赖荣辉, 董平江, 翟涛, 罗建斌

(西南民族大学化学与环境保护工程学院, 四川 成都 610041)

包载铜离子无定形磷酸钙的制备及表征

赖荣辉, 董平江, 翟涛, 罗建斌

(西南民族大学化学与环境保护工程学院, 四川 成都 610041)

采用共沉淀法并加入有机双膦酸作为改性剂, 制备出了能够包载铜离子的稳定的无定形磷酸钙. 通过傅立叶红外吸收光谱分析(FTIR), X射线衍射(XRD), 热重分析(TGA)对材料的化学结构和组成进行了表征. FTIR和TGA表明有机双膦酸能够稳定的接到磷酸钙上使磷酸钙的结晶度降低. XRD表明材料能够稳定的包载铜离子并具有无定形结构.

无定形磷酸钙; 铜离子; 载体; 有机双磷酸

抗菌材料广泛的用于人们的日常生活中, 根据材料的不同, 抗菌可分为有机抗菌材料和无机抗菌材料两大类[1]. 然而有机抗菌材料的不稳定性、有毒、抗菌单一、易产生耐药性以及不利于高温加工等缺点而限制了其的应用范围[2]. 无机材料则不同, 其具有优良的稳定性、无毒、抗菌谱广、不易产生耐药性并且利于加工等优点而被广泛的研究. 无机抗菌材料主要由银、锌、铜等金属离子为抗菌剂和以多孔, 比表面积大的无机非金属材料为载体组成[3]. 目前无机非金属材料载体主要有磷酸盐, 玻璃以及硅酸盐矿物等[4-6]. 通过以银离子为抗菌剂, 沸石、羟基磷灰石等为载体的抗菌材料虽然取得了很好的效果, 但是银为贵金属, 价格昴贵并且银离子在光照条件下易变色, 遇见一些与其能发生沉淀的物质, 如Cl-, SO42-, S2-等都会使之失去抗菌的活性. 锌虽然便宜但是抗菌效果却不明显. 铜离子与前两者比较, 具有价格低, 抗菌效果虽小于银的抗菌效果但却大于锌的. 此外铜离子的化学性质较稳定, 对环境污染不大, 具有广阔的应用前景[7].

磷酸钙, 是脊椎骨动物体内骨和牙齿的主要矿物成分, 具有很好的生物相容性、良好的骨诱导作用和生物活性. 故常用作人体外骨的植入和药物载体的研究[8-10]. 磷酸钙主要有: 羟基磷灰石(HA)、磷酸三钙(TCP)、无定形磷酸钙 (ACP)等. 从热力学观点来看, 无定形材料是最佳的亚稳态[11]. 然而, 无定形磷酸很不稳定, 因为在形成的初期就会很快转变为相对稳定的羟基磷灰石而不能得到无定形产物, 故要得到无定形磷酸钙需要在沉淀过程几分钟内收集, 然后通过冷冻干燥得到, 并且产物需保存在低温下[12].

近年来, 利用磷酸钙作为载体装载铜离子的研究也有了长足的发展, 然而这些研究对于铜离子的包载都是通过磷酸钙的吸附作用, 而将铜离子吸附于磷酸钙表面, 虽然有杀菌的效果, 但是也存在着一定的缺点, 如表面的铜离子因为会流失而不能起到长期的杀菌作用；另外, 铜离子虽然低毒性, 然而仍对人体有一定的伤害, 表面吸附的铜离子可能会产生突释现象, 而使得局部浓度过大, 可能对人体产生毒害作用[7,13]. 通过包载并替代磷酸钙中的一些钙的位置的铜离子, 就可以避免这种突释现象, 缓慢的向外界释放铜离子, 从而能够起到长期杀菌的作用.

本文选用N,N-二甲基丙基-N’,N’-二亚甲基双膦酸(NDBP)为改性剂, 通过共沉淀法, 制备出了能够稳定存在的、通过键能作用包载铜离子的无定形磷酸钙.

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

N,N-二甲基-1,3-丙二胺购于阿达玛斯试剂(上海)有限公司, 氨水(质量分数为25～28%)和磷酸氢二钠

Na2HPO4·12H2O 购于成都金山化学试剂有限公司；甲醛(质量分数为 37～40%)、硝酸钙(CaCl2·6H2O)、盐酸和亚磷酸 (H3PO3) 购于成都科龙化工试剂厂, 以上试剂均为分析纯. 红外光谱仪, 型号为IR200(美国Thermo Electron 公司, FTIR),扫描范围500～4000 cm-1, 扫描次数为20次, 分辨率为4cm-1；X-ray衍射仪；热重分析仪, 型号Q600 (美国Thermal Analysis 公司, TGA), 扫描范围20-800 ˚C, 升温速率10 ˚C/min, 用连续的液态氮气进行冷却和保护(氮气流速50 mL/min).

1.2 实验过程

1.2.1 N,N-二甲基丙基-N’,N’-二亚甲基双膦酸(NDBP)的合成[14]

方程1. DBNP的合成路线Scheme 1. The synthetic route of NDBP

将2.32 g (0.02 mol) 的N,N-二甲基-1,3-丙二胺和3.28 g (0.04 mol) H3PO3置于150 ml的三颈烧瓶中, 加入56 ml 去离子水, 然后将三颈烧瓶置于冰盐浴中冷却, 随后缓慢向反应器中滴加10.8 ml 浓盐酸, 滴加完浓盐酸后,加热到90 ˚C, 向瓶内缓慢滴加甲醛, 滴加完后继续升温至102 ˚C, 3小时后停止反应. 所得产物除去溶剂后用无水乙醇洗涤数次后除去无水乙醇, 80 ˚C真空干燥后于干燥处保存. 产物由核磁表征, 数据如下:1H NMR (D2O): δ 2.15 (m, 2H, C–CH2–C), 2.79–3.12 (s, 6H, –CH3), 3.22–3.26 (d, 4H, N–CH2–P), 3.41–3.45 (m, 4H, N–CH2–C);13C NMR (D2O): δ 54.09(d, N–CH2–P), 53.14 (–CH2–N), 51.78 (N–CH2–), 42.81 (–CH3), 19.13(C–CH2–C); FTIR (cm-1): 3435.48 (νP–OH), 1473.83 (νP=O), 923.32 (νP–O).

1.2.2 包载铜离子的无定形磷酸钙的合成

载铜为钙离子摩尔量10%的载铜ACP(命名为Cu10)的制备将详细给出, 如下:

称取无机磷源Na2HPO4, 0.0645 g (0.18 mmol)·和有机磷源NDBP, 0.0609 g (0.21 mmol, 占总磷源的摩尔分数为70%) 于100 mol 圆底烧瓶中并加入25 ml 去离子水为A液, 称取0.2191 g (1 mmol) CaCl2·6H2O 于50 ml 烧杯中, 加入5 ml 去离子水溶解为B液. A, B液均由浓氨水调pH至10.5. 在剧烈搅拌下将B液缓慢滴加到A液中, 滴加后继续搅拌5 分钟, 然后用超声仪超声30 分钟后移入55 ˚C 的油浴中反应5小时后, 取出再次放入超声仪中超声分散30分钟. 将所得产物放于室温, 陈化24小时, 得到的产物为蓝色透明胶体分散液. 将透明胶体于离心机中以15000 转/分钟的转速离心分离, 得到的胶状物经冷冻干燥得到白色粉末.

按上述方法同时还制备了载铜25% 和50%的ACP(命名为Cu25 和 Cu50), 以及参照样ACP (命名为Cu0)和无改性剂的磷酸钙(命名为CaP).

2 表征

2.1 傅立叶变换红外谱(FTIR)

分别取前面准备的样品1 mg 与约0.1 g KBr 混合压片, 用红外光谱仪(型号IR200)进行测定, 扫描范围: 500～4000 cm-1, 每个样品扫描为20次, 分辨率为4 cm-1.

2.2 X-Ray 衍射图谱(XRD)

参数设定: Cu Kα, 电压为36 KV, 电流为20 mA, 输出功率为20 KW；扫描范围为: 2θ = 10～60 ˚, 步长为4 ˚/分钟.

2.3 热重

分别取少量样品: 8～10 mg 于热重分析仪TGA/SDTA851e内进行测定, 测定的温度范围: 25～800 ˚C

3 结果与讨论

3.1 红外光谱分析

图1 样品的红外光谱图: (a) CaP, (b) Cu0, (c) Cu10, (d) Cu25, (e) Cu50, (f) NDBPFig. 1 FTIR spectra of samples: (a) CaP, (b) Cu0, (c) Cu10, (d) Cu25, (e) Cu50, (f) NDBP

图1中谱线a,b,c,d,e, f分别为CaP, Cu0, Cu10, Cu25, Cu50, NDBP的红外吸收谱线, 其中谱线f, 在2964 cm-1和2765 cm-1处分别为CH3和CH2的吸收峰, 为NDBP的有机链的特征吸收峰. 对比图1中的a, b ,c ,d, e可以看出b ,c ,d, e 四条谱线在2964 cm-1和2765 cm-1处均出现了吸收峰, 而a 谱线却没有出现, 这说明了NDBP作为有机膦源能够稳定的接到磷酸钙的表面, 通过下面的热重分析测试也证明了有机膦酸的存在. 570 cm-1处为PO43-的吸收峰, a谱线在570 cm-1附近有一较强的吸收峰并伴随着裂分, 说明CaP样品的结晶度很好, 然而对于b, c, d, e 这四条谱线在570 cm-1处的吸收峰未发生裂分, 证明Cu0, Cu10, Cu25, Cu50这是个样品是未结晶的.这也在后面的XRD表征中得到了证明.

3.2 XRD图谱分析

图2 为磷酸钙各样的XRD衍射图谱, 根据标准卡片ICDD/JCPDS NO. 9-0342 可知道CaP为羟基磷灰石.而Cu0 的谱线在2θ=30˚ 处存在明显的馒头型宽峰, 这充分的说明了该样品为无定形磷酸钙. Cu10 由于Cu的含量较少, 所以没有出现明显的铜离子的XRD衍射峰, 但是在2θ=30˚ 处也出现了馒头型宽峰, 这说明了Cu10样品为无定形物质. 对于Cu25 的XRD衍射图谱, 在2θ=32˚和2θ=46˚处出现了明显的尖峰, 根据标准卡片ICDD/JCPDS NO. 46-0403 可知Cu0为磷酸铜钙(Ca19Cu2(PO4)4, 但由于有NDBP的存在, 降低了其结晶性度, 使得有的衍射峰并不明显, 而成无定形结构. 出现这种现象的原因是因为Cu的含量适中, 从而使得Ca2+, Cu2+, 和PO43-离子三者之间能够有序的结合, 然而又因有NDBP的存在, 而结晶又不完全, 所以就只出现了部分尖峰的谱图. Cu50谱线, 没有出现明显的尖峰, 而出现的是比较宽的馒头峰, 说明Cu50为无定形结构. 从XRD图谱上来看, Cu离子以磷酸钙的一部分装载进入磷酸钙载体中, 形成了较为稳定的化学键, 这样就避免了在做抗菌材料时, 铜离子会出现突释的现象. 并且这也能长期的缓慢的释放铜离子, 而达到长效抗菌的目的.

图2 经过有机磷酸NDBP等改：性川的西不獐同牙载菜铜多量糖的的磷提酸取钙及以含及量纯测磷定酸钙样品的XRD衍射图谱Fig. 2 The XRD patterns of calcium phosphate modified by the organic phosphate with loading different content of copper and the sample of pure calcium phosphate.

3.3 热重分析

图3 经过有机磷酸NDBP改性的不同载铜量的磷酸钙以及纯磷酸钙样品的热重图谱Fig. 3 TG graphs of calcium phosphate modified by the organic phosphate with loading different content of copper and the sample of pure calcium phosphate

图3为各样品的热重曲线图, 从图3可以看出, Cu0, Cu10, Cu25, Cu50因为有NDBP的存在而走势明显地与CaP不同. 在25～105 ˚C这一温度区间内, 五条曲线的下降趋势都是一样的, 这里都是吸附水蒸发后损失的质量.

但是损失的量却也有所不同, CaP损失的量最小约为7.5%, 而Cu0损失的最多约为20%, 这是因为结晶性越好的材料, 其表面越规整, 就不易吸水, 相反结晶性越不好的材料吸水性能越好, 这与前面的XRD中可以看出CaP的结晶性最好, Cu0的结晶性最差相对应. 在200～300 ˚C这一区间上所有的样品都出现了明显的质量损失, 这是因为样品里存在结晶水的缘故. 在300 ˚C以后, CaP就的热重曲线就变得平缓, 而Cu0, Cu10, Cu25, Cu50这四个样品的曲线仍有质量损失, 这就充分的说明了Cu0, Cu10, Cu25, Cu50上存在着改性剂NDBP, 与前面的红外吸收谱图相对应.

4 结论

通过共沉淀法并加入有机双膦酸DNBP为改性剂, 得到了稳定的无定形的包载铜离子的磷酸钙, 并且铜离子能够与磷酸钙的形成稳定的化学键, 能够避免在作为抗菌材料的时候发生突释现象, 而达到缓释长效抗菌的作用.

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The preparation and characterization of amorphous calcium phosphate with copper ions loaded

LAI Rong-hui, DONG Ping-jiang, ZHAI Tao, LUO Jian-bin
(School of Chemistry and Environmental Protection Engineering, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, P.R.C.)

A kind of stable amorphous calcium phosphate was prepared using organic bisphosphate as a modifer by coprecipitation method and the amorphous calcium phosphate can load copper ions. Fourier transform infrared (FTIR) and thermal gravimetric analysis (TGA) indicated that organic bisphosphate is successfully linked with calcium phosphate and reduces the degree of crystallinity of calcium phosphate. X-ray diffraction (XRD) result showed the material having amorphous structure could load and stabilize copper ions.

Amorphous calcium phosphate; copper ions; carrier; organic bisphosphate.

R318.08

: A

: 1003-4271(2014)03-0364-05

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.03.08

2014-01-09

罗建斌(1965-), 男, 汉族, 陕西富平人, 副教授, 博士, E-mail: luojb1971@163.com.