項(xiàng) 興，李曉宏，倪似愚

（東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院，上海 201620）

CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜的制備及其體外生物活性

項(xiàng) 興，李曉宏，倪似愚

（東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院，上海 201620）

以四水合硝酸鈣為鈣源、正硅酸乙酯為硅源（按CaO／SiO2摩爾比1∶1），采用溶膠-凝膠法制備出CaO-SiO2生物玻璃溶膠.采用壓力誘導(dǎo)的方法將CaO-SiO2溶膠注入多孔陽(yáng)極氧化鋁（PAA）的納米孔道中，經(jīng)550℃熱處理，得到CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜.所得樣品在模擬體液（SBF）中分別浸泡1和7 d，觀察其表面誘導(dǎo)形成類骨磷灰石的能力.通過(guò)掃描電鏡（SEM）、X射線能譜儀（EDS）、傅里葉變換紅外衍射儀（FTIR）對(duì)浸泡前后樣品的微觀形貌和成分進(jìn)行表征.試驗(yàn)結(jié)果表明：鈣硅基生物活性材料能夠裝載在PAA的納米孔道中，并且裝載有鈣硅基材料的PAA在SBF中浸泡后能誘導(dǎo)類骨磷灰石的生成.

CaO-SiO2；多孔陽(yáng)極氧化鋁（PAA）；模擬體液（SBF）；類骨磷灰石

多孔陽(yáng)極氧化鋁膜（porous anodic alumina，PAA）是通過(guò)電化學(xué)陽(yáng)極氧化的方法在純鋁表面形成的具有納米孔道結(jié)構(gòu)的氧化鋁薄膜.一般認(rèn)為PAA是由六棱柱晶胞構(gòu)成，相鄰的晶胞以密堆積的方式排列，晶胞中心有納米級(jí)孔道，這些孔道相互平行且與基體表面垂直，孔徑從幾納米到幾百納米可調(diào)，是典型的自組織生長(zhǎng)的納米孔陣列材料［1-4］.近年來(lái)的研究表明，PAA具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性及仿生性能，其在醫(yī)用金屬表面的生物學(xué)和力學(xué)改性方面已顯示出實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的潛力［5-7］.此外，PAA相互平行的大面積六角形排列的納米孔道，也可作為生物活性物質(zhì)的優(yōu)良載體，從而賦予PAA納米結(jié)構(gòu)本身特殊的功能［8］.

過(guò)去的研究顯示，鈣硅基材料具有優(yōu)良的生物活性和可降解性，能在體外和體內(nèi)誘導(dǎo)類骨磷灰石快速沉積并促進(jìn)骨細(xì)胞的增殖和分化［9-14］，這對(duì)于骨的迅速修復(fù)是非常重要的.近年來(lái)的研究結(jié)果進(jìn)一步表明，鈣硅基材料相比鈣磷基材料具有更高的生物活性，并已作為填充和修復(fù)材料而廣泛地應(yīng)用于骨和關(guān)節(jié)上.鑒于鈣硅基材料優(yōu)良的生物活性和良好的可降解性，如果利用PAA納米孔道的特殊性，向其孔道中裝載適量的鈣硅基生物活性材料，將有可能明顯提高PAA的生物活性.因此，本文采用兩步陽(yáng)極氧化法制備大孔徑的PAA，并采用壓力誘導(dǎo)的方法將鈣硅基生物活性材料裝載入PAA納米孔道中，考察所制備的樣品在模擬體液（SBF）中誘導(dǎo)類骨磷灰石形成的能力，初步評(píng)價(jià)CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜的體外生物活性.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑

正硅酸乙酯（TEOS）、硝酸鈣、硝酸、乙醇、磷酸、硫酸、草酸等，均為化學(xué)純.

1.2 陽(yáng)極氧化鋁的制備及其表征

將厚度為0.3 mm的高純鋁片（99.999%）裁成80 mm×15 mm的長(zhǎng)方形，400℃高溫退火3 h后在乙醇、二氯甲烷和丙酮的混合液中（V（乙醇）∶V（二氯甲烷）∶V（丙酮）＝1∶2∶1）清洗2 min.隨后以鋁片為陽(yáng)極，鉛板為陰極，在磷酸和硫酸的混合液中進(jìn)行電化學(xué)拋光，電流為4.8 A，溫度為80℃，直到鋁片變得如鏡面般光亮.將拋光后的鋁片放入盛有0.4 mol／L草酸溶液的低溫電解槽中，鋁片作為陽(yáng)極，兩塊鉛板作為對(duì)陰極平行放置于鋁片兩側(cè)，接到恒壓電源上，逐漸將電壓升至40 V，進(jìn)行第一次陽(yáng)極氧化.3 h后，將鋁片放在6%磷酸和1.8%鉻酸的混合液中除去氧化層，再將其放入草酸電解液中進(jìn)行第二次陽(yáng)極氧化，溫度和電壓條件以及氧化時(shí)間與第一次陽(yáng)極氧化過(guò)程相同.將經(jīng)過(guò)上述處理的樣品浸泡在5%磷酸溶液中，對(duì)氧化鋁薄膜進(jìn)行擴(kuò)孔處理，去離子水洗滌，室溫晾干即可進(jìn)行檢測(cè).樣品表面形貌分析在S-4800型（日本）場(chǎng)掃描電鏡上進(jìn)行，樣品表面的化學(xué)組成分析在X-max型（英國(guó)）能譜儀上進(jìn)行.

1.3 CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜的制備及其表征

用硝酸做催化劑制備1 mol／L的TEOS水溶液，待TEOS水解完全后，將1 mol／L的硝酸鈣水溶液緩慢地滴加在TEOS中，其中CaO／SiO2的摩爾比為1∶1.磁力攪拌器作用下充分反應(yīng)1 h，靜置待溶液形成透明的溶膠.將制得的PAA放入溶膠中浸泡，并將上述裝有PAA的溶膠放在真空干燥箱中常溫下抽真空3 h，然后取出溶膠中的PAA，置于馬弗爐中，550℃熱處理，升溫速率為3℃／min，保溫5 h后取出.其中，使用真空條件的目的在于抽出PAA孔道中的空氣，在外界壓強(qiáng)的作用下迫使溶膠進(jìn)入PAA孔道中.樣品用去離子水洗滌3遍，晾干待檢.處理后的PAA材料分別用S-4800型（日本）場(chǎng)掃描電鏡、X-max型（英國(guó)）能譜儀進(jìn)行表征.

1.4 CaO-SiO2／PAA 復(fù) 合 膜 在 模 擬 體 液 中 浸 泡試驗(yàn)

通過(guò)體外浸泡SBF的方法來(lái)表征所制備復(fù)合材料的生物活性，以文獻(xiàn)［15］的方法配制SBF，其離子濃度與人體體液相近，并用緩沖液調(diào)節(jié)其p H值為7.4.

表1 模擬體液和人體體液的離子濃度Table 1 Ion concentrations of SBF and human blood plasma mmol／L

將制備好的CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜置于裝有20 m L的SBF的塑料樣品杯中，并將樣品杯放在水浴振蕩鍋中，保持水溫37℃，恒溫振蕩1和7 d，每天更換SBF溶液.浸泡結(jié)束后，用去離子水清洗兩遍后，將樣品置于75℃下干燥.通過(guò)S-4800型（日本）場(chǎng)掃描電鏡觀察樣品的表面形貌，X-max型（英國(guó)）能譜儀檢測(cè)樣品元素組成，NEXUS670型（美國(guó)）傅里葉紅外衍射儀檢測(cè)樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu).

2 結(jié)果和討論

2.1 PAA的表征

圖1為兩步陽(yáng)極氧化法制備的PAA的表面和橫截面SEM圖.由圖1（a）可知，制備的PAA呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，形貌較規(guī)整，孔徑為150～200 nm，由圖1（b）可以看出其厚度為20～30μm.PAA的X射線能譜（EDX）測(cè)試結(jié)果如圖2所示.由圖2可知，樣品的表面化學(xué)組成為Al和O，并且Al／O的摩爾比為1∶2，而其他雜峰為觀察樣品時(shí)噴涂的Au.

圖1 PAA的表面和橫截面SEM圖Fig.1 SEM images of surface and cross-section of PAA

圖2 PAA的X射線能譜圖Fig.2 EDS of PAA

2.2 CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜的表征

CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜的表面和橫截面的SEM圖如圖3所示.由圖3（a）可以看出，在PAA孔道中裝載了很多細(xì)小的顆粒，這說(shuō)明采用抽真空的方法可使溶膠進(jìn)入PAA的孔道中，從而使CaOSiO2溶膠在PAA孔道中實(shí)現(xiàn)溶膠-凝膠的轉(zhuǎn)化，經(jīng)熱處理后得到CaO-SiO2生物玻璃顆粒.圖3（b）也顯示細(xì)小的顆粒沉積在PAA的孔道中.

圖3 CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜表面和橫截面的SEM圖Fig.3 SEM images of surface and cross-section of CaO-SiO2／PAA composite film

對(duì)CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜的表面和橫截面的X射線能譜測(cè)試結(jié)果如圖4所示.由圖4可知，能譜上顯示Ca、Si、Al和O的峰，其中，Al和O的峰是來(lái)自PAA，而Ca和Si的峰則是來(lái)自孔道中的顆粒，分析得出Ca／Si的摩爾比為3∶2.文獻(xiàn)［16］報(bào)道的溶膠-凝膠生物玻璃的煅燒溫度一般為500～800℃，而本研究中熱處理溫度為550℃，因此，認(rèn)為裝載在PAA孔道中的顆粒可能為CaO-SiO2生物玻璃.

圖4 CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜的X射線能譜圖Fig.4 EDS of CaO-SiO2／PAA composite film

2.3 CaO-SiO2／PAA 復(fù)合膜在模擬體液中誘導(dǎo)類骨磷灰石形成的能力

在人體骨組織和生物活性材料界面之間形成的類骨磷灰石對(duì)兩者的牢固鍵合起到至關(guān)重要的作用，材料表面誘導(dǎo)這種類骨磷灰石層沉積的能力可以通過(guò)體外浸泡SBF試驗(yàn)進(jìn)行初步評(píng)價(jià)［17］，根據(jù)材料表面能否形成類骨磷灰石層及其形成速度來(lái)初步判斷材料的生物活性.

CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜在SBF中浸泡1和7 d后的表面SEM 照片如圖5（a）和5（b）所示.由圖5（a）可知，浸泡1 d后，在 CaO-SiO2／PAA 復(fù)合膜的表面形成了很多雪花狀的顆粒，并且顆粒都分散在樣品的表面.由圖5（b）可知，浸泡7 d后，CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜表面的顆粒增多，表面結(jié)構(gòu)也更規(guī)整.與浸泡前（圖3（a））相比，樣品的表面形貌在浸泡后發(fā)生了明顯的變化.

圖5 CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜在SBF中浸泡1和7 d后的表面SEM圖Fig.5 SEM images of surface of CaO-SiO2／PAA composite film after soaking in SBF for 1 day and 7 days

為了分析樣品表面形成物質(zhì)的元素組成，對(duì)浸泡1和7 d后的CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜進(jìn)行了X射線能譜測(cè)試，其結(jié)果如圖6所示.由圖6（a）可知，圖譜中出現(xiàn)了P的峰，說(shuō)明在SBF中浸泡1 d后，CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜表面有含P的物質(zhì)生成.而由圖6（b）可知，圖譜中沒(méi)有出現(xiàn)Si的峰.綜合分析認(rèn)為，CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜在SBF中浸泡1 d后即能誘導(dǎo)Ca-P基物質(zhì)形成，而浸泡7 d后，Ca-Si基物質(zhì)基本上轉(zhuǎn)化成Ca-P基物質(zhì).因?yàn)樗捎玫哪M體液中所含的Na和Cl量比較大，導(dǎo)致圖6的譜圖中出現(xiàn)Na和Cl的峰.

圖6 CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜在SBF中浸泡1和7 d后的X射線能譜圖Fig.6 EDS of CaO-SiO2／PAA composite film after soaking in SBF for 1 day and 7 days

圖7為CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜在SBF中浸泡1和7 d后的傅里葉變換紅外光譜圖.由圖7可知，樣品在3 340 cm-1附近的吸收峰為OH-的伸縮振動(dòng)吸收峰，620 cm-1附近的吸收峰為結(jié)合水的吸收峰，在1 150 cm-1附近的吸收峰是由于P的振動(dòng)引起的，而1 410 cm-1附近的微弱吸收峰則是C引起的.因此，在CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜表面形成的新物質(zhì)層即為類骨磷灰石.文獻(xiàn)［18］的研究表明，多孔陽(yáng)極氧化鋁為無(wú)定形Al2O3結(jié)構(gòu)，由于在模擬體液環(huán)境中Al2O3表面所形成的Al-OH基團(tuán)帶正電，而不具有誘導(dǎo)磷灰石生成的能力，呈生物惰性.然而在本次試驗(yàn)中CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜在SBF中浸泡之后卻出現(xiàn)了類骨磷灰石層，表明所裝載的CaOSiO2生物玻璃賦予了PAA良好的生物活性.

圖7 CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜在SBF中浸泡1和7 d后的傅里葉變換紅外光譜圖Fig.7 FTIR spectra of CaO-SiO2／PAA composite film after soaking in SBF for 1 day and 7 days

根據(jù)SBF中硅酸鈣誘導(dǎo)類骨磷灰石沉積的機(jī)理［19］，在浸泡過(guò)程中，首先是鈣硅基材料表面發(fā)生溶解，Ca2＋和Si4＋溶解釋放到周圍的溶液中，并與SBF中的 H＋交換導(dǎo)致溶液p H值上升.此外，CaSiO3溶出的Ca2＋和Si4＋，增加了周圍SBF中的過(guò)飽和度.同時(shí)，Ca2＋的溶出速度高于Si4＋，從而很快在材料表面形成富硅層，富硅層的形成為類骨磷灰石提供了有利的成核質(zhì)點(diǎn)，并進(jìn)一步吸收周圍環(huán)境中的Ca2＋、P和OH-形成類骨磷灰石層.本文的研究發(fā)現(xiàn)，CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜在SBF中浸泡1 d后，EDX圖譜中就能夠觀察到P的峰，說(shuō)明裝載了CaO-SiO2生物玻璃顆粒的PAA具有較強(qiáng)的誘導(dǎo)類骨磷灰石形成的能力.隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)（7 d），EDX圖譜顯示Si的峰消失，說(shuō)明CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜在SBF中浸泡7 d后，樣品表面基本被類骨磷灰石層所覆蓋.

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用溶膠-凝膠法制備CaO-SiO2溶膠，并將溶膠裝載在PAA的孔道中，最終得到CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜.體外SBF浸泡試驗(yàn)結(jié)果表明，裝載有Ca-Si基生物活性材料的PAA在模擬體液中浸泡1和7 d后，均能在其表面誘導(dǎo)類骨磷灰石的形成.研究結(jié)果表明，CaO-SiO2／PAA復(fù)合膜具有良好的體外誘導(dǎo)類骨磷灰石形成的能力，初步顯示出較好的生物活性，有望在生物醫(yī)用金屬材料表面改性方面獲得應(yīng)用.

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Synthesis andinvitroBioactivity of CaO-SiO2／PAA Composite Film

XIANGXing，LIXiao-hong，NISi-yu

（College of Chemistry，Chemical Engineering and Biotechnology，Donghua University，Shanghai 201620，China）

CaO-SiO2sols were prepared by a sol-gel technique using reagent-grade calcium nitrate tetrahydrate（Ca（NO3）2·4H2O）and tetraethoxysilane（TEOS，Si（OC2H5）4）as precursors with an initial CaO to SiO2molar ratio of 1∶1.The CaO-SiO2sols were then filled into the nano-pores of porous anodic alumina（PAA）by a pressure-induced technique under vacuum.After heat treatment at 550℃，the CaO-SiO2／PAA composite film was obtained.Theinvitroapatite formation ability of the samples was investigated by soaking them in simulated body fluid（SBF）for 1 day and 7 days respectively.The microstructure and chemical composition of the samples before and after soaking were analyzed by means of scanning electron microscope （SEM），X-ray energy dispersive spectroscopy （EDS）and Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR）.The results indicated that the nano-porous structure of PAA could be loaded with CaO-SiO2bioactive materials and the Ca O-SiO2／PAA composite film could induce bone-like apatite formation on its surface.

CaO-SiO2；porous anodic alumina（PAA）；simulated body fluid（SBF）；bone-like apatite

TB 34；TQ 131.11

A

2012-11-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50902020）

項(xiàng) 興（1986—），男，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向?yàn)榧{米生物材料.E-mail：xiang1986xing＠163.com

倪似愚（聯(lián)系人），女，副研究員，E-mail：synicn＠dhu.edu.cn

1671-0444（2014）01-0071-05