王銀川 肖桂勇＊, 徐偉莉 齊美麗 顏文熙 武延秋 呂宇鵬＊,

(1山東大學，材料液固結構演變與加工教育部重點實驗室，濟南 250061)

(2山東大學材料科學與工程學院，濟南 250061)

(3山東交通學院交通土建工程學院，濟南 250357)

(4生物醫(yī)用材料改性技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，德州 251100)

0 引言

羥基磷灰石(HA，Ca10(PO4)6(OH)2)作為脊椎動物骨骼和牙齒中的主要無機成分，因其良好的生物活性、生物相容性、骨誘導性和骨傳導性，在載藥、蛋白分離、骨缺損和組織工程修復等領域具有廣泛應用[1?2]。但傳統(tǒng)HA陶瓷因脆性大、韌性差的缺陷使其局限應用于非動態(tài)載荷領域，極大地限制了HA的臨床應用價值[3]。研究表明纖維復合陶瓷中的纖維可通過吸收斷裂能并防止裂紋快速擴展來有效增強陶瓷的力學性能[4]。然而，目前常用的C、Al2O3、ZrO2、SiC等生物惰性纖維雖然有效提高了復合材料的斷裂韌性，但會導致復合陶瓷的生物相容性降低，甚至可能導致細胞毒性[5?6]。因此，制備高長徑比的HA纖維實現(xiàn)HA陶瓷的自增韌，成為目前的研究熱點[7?8]。

盡管已有水熱法[9]、均相沉淀法[10]、水熱均相沉淀法[11?12]和溶劑熱法[13]等[8]多種方法用于合成HA纖維，但制備超高長徑比和柔韌的HA纖維目前仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。晶體生長與起始物密切相關，其中表面活性劑可有效調控晶體形貌和尺寸[3,14]。此外，晶體的形核率和生長還取決于溶液的過飽和度，而過飽和度與初始鈣?磷物質的量比值(nCa,0/nP,0)直接相關。初始Ca2+濃度恒定時，過低的nCa,0/nP,0會導致溶液的過飽和度過高，生成大量HA小晶核，并促使其沿a軸生長，進而影響HA纖維的微觀結構[3]。因此，選擇合適的、可調控HA晶體沿c軸擇優(yōu)生長的表面活性劑和適宜的nCa,0/nP,0，有望合成超長柔韌的HA纖維。研究表明具有合適鏈長脂肪酸分子的羧基在共面時，羧基間的間距與HA晶體(100)和(001)晶面上共面的Ca2+間距相匹配，從而誘導HA晶體的擇優(yōu)生長取向[15?16]。并且脂肪酸作為有機弱酸，在一定pH范圍內可作為pH響應性分子維持溶液的pH值穩(wěn)定[17?18]。

我們以油酸作為表面活性劑，制備出具有高柔韌性和高長徑比的HA納米纖維，探討了溶劑熱條件下不同nCa,0/nP,0對HA納米纖維微觀結構的影響。并基于不同nCa,0/nP,0下HA形貌和結構演變推測出相應的影響機理，以期為不同脂肪酸作為表面活性劑制備超長HA納米纖維時參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗所用無水氯化鈣(CaCl2，AR)、氫氧化鈉(NaOH，AR)、二水合磷酸二氫鈉(NaH2PO4·2H2O，AR)、無水乙醇(C2H5OH，AR)統(tǒng)一購自國藥集團化學試劑有限公司，油酸(C18H34O2，AR)購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，無需進一步提純即可使用。

1.2 一維羥基磷灰石納米纖維產(chǎn)物的制備

采用溶劑熱法制備得到一維納米結構的HA產(chǎn)物。首先，在室溫下將12.00 g油酸、11.00 g無水乙醇和10 mL去離子水混合得到溶液A。隨后依次向混合液 A 中逐滴加入 CaCl2水溶液(0.2 mol·L?1，20 mL)和NaOH水溶液(1.25 mol·L?1，20 mL)得到反應液B。最后向反應液B中逐滴加入20 mL含一定量NaH2PO4·2H2O的水溶液得到混合物C。本研究中nCa,0/nP,0值分別設置為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0。上述過程均在密閉體系且劇烈的磁力攪拌下進行。之后將混合物C轉移到100 mL水熱反應釜中，控制填充度為80%，在180℃下恒溫24 h。待反應釜冷卻至室溫后，將制備得到的產(chǎn)物用無水乙醇和去離子水清洗3次，最終離心、干燥。

1.3 表 征

利用RIGAKU UltimaⅣ型X射線衍射儀(XRD)檢測產(chǎn)物的相組成，輻射源為λ=0.154 18 nm的銅靶(CuKα)，加速電壓和加速電流分別為40 kV和40 mA，掃描范圍為10°～60°。利用配有牛津X?max 80型X射線能譜儀(EDS)的JSM?7800F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)分析檢測產(chǎn)物表面形貌和微觀區(qū)域的化學成分，因樣品不導電，測試前將樣品分散在無水乙醇中，然后滴在鋁箔上，待干燥后進行噴鉑處理。利用Nexus 670型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)分析產(chǎn)物官能團組成，掃描范圍為4 000～400 cm?1，測試前將約0.2 mg樣品與約20 mg溴化鉀研磨混合后壓片。

所制備產(chǎn)物的元素含量基于EDS結果獲得，晶粒尺寸(Dhkl)根據(jù)德拜?謝樂公式計算得到[19?20]，結晶度(XC)可由以下公式確定[21]：

XC=1?V112/300/I300

式中，V112/300為(112)和(300)晶面衍射峰之間峰谷的衍射強度；I300為(300)晶面衍射峰的衍射強度。

2 結果與討論

2.1 nCa,0/nP,0對HA物相與化學成分的影響

圖1是不同nCa,0/nP,0值下制備產(chǎn)物的XRD圖及相應的晶粒尺寸、c/a值。如圖1a所示，不同nCa,0/nP,0對產(chǎn)物的物相無明顯影響，所制備的產(chǎn)物為HA(PDF No.09?0432)。nCa,0/nP,0=2.0～1.4時，所制備的產(chǎn)物在32.5°附近的漫散包表明產(chǎn)物中存在非晶磷酸鈣(ACP)；隨著nCa,0/nP,0值的降低，4種產(chǎn)物的(002)晶面衍射峰的相對強度逐漸降低，且nCa,0/nP,0=1.4的產(chǎn)物的漫散包最強值從32.3°變?yōu)?3.1°，表明隨著nCa,0/nP,0值的降低，HA晶體的擇優(yōu)生長取向由a軸向c軸轉變且ACP含量逐漸降低。nCa,0/nP,0=1.2時，衍射峰由漫散包突變?yōu)檩^尖銳的衍射峰，說明該nCa,0/nP,0值為產(chǎn)物主要組成由非晶態(tài)向晶態(tài)轉變的轉折點且產(chǎn)物的形貌可能發(fā)生明顯的改變。隨著nCa,0/nP,0值的進一步降低(nCa,0/nP,0=1.0～0.6)，各產(chǎn)物的最強峰均為(300)晶面，說明低nCa,0/nP,0值是利于HA晶體沿著c軸擇優(yōu)生長；但結合表1和圖1b可以看出，nCa,0/nP,0=1.0時所得產(chǎn)物具有最高的結晶度和晶粒尺寸，雖然nCa,0/nP,0=0.8時產(chǎn)物具有最大的c/a值，但是其晶粒尺寸已急劇減小。以上結果表明，nCa,0/nP,0=1.0為溶劑熱法制備一維HA納米纖維的最佳值，較低的nCa,0/nP,0有利于HA晶體沿著c軸擇優(yōu)生長，但過低的nCa,0/nP,0值會導致生成的HA晶體具有較小的晶粒尺寸且同時沿c軸和a軸生長。

表1 不同nCa,0/nP,0值下制備產(chǎn)物的合成參數(shù)和表征結果比較Table 1 Comparison of synthesis parameters and characteristics of as?prepared products synthesized with various nCa,0/nP,0values

圖1 不同nCa,0/nP,0值下制備產(chǎn)物的(a)XRD圖、(b)晶粒尺寸和c/a值Fig.1 (a)XRD patterns,(b)crystallite sizes,and c/a values of as?prepared products synthesized with various nCa,0/nP,0values

通過FTIR進一步研究nCa,0/nP,0對HA納米纖維化學成分的影響(圖2)。如圖2所示，3 422 cm?1處的吸收峰是吸附在樣品表面的游離水峰[22]；3 566和631 cm?1處對應 HA 中 OH?的伸縮振動吸收峰[23]；1 096、1 071、1 027、605 和 560 cm?1處對應 HA 中PO43?的振動吸收峰[24]。另外，3 007 cm?1處對應油酸根離子中=CH的特征峰，2 923和2 853 cm?1處對應油酸根離子中—CH2—的振動峰，1 557和1 465 cm?1處對應油酸根離子中—COO?的特征峰[25]。以上吸收峰的存在表明樣品表面吸附有油酸根離子。此外，各產(chǎn)物中屬于油酸根的特征峰峰強隨nCa,0/nP,0值的降低亦逐漸降低，可能是nCa,0/nP,0的降低會導致各樣品表面油酸根離子附著量逐漸減少。

圖2 不同nCa,0/nP,0值下制備產(chǎn)物的FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectra of as?prepared products synthesized with various nCa,0/nP,0values

2.2 nCa,0/nP,0對HA形貌的影響

圖3和表2是不同nCa,0/nP,0值下制備產(chǎn)物的FESEM圖及相應的EDS元素分析結果。如圖3所示，隨著nCa,0/nP,0值的降低，產(chǎn)物的形貌逐漸由繩結狀向繩結狀與纖維狀共存，再到超長柔韌納米纖維，最后到納米纖維與納米針束狀纖維共存演變。nCa,0/nP,0=2.0時，從嵌入的高倍圖中可以看出，繩結狀產(chǎn)物表面附著有少量納米顆粒(圖3a)，結合表2元素含量和相應的XRD結果(圖1a)推測，繩結狀產(chǎn)物可能為ACP、沿a軸擇優(yōu)生長的HA和油酸根離子組成的混合物。nCa,0/nP,0=1.4～1.8時，纖維形貌隨nCa,0/nP,0值降低逐漸增多，而繩結狀形貌逐漸減少，但仍可觀察到兩者表面均附著有納米顆粒(圖3b～3d)。nCa,0/nP,0=0.8～1.2時，繩結狀形貌徹底消失，產(chǎn)物由高長徑比(>10 000)的HA納米纖維組成(圖3e～3g)，纖維呈任意角度彎曲而不斷裂，表明纖維具有較高的柔韌性[17]。但nCa,0/nP,0降至0.6時，產(chǎn)物主要形貌變?yōu)榧{米針束狀纖維，并存在少量HA納米纖維。此外，結合相應的FTIR結果可知，產(chǎn)物完全由纖維組成時油酸根的特征峰峰強幾乎消失，這可能是因為組成繩結狀產(chǎn)物的ACP和HA納米顆粒具有較纖維狀HA更大的比表面積，從而能附著有較多的油酸根離子。而產(chǎn)物中ACP和HA納米顆粒的量隨nCa,0/nP,0值降低而減少，導致各產(chǎn)物中屬于油酸根的紅外特征峰峰強隨nCa,0/nP,0降低而逐漸降低。

圖3 不同nCa,0/nP,0值下制備產(chǎn)物的FESEM圖Fig.3 FESEM images of as?prepared products synthesized with various nCa,0/nP,0values

表2 不同nCa,0/nP,0值下制備產(chǎn)物的EDS元素分析結果Table 2 Compositions of as?prepared products synthesized with various nCa,0/nP,0values derived from EDS analysis

表1中產(chǎn)物的nCa/nP結果表明，HA產(chǎn)物的nCa/nP值隨nCa,0/nP,0值的降低而降低。具有柔韌纖維狀形貌的HA產(chǎn)物的nCa/nP=1.11～1.35，遠低于HA的理論nCa/nP值(1.67)。這可能歸因于油酸誘導HA晶核沿c軸擇優(yōu)生長，導致HA晶體中出現(xiàn)鈣缺陷[26]，使其nCa/nP降低。然而當產(chǎn)物的nCa/nP≈1.67時形貌為非晶繩結狀。以上結果表明，溶劑熱條件下油酸誘導合成具有超長柔韌性缺鈣型HA納米纖維的nCa,0/nP,0的最佳范圍為0.8～1.2，且可通過調控nCa,0/nP,0實現(xiàn)對HA產(chǎn)物結晶度和晶粒尺寸的控制。

2.3 nCa,0/nP,0對HA納米纖維微觀結構影響機理

晶體的形核和生長速率與溶液的過飽和度密切相關。低過飽和度的溶液中形核率低，有利于更大晶粒尺寸的晶體形成[3]。根據(jù)以下公式[27]，HA的過飽和度(S)與溶液中游離的Ca2+、PO43?和 OH?離子濃度直接相關；當OH?離子濃度恒定時，nCa,0/nP,0可直接影響反應溶液的過飽和度，進而調控HA晶體的形核與生長。

式中，α為離子的濃度；Ksp為HA的溶度積(特定溫度下為一常數(shù))。此外，油酸作為表面活性劑不僅可以有效誘導HA晶體沿著c軸擇優(yōu)生長，也可以作為pH響應性分子調控反應溶液的pH值，使其維持穩(wěn)定，并且油酸參與反應后生成的油酸鈣可作為鈣源在反應過程中緩慢釋放Ca2+離子。因此，在油酸分子的作用下，nCa,0/nP,0對HA晶體微觀結構的影響需要系統(tǒng)的探究，以期能合成具有更高長徑比和柔韌性的HA納米纖維?；谏鲜霰碚鞣治龊拖嚓P報道，不同nCa,0/nP,0對HA納米纖維的形核及生長的影響可分為以下3個階段(圖4)：

2.3.1 階段Ⅰ：反應初始

如圖4中stageⅠ所示，油酸分子與NaOH反應生成油酸鈉，隨后與游離的Ca2+離子結合生成油酸鈣。油酸鈣在反應中作為前驅體和鈣源[28]。HPO?24離子與OH?離子反應生成HPO2?離子[17]，少量 HPO2?44離子繼續(xù)與OH?離子反應生成PO43?離子。

2.3.2 階段Ⅱ：HA形核和晶體生長

如圖4中stageⅡ所示，隨著溶劑熱反應的進行，油酸鈣開始緩慢且持續(xù)地釋放Ca2+離子，同時油酸根離子水解釋放OH?離子。大量HPO?、HPO2?244離子與OH?反應分別生成HPO42?和 PO43?離子。當反應溶液中的游離Ca2+、PO43?和OH?離子達到HA形核的過飽和度后，少量HA晶核在溶液中直接形核，大部分游離Ca2+和PO43?離子在離子間庫侖力的作用下生成ACP納米粒子[29]。隨著反應的繼續(xù)進行，直接形核的HA晶核開始長大，另外HA也開始在ACP表面異質形核。此外，相關研究表明HA從反應溶液中形核析出時表面具有負的ζ電位[30]。因此，在生長初期，可能由于HA晶核表面的負電勢抑制了油酸根離子與HA表面的鈣位點結合。HA晶核在生長初期無油酸根離子誘導的作用下，為了維持體系能量最低，呈現(xiàn)出沿著a軸擇優(yōu)生長的趨勢。伴隨著HA晶核的不斷長大，其表面自由能不斷升高，在HA晶體暴露出帶正電的面積較大的晶面時，反應液中的油酸根離子吸附在該晶面的鈣位點上，限制了PO43?離子與平行于c軸方向的晶面上的鈣位點結合，促使HA晶體只能沿著c軸擇優(yōu)生長。此外，研究表明HA晶體沿c軸生長較其沿a軸生長所需的能量更多[31]，高溫、高壓的溶劑熱環(huán)境為HA晶體沿c軸生長提供了所需的能量條件，最終生長成為短的單根HA纖維。

圖4 不同nCa,0/nP,0值下制備的產(chǎn)物形成過程示意圖Fig.4 Schematic illustration of the formation process of as?prepared products synthesized with various nCa,0/nP,0values

當nCa,0/nP,0=2.0時，反應溶液中的PO43?離子濃度極低，雖溶液的過飽和度低，但磷源的不足導致只有少量HA晶核能生長成沿a軸擇優(yōu)生長的小晶粒，大量HA晶核則多數(shù)停止晶體生長。1.4≤nCa,0/nP,0<2.0時，反應溶液中的過飽和度仍然較低，溶液中的PO43?離子已能滿足部分HA晶核在油酸的誘導下沿著c軸擇優(yōu)生長為較短的HA納米纖維，而部分HA仍是以低結晶小晶粒的形式存在或仍殘留部分ACP。0.8≤nCa,0/nP,0<1.4時，反應溶液中的過飽和度處于適當?shù)姆秶?，在此過飽和度下生成的HA晶核不僅較少，溶液中的PO43?離子也能滿足HA晶核生長為具有較大晶粒尺寸的HA納米纖維的需求。0.6≤nCa,0/nP,0<0.8時，溶液過飽和度較高，導致了大量HA晶核的生成，最終生長成為具有較小晶粒尺寸的針束狀HA納米纖維；此外，因溶液中過高的PO43?離子濃度，PO43?離子可以充分地與HA表面上的鈣位點結合，抑制了油酸根離子在HA表面的吸附，導致nCa,0/nP,0=0.6時制備產(chǎn)物的D211>D300。

2.3.3 階段Ⅲ：反應結束

在溶劑熱過程中，油酸根離子會吸附在產(chǎn)物的表面，而油酸根離子中的烷基鏈與極性溶劑互不相容[28]。因此，當溶劑熱反應結束，將產(chǎn)物轉移至極性溶劑(水、乙醇)中時會自組裝成為高度有序的形貌。如圖4中stageⅢ所示，HA和ACP納米顆粒在“油酸根離子?極性溶劑”的作用下自組裝成為繩結狀形貌；短的HA納米纖維自組裝成為超長高柔韌性HA納米纖維；HA納米針自組裝為HA納米針束狀形貌。

3 結論

nCa,0/nP,0對HA納米纖維的形貌和結構特征具有顯著影響。隨著nCa,0/nP,0值降低，產(chǎn)物由非晶繩結狀(nCa,0/nP,0=2.0)向高結晶超長柔韌的HA納米纖維(0.8≤nCa,0/nP,0<1.4)轉變，最終為具有較低結晶度、小晶粒尺寸的針束狀HA納米纖維(0.6≤nCa,0/nP,0<0.8)。HA晶體的擇優(yōu)生長取向亦隨nCa,0/nP,0的降低由a軸轉變?yōu)閏軸，但過高和過低的nCa,0/nP,0均會抑制油酸的誘導作用，并且過低的nCa,0/nP,0會導致HA晶體同時沿a軸和c軸生長。nCa,0/nP,0=0.8和1.2分別為產(chǎn)物微觀結構發(fā)生轉變的關鍵點；合成HA納米纖維的最佳nCa,0/nP,0=0.8～1.2，其中nCa,0/nP,0=1.0時的HA納米纖維具有最大晶粒尺寸和結晶度。以上結果可能為溶劑熱法合成HA納米纖維提供一些新的思路。