宋士涛，徐 菁，杨 宽，吴素霞，彭友舜，廉 琪

(河北科技师范学院，河北秦皇岛，066600)

羟基磷灰石(hydroxyapatite，简称HA或HAP)属表面活性材料，它与生物体硬组织有相似的化学成分和结构。由于其具有良好的生物活性和相容性，植入人体后对组织无刺激和排斥作用，能与骨形成很强的化学结合，可用于骨缺损的充填材料，为新骨的形成提供支架，发挥骨传导作用，是理想的硬组织替代材料［1］。虽然羟基磷灰石的生物活性较好，但由于其自身强度低、韧性及力学性能差、热稳定性差等缺陷而限制了其应用的广泛性，难以满足医学要求。如何能获得力学性能、生物相容性与热稳定性完美结合的羟基磷灰石是材料学家们探讨的问题。为了解决这些问题，人们采用不同工艺方法来制备羟基磷灰石复合材料、涂层材料及纳米材料，其中氟掺杂便是途径之一。

无论是在自然的HA还是合成的HA中，都存在F－取代HA中羟基离子［2］。牙齿中HA的质量分数为0．95 ～0．97，其中氟的质量分数为0．000 4 ～0．000 7［3］。体液中一定的含氟量有助于骨骼和牙齿的正常生长，F－的注入有利于骨质疏松症的治疗［4］。由F－部分取代羟基磷灰石中的OH－形成的氟取代的磷灰石，简称FHA(Ca10(PO4)6(OH)2－2xF2x，0≤x≤1)，在骨以及牙齿等植入体中具有广阔的应用前景。在人体体液环境中，FHA具有比HA更低的溶解度，有更长的存留时间。合成HA热稳定性不好，烧结温度高于900℃会分解成其它相［5］，如磷酸钙(TCP∶Ca3(PO4)2)，而FHA的热稳定性好于HA，氟磷灰石(Ca10(PO4)6F2)直到1 400℃仍然不分解，因此作为涂覆生物惰性材料表面的生物活性涂层更具有潜力。由于F－比OH－小，使得FHA的晶格常数比HA小，因而FHA的晶体结构更加致密，FHA与HA能形成全范围的固溶体形成FHA［6］，因此通过F－取代OH－，在保持HA部分生物活性的同时［7～9］，可以减小HA涂层的溶解度，提高它的稳定性，改进HA涂层长期稳定性较差的问题。此外，高F含量的FHA无细胞毒性［10］，因此FHA有潜力成为优良的人体硬组织替代材料。笔者采用共沉淀法制备氟掺杂的羟基磷灰石，并对合成氟羟基磷灰石的结构和性能进行了测定。

1 实验部分

1．1 FHA 的制备

按照Ca10(PO4)6(OH)2－2xFx的化学计量比称取Ca(NO3)2·4H2O，(NH4)2HPO4和NaF，并分别配成溶液。将(NH4)2HPO4溶液缓慢滴加到Ca(NO3)2·4H2O和NaF混合溶液中，用氨水调节pH值为10．0～11．0，同时快速搅拌，滴定完成后，继续搅拌60 min。静置陈化24 h。抽滤，反复洗涤。将滤饼置于干燥箱中70℃干燥24 h。最后放到马弗炉中于900℃温度下煅烧2 h，获得白色的FHAP粉末，反应流程如图1所示。实验通过控制反应溶液浓度和反应温度，分别合成了高温高浓度(70℃，0．5 mol/L)高温低浓度(70℃，0．1 mol/L)和常温低浓度(20℃，0．1 mol/L)等3种氟掺杂的羟基磷灰石样品Ca10(PO4)6(OH)2-2xFx(x=0．00，0．25，0．50，0．75，1．00)，化学反应式为:

图1 FHA的制备反应流程

1．2 FHA 的表征

采用日本理学D/MAX2500型X射线衍射仪对样品进行物相分析，Cu靶，管电压40 kV，管电流200 mA，扫描范围为20°～60°，扫描速度10°/min。利用FTIR-8900型傅立叶红外光谱仪测试样品的FT-IR图谱，采用KBr压片和空气参比方式采集红外数据，仪器的测量范围为400～4 000 cm－1;利用KYKY-2008型扫描电子显微镜(SEM)表征样品的表面形貌电压20 kV，电流为200 mA。

1．3 羟基磷灰石生物活性的测试

通过合成羟基磷灰石样品对氨基酸的吸附性能来表征样品的生物活性。称取氨基酸晶体粉末0．05 g于250 mL容量瓶定容后稀释20倍，震荡使其溶解，配成100 mL 10 mg·L－1的溶液。以水为空白，在400～190 nm波长范围内用紫外光谱仪对氨基酸溶液进行扫描，得氨基酸的紫外吸收光谱图，然后将一定量HA粉体加入到氨基酸溶液中，在振荡器上震荡一段时间，使其达到吸附平衡，离心，取上清液在相同波长范围内测紫外吸收光谱图。

2 结果与分析

2．1 XRD 物相分析

常温低浓度、高温低浓度和高温高浓度下合成Ca10(PO4)6(OH)2－2xFx品XRD谱图，与HA标准卡片(JCPDS 01-074-0566)对照可知，3种条件下均合成了FHA粉体，少量F的掺杂并没有改变HA晶体结构(图2～图4)。但是不同温度下合成HA晶体的分散性和结晶性稍有差别，高温下合成FHA晶型更完美，这说明不同温度下，溶解度不同，其成核速率和晶形定向排列的速度不同，晶形的生长就受影响。由XRD谱图还可以看出，随着F－掺杂量的增加，衍射峰位置有向大角度方向移动趋势，这是因为F－半径(0．132 nm)小于OH－半径(0．168 nm)，引起晶格收缩，晶格间距变小，衍射角度变大的缘故，并且更进一步证明F－取代了晶格中OH－的位置。

常温条件下合成的HA晶型生长不够完美，有杂质峰出现(图2)。在常温条件下，当x＞0．50时，衍射谱图上有CaF2的特征峰出现，而高温条件下则没有出现，这是因为高温条件下增加了CaF2的活性，加快了替换的进程。3种条件下，当x=0时衍射谱图上均出现了β-TCP(磷酸三钙)相，而掺氟后的FHA没有TCP的生成，可以推断是氟的掺入提高了HA的高温稳定性。

根据谢乐公式计算样品的平均晶粒尺寸，并通过Jade 5．0软件对合成FHA粉体的晶胞参数进行计算，结果如表1所示。谢乐公式如下:

公式中，D为平均晶粒尺寸(nm);K为谢乐常数，其值取0．89;λ为X射线波长，为0．154 056 nm;β为衍射峰的半峰宽(rad);θ为布拉格衍射角。

表1 高温高浓度下合成FHA的粒径与晶胞参数

随着氟掺杂量增加，FHA的粒径和晶胞参数呈逐渐减小的趋势(表1)。其原因可能为:(1)氟离子比羟基基团要小，氟离子为0．132 nm，而羟基为0．168 nm，因此通过氟取代量的增加，其晶格参数会相应减少;(2)F－和 OH－相比由于F－的电负性较氧原子要大，所以通过F－的强电负作用，对羟基基团中氢原子的吸使得OH-F-OH氢键键能增强，从而使得FHA晶格参数变小。

2．2 SEM 分析

高温高浓度下合成FHA样品的SEM照片如图5所示。可以看出，x=0．25时合成的FHA的粉体粒度较小，结构疏松，孔分布均匀，比表面积增大，类似于骨骼内部的填充物质结构。而x=0．50时FHA的整体粒度较大，孔较少，说明当x=0．25时合成FHA具有较强的生物吸附性能。根据Hidekazut，Akemiy，Kazukiko等FHA的形成机理［11］，在低氟浓度时，生成FHA之前可能先生成HA，之后F－再取代OH－形成FHA。在高氟浓度时，羟基磷灰石表面通过吸附氟离子形成CaF2，然后CaF2溶解产生F－，F－和OH－的交换，最后形成FHA。可以猜想x=0．50时FHA表面可能有部分CaF2沉积，CaF2溶解度较低，并不具有生物活性，因而导致其溶解性能和化学吸附性能都较x=0．25时差，生物活性降低。

图5 FHA粉体的扫描电子显微镜照片a:x=0．25，b:x=0．50

2．3 羟基磷灰石生物活性分析

图6～图8为不同条件下合成FHA材料吸附氨基酸的紫外谱图。可以看出，不同样品对谷氨酸都有明显的吸附作用，其中x=0．25时合成FHA吸附效果最好，x=1．00时最差，且高温高浓度条件制得的FHA效果更优。通过对比常温低浓度和高温低浓度合成样品紫外谱图可以看出，在低浓度下氟掺杂量的变化对FHA材料的吸附性能影响较小。由图8可以发现，当x＞0．25时，随着掺氟量的增加FHA对氨基酸的吸附性能逐渐降低，当x=0．75与x=1．00时FHA对氨基酸的吸附性能小于纯HA，这与XRD分析结果一致。原因可能为HA吸附氨基酸的能力较强，大量的的氨基酸分子吸附于FHA的表面，使FHA分子悬浮于上清液，使溶液的相对浓度增大，从而增大了溶液的吸光度。图9为3种条件下合成FHA中吸附性能最好的氨基酸溶液紫外谱图，可知高温高浓度下合成FHA具有更好的生物活性。

2．4 IR 分析

为确定是否是化学吸附导致FHA吸附能力发生变化，对吸附后的FHA进行红外分析。结果表明，700～400 cm－1间的吸收峰为Ca-O键的特征吸收峰，1 500～1 750 cm－1处为-COOH特征吸收峰，在3 573 cm－1处为-OH的吸收峰(图10)。

图6 常温低浓度条件下制备的FHA的紫外光谱

图7 高温低浓度条件下制备的FHA的紫外光谱

图8 高温高浓度条件下制备的FHA的紫外光谱

图9 三种条件下吸附性能最好的FHA吸附曲线

图10 不同氟掺杂量FHA吸附后产物的红外光谱

其中，-COOH和-OH的特征吸收峰只有x=0到x=0．50时存在，而x=0．75与x=1．00基本消失。因此可以推断，当x=0到x=0．50时FHA对谷氨酸的吸附为化学吸附。溶液的吸光度增大，化学吸附为影响因素之一。而x=0．75与x=1．00时，FHA并没有产生化学吸附。但此时溶液的吸光度仍然较纯氨基酸大，可以推断FHA的溶解也为影响因素之一。随着氟的加入FHA的化学吸附性并没有一直增强，说明氟的加入对FHA化学吸附性的影响也不是单一的。可以推断，氟的电负性较强，HA中氟的加入增强了FHA的表面电势，使氨基酸更强的吸附。但氟的离子半径较小，氟的加入可能会使FHA的晶型更加致密，使谷氨酸无法进入FHA的晶格之中。在x=0与x=0．25之间，氟的电负性的影响起主导作用，因而随着氟含量增加吸附性增强。在x大于0．25后，氟对晶体密度的影响起主导作用，因而随着氟含量的增加化学吸附性降低甚至消失。x=0．75和x=1．00的吸光度较HA的小，说明氟的加入也影响了FHA的溶解度，随着氟的加入，FHA的溶解度在不断减小。

3 结 论

采用液相共沉淀法在不同条件下合成了氟掺杂的羟基磷灰石材料，XRD和SEM分析显示少量氟的掺杂没有改变HA的结构，但明显影响了其生物活性，合成FHA材料为多孔结构。不同温度和不同氟掺杂量合成样品生物活性不同，其中高温高浓度下合成FHA生物活性较高，当氟掺杂量x=0．25时合成FHA粉体具有良好的生物活性与热稳定性，是一种良好的骨替代材料。但本次研究未开展生物学性能实验(如细胞实验)，缺少材料体外生物学性能评价，有待进一步深入研究。

［1］陈晓明，李世普．骨植入材料的表面特性与骨性结合［J］．武汉工业大学学报，1995，17(4):132-134．

［2］李世普．生物医用材料导论［M］．武汉:武汉工业大学出版社，2000．

［3］顾汉卿，徐国凤．生物医学材料学［M］．天津:天津科技翻译出版公司，1993．

［4］施尔畏，夏长泰，王步国．水热法的应用与发展［J］．无机材料学报，1996，11(2):193-206．

［5］韩颖超，王欣宇．自然烧结法合成纳米羟基磷灰石粉末［J］．硅酸盐学报，2002，30(3):387-389．

［6］张陵．智能材料在现代医学中的研究与应用概况［J］．生物医学工程学杂志，1997，14(1):69．

［7］赵廷超，陈伟民．机敏土建结构国内外研究现状［J］．中国材料工程，1996，34:56-61．

［8］王守德，刘福田，程新．智能材料及其应用进展［J］．济南大学学报，2002，16(1):98．

［9］缪钱江，方征平，蔡国平．自修复复合材料研究进展［J］．材料科学与工程学报，2004，22(2):301．

［10］Lim G K，Wang J，Ng S C，et al．Nanosized Hydroxyapatite Powders from Micro emulsions and Emulsions Stabilized by a Biodegradable Surfactant［J］．Mater Chem，1999(9):1 635-1 639．

［11］Tanaka H，Yasukawa K，Kandori K，et al．Surface structure and properties of fluoridated calcium hydroxyapatite［J］．Colloids and Surfaces:Physicochemical and Engineering Aspects，2002，204:251-259．