陈继伟，沈 娟，胡文远，齐永成

(西南科技大学 材料科学与工程学院, 四川 绵阳 621010)



以碳酸钙为模板制备空心羟基磷灰石微球及其表征*

陈继伟，沈 娟，胡文远，齐永成

(西南科技大学 材料科学与工程学院, 四川 绵阳 621010)

以碳酸钙为模板和钙源，与磷酸氢二铵通过水热反应，制备出尺寸均匀、形态规则的空心羟基磷灰石微球。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)测试制备的样品，结果显示，制备的空心羟基磷灰石微球具有与碳酸钙微球模板相似的形貌，空心，尺寸均匀且形貌规则。并通过改变水热反应时间探索了羟基磷灰石微球的形成机理。此羟基磷灰石空心微球在生物医学领域具有较大的应用前景。

羟基磷灰石；空心微球；碳酸钙；水热法；形成机理

0 引 言

羟基磷灰石具有与生物体骨骼的无机成分相似的结构和组成，决定了其具有良好的生物相容性、生物活性和骨传导性能[1-2]，因此，羟基磷灰石被广泛应用于生物医学领域，如药物传输[3-4]和组织修复[5-7]等方面。而羟基磷灰石的形貌及性质决定了羟基磷灰石的应用，空心羟基磷灰石微球具有较大的比表面积，在药物传输和组织修复中具有更广阔的应用前景。

制备羟基磷灰石微球的方法较多，但大多制备方法较复杂或对设备要求较高，如喷雾干燥[8-9]需要较复杂的实验过程和较高设备要求，Xiao等[11]采用玻璃转化法制备出规则的羟基磷灰石微球，但制备温度为1 200 ℃，而且消耗大量的原料。其它制备羟基磷灰石微球的方法大多采用有机试剂[12-14]，这严重影响了羟基磷灰石微球在生物体中的应用。本文利用自制的碳酸钙微球作为模板，不采用有机试剂利用水热法制备出空心羟基磷灰石微球。水热反应时间直接影响羟基磷灰石微球的质量，尤其是在固液离子交换反应中，水热反应时间对羟基磷灰石微球的转化具有较大的影响，而此类的研究报道却较少。本文采用较少种类的试剂且整个实验过程不采用对生物体有毒的有机试剂制备出空心羟基磷灰石微球，并通过控制水热反应时间的不同，探索了羟基磷灰石微球的形成机理。

1 实 验

1.1 实验试剂

无水氯化钙(CaCl2，ACS)，阿拉丁化学有限公司；无水碳酸钠(Na2CO3，AR)，磷酸氢二铵((NH4)2HPO4，AR)和一水柠檬酸(C6H8O7·H2O, AR)均来自于成都市科龙化工试剂厂；氢氧化钠(NaOH，AR)，成都联合化工研究所。

1.2 仪器与设备

Ultra 55场发射扫描电子显微镜，德国蔡司仪器公司； Libra 200FE 透射电子显微镜，德国蔡司仪器公司；X’Pert PRO多功能X射线衍射仪，荷兰帕纳科公司；Spectrum One 型傅里叶变换红外光谱仪，美国PE仪器公司。

1.3 碳酸钙微球的制备

碳酸钙的制备采用与文献[15]报道中类似的方法。称取0.1 mol的一水柠檬酸加入100 mL CaCl2浓度为0.5 mol/L的溶液中，搅拌使其溶解均匀，用1.0 mol/L 的NaOH溶液调节溶液的pH值为5.8，搅拌下快速倒入100 mL 0.5 mol/L的Na2CO3溶液，混合均匀后静置沉降24 h。过滤，用蒸馏水洗涤数次，50 ℃烘干。

1.4 空心羟基磷灰石微球的制备

0.0024 mol的(NH4)2HPO4在40 mL蒸馏水中充分溶解，加入0.004 mol实验室制备的CaCO3(钙磷摩尔比为5∶3)，用1.0 mol/L的NaOH溶液调节溶液的pH值为12.0，转入40 mL的聚四氟乙烯压力釜中140 ℃水热一定时间(15，28和40 h)。自然冷却至室温，用蒸馏水洗涤数次，50 ℃干燥24 h。

2 结果与讨论

2.1 碳酸钙微球的表征

图1和2分别为实验室制备的碳酸钙微球的XRD图和FT-IR图。样品的X射线衍射峰尖锐，说明结晶性良好。对照方解石(JCPDS 5-586)和球霰石(JCPDS33-268)的X射线衍射标准卡片发现样品由方解石和球霰石两种晶型构成。碳酸钙具有方解石、文石和球霰石3种常见的晶型，方解石热力学最稳定，

图1 制备的碳酸钙微球的XRD图(C=方解石，V=球霰石)

Fig 1 XRD spectrum of as-prepared calcium carbonate microspheres (C=calcite, V=vaterite)

图2 制备的碳酸钙的FT-IR图

Fig 2 FT-IR spectrum of as-prepared calcium carbonate microspheres

球霰石最不稳定[16]，通常制备的碳酸钙均为方解石。因此可以推断柠檬酸的添加促进了球霰石的产生。从FT-IR图中可以看出，样品在712和874 cm-1处出现方解石的特征吸收峰，而745 cm-1处的峰值是球霰石的特征峰[17-19]，再次证明了制备的碳酸钙微球具有方解石和球霰石两种晶型。FT-IR图谱在1 490 cm-1处出现较强非晶碳酸钙的吸收峰，说明制备的碳酸钙样品中含有一定量的非晶碳酸钙，这可能是柠檬酸的加入抑制了碳酸钙的结晶，在产生球霰石的同时产生了部分非晶碳酸钙。

2.2 空心羟基磷灰石微球的表征

图3 水热反应不同时间碳酸钙转化成羟基磷灰石微球的XRD图

Fig 3 XRD spectra of calcium carbonate microspheres prepared hollow hydroxyapatite microspheres by hydrothermal different time

图4 水热反应不同时间碳酸钙转化成羟基磷灰石微球的FT-IR图

Fig 4 FT-IR spectra of calcium carbonate microspheres prepared hollow hydroxyapatite microspheres by hydrothermal different time

2.3 空心羟基磷灰石微球的形貌

以碳酸钙微球为模板制备羟基磷灰石微球，碳酸钙的形貌直接影响羟基磷灰石微球的形貌。图5是以本文制备的碳酸钙微球为模板制备的羟基磷灰石微球。从图中可以看出，制备的空心HAp微球与作为原料的碳酸钙微球形貌一致，球形度较高，且分散性良好。随着水热反应时间的增长，图5(a)、(c)和(e)中碎片增多，说明随着水热时间的增加，制备的空心HAp微球逐渐破碎，成球率降低。由图5(b)、(d)和(f)可以看出，制备的羟基磷灰石球是由六方柱形和其它形貌的小颗粒组成，且随着水热时间的增加，六方柱形颗粒的量逐渐增加，其它形貌颗粒逐渐减少。一般羟基磷灰石呈现六方柱状，推测六方柱状颗粒为羟基磷灰石，其它形貌颗粒为碳酸钙颗粒，随着水热时间的增长，碳酸钙逐渐转化为羟基磷灰石，因此碳酸钙逐渐减少，羟基磷灰石逐渐增多。水热反应时间较短时(图5(a)和(b))，微球表面基本无缺损，水热反应时间增长到28 h时，由图5(c)可以看出有部分残缺球出现，而且球面中心凹陷(图5(d))。水热反应时间为40 h时，由图5(e)可以看出残缺碎片进一步增加，而图5(f)可以清楚地看出制备的羟基磷灰石空心。图6为对应样品的透射电镜图，水热反应15 h时，微球为实心微球，随水热反应时间的增加，微球中心有透射光通过，随着水热反应时间的进一步增加，当水热反应时间达到40 h时，微球变为空心微球。由图中可以明显的看出随着水热反应时间的增长，微球逐渐成为空心微球的过程。

图5 水热反应不同时间碳酸钙转化成羟基磷灰石微球的FESEM图

Fig 5 FESEM images of calcium carbonate microspheres prepared hollow hydroxyapatite microspheres by hydrothermal different time

图6 水热反应不同时间碳酸钙转羟基磷灰石微球的TEM图

Fig 6 TEM images of calcium carbonate microspheres prepared hollow hydroxyapatite microspheres by hydrothermal different time

2.4 空心羟基磷灰石微球的成球机理

碳酸钙微球与磷酸氢二铵溶液在水热条件下反应制备羟基磷灰石。由氢氧化钠调节反应开始时的pH值，水热反应温度为140 ℃。反应体系形成高温高压环境，而碳酸钙微溶于水，因此反应可以认为是高温高压下的固液离子交换反应[21]。溶液中，存在如下反应

(1)

(2)

(3)

Ca10-x-y/2(HPO4)x(PO4)6-x-y(CO3)y(OH)2-x

(4)

反应产物不易溶于水，进一步促进方程(1)碳酸钙的水解。随水热时间的增加，碳酸钙微球中碳酸钙量进一步减少，产生的羟基磷酸钙量进一步增加。这与XRD图和FT-IR图显示的一致。随着反应时间增加，溶液对碳酸钙微球的侵蚀进一步增加，微球的缺陷增多，破碎产生的碎片逐渐增多，而且随着反应(1)和(4)的进行，反应(4)产生的物质不易溶于水，产生沉淀，形成碎片或附着于碳酸钙微球表面(图7(c))。因此随着反应时间的增加，反应产生的碎片增多，这与图5显示的一致。

图7 碳酸钙微球水热法制备空心羟基磷灰石微球的机理图

3 结 论

采用自制的碳酸钙微球为模板，制备了粒径约为800 nm～2 μm形态均匀、尺寸一致的空心羟基磷灰石微球。通过改变水热反应时间，发现水热反应时间不但影响碳酸钙的转化率，也影响羟基磷灰石的结晶性。水热反应时间为40 h时碳酸钙微球基本完全转化为羟基磷灰石微球，且呈空心状态。水热时间越长，碳酸钙转化率越大，羟基磷灰石的结晶性越低。这种方法制备的空心羟基磷灰石采用较少的试剂，呈球性较好，在医学领域具有潜在的应用前景。

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Preparation and characterization of hollow hydroxyapatite microspheres used calcium carbonate as template

CHEN Jiwei,SHEN Juan, HU Wenyuan,QI Yongcheng

(School of Materials Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010, China)

Uniform and hollow hydroxyapatite microspheres were prepared by calcium carbonate as the template with diammonium phosphate using hydrothermal method. As-prepared hollow hydroxyapatite microspheres were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), Field emission scanning electron microscopy (FESEM) and Transmission electron microscopy (TEM). Results showed that as-prepared hollow hydroxyapatite microspheres had the similar morphology and size with calcium carbonate microspheres. The formation mechanism of prepared hollow hydroxyapatite microspheres was explored by changed the reaction time. Therefore, as-prepared hollow hydroxyapatite microspheres have great application prospect in the biomedical field.

hydroxyapatite; hollow microspheres; calcium carbonate; hydrothermal method; formation mechanism

1001-9731(2016)04-04169-05

国家自然科学基金资助项目(21201142)；四川省科技厅应用基础资助项目(2015JY0147)

2015-05-25

2015-09-17 通讯作者：沈 娟，E-mail: sj-shenjuan@163.com，胡文远

陈继伟 (1989-)，男，河南漯河人，硕士，师承沈娟副研究员，从事生物医学材料研究。

TQ174.75

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.04.034