨酸修飾和銪摻雜的納米HAP,結(jié)果表明HAP-Eu呈短柱狀,長約100nm。

        1.2 液相沉淀法

        沉淀法是制備HAP最常見的方法。在溶液狀態(tài)下將磷源[如(NH3)2HPO4、H3PO4、K2HPO4、Na2HPO4、P2O5、(CH3O)3PO 等]物質(zhì)加入到鈣源[如 Ca(NO3)2、Ca(OH)2、CaCl2、CaO、Ca(OC2H5)2等]物質(zhì)中,生成不溶性沉淀,經(jīng)過濾、洗滌、焙燒得到不同形狀的HAP粉體。因其制備工藝簡單、產(chǎn)物顆粒小、成本低等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。但其粒子純度低,粒徑均勻性差,容易發(fā)生團聚。 樊國棟等[6]以 Ca(NO3)2·4H2O 和(NH3)2HPO4為原料,以三乙醇胺為分散劑,在反應(yīng)體系溫度為 70℃、(NH3)2HPO4滴加速度為 3.33mL/min、焙燒溫度為800℃時,得到粒徑為8~15 nm的高純度HAP納米材料,用正丁醇處理后團聚現(xiàn)象得到明顯改善。其采用正丁醇與濕凝膠混合,利用丁氧基置換膠體表面的—OH,然后進行共沸蒸餾,使膠體中多余水分以共沸物形式蒸餾出來,形成一個穩(wěn)定的HAP-正丁醇體系,從而防止在焙燒過程中形成硬團聚。高波等[7]以固廢磷化渣和NaOH為原料制得Na3PO4,在超聲波輔助下將Na3PO4溶液滴加到Ca(OH)2溶液中,在Na3PO4滴加速度為0.3 mL/min時,采用乙醇洗滌沉淀物,可獲得質(zhì)量分數(shù)達99.5%、粒徑約50 nm的高結(jié)晶度和高分散性的納米HAP。研究表明,用無水乙醇洗滌得到的粉體松散,分散均勻,煅燒后顆粒較細。用無水乙醇洗滌,顆粒表面的大部分—OH基團被無極性的—OC2H5基團取代,可以脫除部分吸附水并取而代之,阻止由于羥基架橋作用產(chǎn)生的團聚。D.W.Kim等[8]將Ca(OH)2懸浮液和H3PO4溶液在25℃條件下直接混合反應(yīng)得到HAP顆粒。其首先生成中間體CaHPO4·2H2O,在中間體上異相成核轉(zhuǎn)換成HAP顆粒,完全轉(zhuǎn)換需要5 h。該方法不會在體系中引入雜離子。H.Ito等[9]通過改變磷酸氫鈣水解條件得到不同形狀的HAP。研究發(fā)現(xiàn),當pH為9~10時制得較長纖維狀的HAP,而當pH為11~13時制得針狀束取向排列的HAP,表明pH對HAP最終形貌有較大影響。

        1.3 溶膠-凝膠法

        溶膠-凝膠法是20世紀60年代發(fā)展起來的一種制備無機材料的新型工藝,其原理是利用金屬無機鹽或金屬醇鹽在水或醇溶劑中發(fā)生水解或醇解反應(yīng),形成穩(wěn)定的透明溶膠體系,經(jīng)陳化、脫水形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠,再經(jīng)熱處理得到產(chǎn)物。溶膠-凝膠法不僅使反應(yīng)組分在分子級水平均勻混合,形成高純度、高均勻性的HAP粉體,而且反應(yīng)條件、摻雜量易控制,燒結(jié)溫度較低、成本較低,因而適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn),獲得較高生物活性的HAP粉體。王少洪等[10]以H3PO4為前軀體,用NH4OH調(diào)節(jié)pH,然后將 Ca(NO3)2·4H2O 溶液滴加到上述溶液中,反應(yīng)中要不斷補充NH4OH使溶液pH恒定在10,滴定結(jié)束后,將其陳化、烘干、洗滌、焙燒。研究發(fā)現(xiàn),采用溶膠-凝膠法制備的HAP粉體粒徑分布均勻、呈球形、團聚極少,隨著溫度升高顆粒尺寸和結(jié)晶度增大,600℃燒結(jié)2 h得到純度高、晶化好的HAP。M.N.Salimi等[11]以 Ca(NO3)2·4H2O 和 P2O5為原料,乙醇為溶劑,采用溶膠-凝膠法制備出納米HAP顆粒,并考察了攪拌速度和溫度對產(chǎn)品粒徑的影響,溫度對顆粒大小稍有影響,在低攪拌速率下獲得長方體狀顆粒,在較高轉(zhuǎn)速時得到拉長的顆粒。徐曉虹等[12]以Ca(NO3)2·4H2O 和 P2O5為原料,無水乙醇為溶劑,采用溶膠-凝膠法制備了含CO32-的HAP粉體。結(jié)果表明,采用溶膠-凝膠工藝,調(diào)控反應(yīng)體系pH、反應(yīng)溫度及前驅(qū)體的熱處理溫度是獲得純度高、分散性好的納米HAP粉體的關(guān)鍵。這應(yīng)歸功于溶膠-凝膠工藝中采用了低表面張力的有機溶劑乙醇,在凝膠轉(zhuǎn)化和凝膠干燥過程中,顆粒均被大量有機物所包圍,吸附在顆粒表面的有機物有降低表面能、“屏蔽”膠粒表面—OH、減少粒子間毛細管力引起的締結(jié)力的作用,進而有效地避免了顆粒之間接觸形成硬團聚。G.Velu 等[13]以 Ca(NO3)2·4H2O 和(NH3)2HPO4作為鈣源和磷源,以藻酸作為絡(luò)合劑,在80℃下干燥,得到干凝膠,在110℃下繼續(xù)干燥5 h,經(jīng)過300℃熱處理得到粒徑為50~100 nm的六角形HAP。

        1.4 反相微乳液法

        反相微乳液法是近十幾年發(fā)展起來的合成納米粒子的新途徑,其優(yōu)點在于所得粉體粒徑分布窄,并能阻止顆粒團聚和控制粒子分散性。Y.X.Sun等[14]在水熱條件下采用TX-100(聚乙二醇單辛基苯基醚)/正丁醇/環(huán)己烷/水溶液反相微乳液體系合成了鑭系元素摻雜的HAP發(fā)光材料。研究表明,合成的材料具有單一晶體、尺寸分布均勻、高純度、高結(jié)晶度等特點。 M.A.S.Sadjadi等[15]研究了以環(huán)己烷、水、陽離子表面活性劑和共表面活性劑及聚丙烯酸鈉(PAA)復(fù)配成的微乳液體系制備HAP。結(jié)果表明,PAA的存在影響著HAP晶體的結(jié)晶度、粒徑和形貌。

        2 HAP的應(yīng)用

        2.1 HAP在環(huán)境治理方面的應(yīng)用

        2.1.1 HAP在重金屬污水治理方面的應(yīng)用

        近年來,中國自然生態(tài)環(huán)境污染嚴重,而廢水、污水及廢氣的治理仍是一個棘手的問題,對于各種復(fù)雜污染物的處理使用傳統(tǒng)環(huán)保工藝和環(huán)保材料已不能滿足需求,因此尋求與環(huán)境相協(xié)調(diào)、綠色環(huán)保的污染治理與環(huán)境修復(fù)工藝和材料已成為研究的重點。HAP較強的離子交換能力和較強的吸附性能,在含重金屬廢水治理中得到了重視和應(yīng)用。董春華等[16]以廢棄蛋殼為原料,通過煅燒法合成了碳HAP。利用碳HAP吸附模擬廢水中的Ni2+,考察Ni2+初始濃度、pH、吸附時間、吸附劑用量以及溫度等因素對吸附效果的影響。結(jié)果表明,當廢水中Ni2+初始質(zhì)量濃度為 30 mg/L、pH=7、吸附時間為10 min、吸附劑用量為 0.08 g(100 mL廢水)、溫度為 35℃時,HAP對 Ni2+的去除率接近 100%。 A.Corami等[17]利用納米HAP(n-HAP)吸附水溶液中的銅離子。研究發(fā)現(xiàn),銅離子遵循朗繆爾等溫吸附方程,吸附機理可解釋為Cu2+在n-HAP表面的特性吸附以及與n-HAP晶格中的Ca2+發(fā)生了離子交換作用。M.Vila等[18]研究了由生物高分子材料包裹的大孔HAP泡沫并將其應(yīng)用于模擬飲用水被鉛、鎘和銅污染后的處理。研究表明,此方法具有高效快速捕捉重金屬離子的能力,并且成本較低。S.E.Asri等[19]通過將天然大孔磷酸鹽礦石經(jīng)過溶解再結(jié)晶的方法制備了介孔HAP材料,并將其應(yīng)用于含Pb2+、Cu2+、Zn2+等廢水的處理。結(jié)果表明,處理后的介孔HAP材料比天然大孔磷酸鹽礦石具有更好的吸附性能。

        2.1.2 HAP在煙氣脫硝催化劑方面的應(yīng)用

        磷灰石所具有的特殊晶體結(jié)構(gòu)和元素組成,使其具備很強的離子交換和吸附能力,據(jù)此可制備高分散、高穩(wěn)定的多金屬摻雜的催化劑;利用其表面的酸堿可調(diào)性,通過不同制備工藝,可達到調(diào)節(jié)表面酸性的可能性。如果把磷灰石合成為納米尺寸,就具有了小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)。磷灰石具有天然的孔道結(jié)構(gòu)所形成的微孔,如果將其制成具有大表面積和三維孔道結(jié)構(gòu)的介孔材料,其在脫硝領(lǐng)域?qū)⒕哂蟹浅V匾难芯績r值?,F(xiàn)今,有研究者利用HAP作為載體進行脫硝實驗,但只處于初步研究階段。如T.Hassib等[20]通過共沉淀法制備了HAP載體,然后以Cu(NO3)2為前驅(qū)體,采用離子交換法制備了Cu/HAP催化劑,在很寬的活性窗口(100~500℃)具有較好的 NH3-SCR(NH3選擇性催化還原)活性,結(jié)果表明,高度分散的CuO是活性位點,NO的選擇性也很高,但超過300℃時N2O含量增加。在有2.5%(體積分數(shù))水蒸氣存在時,NO轉(zhuǎn)化率明顯下降。K.P.Anil等[21]將Ag負載在HAP載體上,進行了C3H6-SCR脫硝實驗。結(jié)果表明,在250~500℃窗口內(nèi),Ag/HAP (Ag質(zhì)量分數(shù)為1.5%)具有最高的催化活性,NO轉(zhuǎn)化率達到70%,N2的選擇性達到60%。但未考察SO2、H2O對催化活性的影響。A.Ono等[22]通過溶膠-凝膠法制備了磷灰石類氧化物型[La8A2Si6O26(A=Ca、Sr、Ba)]載體,并用浸漬法負載了質(zhì)量分數(shù)為1%的Pt催化劑(Pt/La8A2Si6O26)。當用丙烯做還原劑、反應(yīng)溫度低于300℃、A=Ca、Sr、Ba時,NO的轉(zhuǎn)化率分別為37%、41%、50%。

        2.2 HAP在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

        2.2.1 HAP在藥物緩釋方面的應(yīng)用

        近年來,納米粒子逐步被應(yīng)用于藥物輸送方面,新型載體材料的開發(fā)得到了人們的廣泛關(guān)注。尤其隨著生物技術(shù)的發(fā)展,一些新型藥物的開發(fā)需要控制釋放體系才能發(fā)揮效用,例如高分子藥物 (蛋白質(zhì)、多肽、核酸等)以及不溶性藥物(如抗癌藥)。載藥材料應(yīng)具有如下新的特性:良好的表面或界面效應(yīng)、保證給藥的同時減少藥劑量、減輕或避免毒副作用、體內(nèi)有固定降解途徑。載藥材料還可以建立新的給藥途徑,如體內(nèi)局部給藥、多肽類藥物的口服給藥、黏膜吸收給藥。因此,在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域,納米緩釋系統(tǒng)發(fā)揮重要的作用并有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。通過不同的制備方法可以制備出不同尺寸和形貌的HAP載體,以便利用其與藥物相互作用的可調(diào)性,達到調(diào)節(jié)藥物控釋量和控釋速度的效果。F.Ye等[23]采用表面活性劑P123和吐溫60為模板合成了系列HAP載體,以萬古霉素作為模型藥的載藥實驗中發(fā)現(xiàn),在pH為7.4的磷酸緩沖鹽溶液中藥物的釋放速度非常緩慢,而在pH為5.4的弱酸溶液中釋放速度顯著提高。所以,棒狀多孔HAP通過控制pH可用于靶向給藥。 R.X.Sun等[24]制備的中空開口的HAP微球,以胰島素作為模板藥物,在體外溶出實驗中,以pH=7.4的磷酸緩沖鹽作為溶出介質(zhì),載體對胰島素表現(xiàn)出緩釋特征,并且藥物的突釋現(xiàn)象也顯著減少。P.P.Yang等[25]用CTAB陽離子表面活性劑作為模板制備出了銪摻雜的發(fā)光中空棒狀HAP,以布洛芬作為模型藥的載藥實驗中,布洛芬在1 h內(nèi)累積釋放率達到50%,12 h釋放完全,說明納米多孔HAP對難溶性藥物起到緩釋的效果。同時,C.M.Zhang等[26]用CTAB做模板制備的鍶摻雜的介孔棒狀HAP,在以布洛芬作為模型藥的載藥量測試中,也表現(xiàn)出顯著的緩釋特點。

        2.2.2 HAP在生物支架材料方面的應(yīng)用

        納米HAP具有良好的生物相容性、生物活性、骨誘導(dǎo)性及骨傳導(dǎo)性,其能夠與骨組織良好結(jié)合,誘導(dǎo)新骨生成并為之提供支架,而且再經(jīng)過體液作用,納米HAP會發(fā)生部分降解,游離出鈣和磷,人體組織吸收和利用后會長出新組織。但由于其易發(fā)生脆性斷裂、機械強度低、在負重和受到扭轉(zhuǎn)力時易折斷或碎裂,因而限制了其臨床應(yīng)用。雖然HAP納米化后生物力學和可降解性得到改善,但仍距骨組織工程支架材料的要求相差甚遠,為提高材料的力學性能及新骨形成速度,需采用不同性質(zhì)的材料進行雜化以獲得具有新性能的雜化支架。H.R.Liu等[27]采用聲電沉積法制備新型HAP/多孔碳纖維復(fù)合支架材料,對其空隙率、密度及抗壓性能進行了測試。新型HAP/多孔碳纖維復(fù)合材料的孔隙率接近83.5%,容積密度為(0.297±0.009)g/cm3??紫冻叽绶植紡?200μm到500 μm,且孔隙之間相互貫通,利于細胞的流動。支架的抗壓、抗折強度分別為(1.187±0.064)MPa和(0.607±0.268)MPa。通過細胞黏附和增殖試驗表明,HAP/多孔碳纖維復(fù)合材料支架能夠顯著促進成骨細胞如MG-63細胞的黏附與增殖,具有很強的臨床應(yīng)用價值。Z.H.Dong等[28]采用發(fā)泡法合成含30%(質(zhì)量分數(shù))納米羥基磷灰石(n-HPA)和70%(質(zhì)量分數(shù))聚氨酯(PU)的新型多孔n-HAP/PU復(fù)合支架材料,納米羥基磷灰石均勻分散在聚氨酯基體上,支架的孔隙率和抗壓強度分別為80%和271 kPa。通過模擬體液浸泡實驗,表明該支架材料無細胞毒性并且可降解。多孔結(jié)構(gòu)提供了一個利于細胞黏附、生長和增殖的微孔環(huán)境,n-HAP/PU支架材料可滿足組織工程的要求,并有應(yīng)用于人類膝關(guān)節(jié)半月板和關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)和替代的潛力。W.W.Thein-Han等[29]采用納米HAP和殼聚糖制備出三維殼聚糖納米HAP,比較了殼聚糖支架與三維殼聚糖納米HAP的生物學特性和理化性能。三維殼聚糖納米HAP具有更強的壓縮模量,降解速率慢減少水分吸收,有利于前成骨細胞生物反應(yīng)包括細胞的黏附和擴散。

        3 結(jié)論

        HAP吸附重金屬離子過程比較復(fù)雜,至今沒有普遍適用的理論依據(jù),一般HAP吸附重金屬離子的機理主要有表面吸附、離子交換、溶解沉淀作用等,而不同離子的吸附也有不同的作用機理,是一種機理在起作用還是幾種機理同時起作用,這是研究者以后面對的主要問題。雖然HAP制備方法的研究已取得較快發(fā)展,但完全實現(xiàn)對粒子粒徑及形貌的完全可控制備仍是今后研究重點,尤其是HAP的表面改性。如果從分子水平進行材料設(shè)計,賦予HAP生物材料表面良好的生物相容性和生物活性,以滿足生物醫(yī)學對HAP粉體的要求亦是未來研究的方向。

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