杨雪艳，安燕，胡鸣鸣，常爱香

（1.贵州广播电视大学，贵州贵阳550023；2.贵州大学化学与化工学院）



Sr-HAP/CS 复合凝胶的制备及生物矿化性能研究*

杨雪艳1，安燕2，胡鸣鸣2，常爱香2

（1.贵州广播电视大学，贵州贵阳550023；2.贵州大学化学与化工学院）

采用化学沉淀法-冷冻干燥法制备含锶羟基磷灰石/壳聚糖（Sr-HAP/CS）复合凝胶，比较羟基磷灰石/壳聚糖（HAP/CS）凝胶，研究了它们的组成、结构和生物矿化性能。产物经IR、XRD和SEM分析证实：HAP/CS和Sr-HAP/CS中无新化学键生成，主要成分为HAP、Sr-HAP和CS；XRD中Sr-HAP的特征峰比HAP相应峰尖锐，晶体粒径减小；2种凝胶内部为网状孔隙结构，物相分布均匀。矿化实验结果表明，2种复合凝胶在模拟体液（SBF）中浸泡，表面发生钙的溶解和沉积现象；15 d后，凝胶表面有明显白色絮状物，主要为HAP类物质，且Sr-HAP/CS凝胶表面沉积物量较多；复合凝胶均具有诱导成骨性，Sr-HAP/CS对促进无机成骨物的生长作用较强。

Sr-HAP；CS；复合凝胶；表征；矿化性能

羟基磷灰石（HAP）在成分和结构上与天然骨组织相似，属磷灰石类无机物，是一种重要的骨组织修复材料。研究证实，在羟基磷灰石中掺杂少量Sr2+形成含锶羟基磷灰石（Sr-HAP）可提高其生物相容性、抗菌性，增强骨生长诱导作用，促进矿化，利于骨组织的生长和修复［1-4］。磷灰石类无机物作为骨组织材料，脆性较大、抗疲劳性能差，力学性能不理想，限制了其在骨修复和替换中的应用。近年，羟基磷灰石类物质与天然高分子复合材料的研究非常活跃，该类材料利用高分子凝胶的含水量高、溶胀快、生物相容性好等特点，使用时造成创伤小、能任意塑形，对人体组织无毒、无害，可改善单一材料在力学和生物学性能上的不足，在骨材料应用领域具有极好的发展前景［5-10］。笔者采用化学沉淀法分别合成HAP和Sr-HAP前驱体，与壳聚糖混合，经冷冻干燥制备复合水凝胶，研究了产物的组成、结构以及生物矿化性能。

1　实验部分

1.1原料与仪器

原料：氯化钠、碳酸氢纳、氯化钾、磷酸氢二钾、无水氯化钙、无水硫酸钠、硫酸镁、氢氧化钾、钙指示剂、二甲酚橙、乙二胺四乙酸二钠（EDTA）、四水硝酸钙、磷酸氢二氨、无水乙醇（均为分析纯，天津光复科技发展有限公司）；三羟甲基氨基甲烷［（CH2OH）3CNH2，Tris，质量分数＞99.8%］、盐酸（质量分数36%～38%，天津市光复科技发展有限公司）；氨水（质量分数为25%～28%，重庆市川江化学试剂厂）；硝酸锶（分析纯，天津瑞金特化学品有限公司）；聚乙二醇-400（成都金山化学试剂有限公司）；壳聚糖（脱乙酰度＞90.0%黏度＜100 mPa·s，上海蓝季科技发展有限公司）；明胶（分子量为1×105，天津市科密欧化学试剂研发中心）；去离子水（自制）。

仪器：JDT-2A型数字式精密温度温差测量仪、DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器、聚乙烯瓶、PHS-3C型精密pH计、HK-2A型超级恒温水浴、ALPHA 1-4 LSC型冷冻干燥机、X′pertPRO X衍射仪、JSM-6490LV HK-1D型扫描电镜、WGH-30双光束红外吸收光谱仪。

1.2实验方法

1.2.1复合凝胶的制备

采用化学沉淀法分别合成HAP和Sr-HAP前驱体［2］，与CS溶液混合形成HAP/CS和Sr-HAP/CS前驱体，经冷冻-解冻制备各复合凝胶产物。图1为工艺流程图。

图1　HAP/CS凝胶工艺流程示意图

1.2.2产物表征方法

分别用红外光谱（IR）、X衍射谱图（XRD）、扫描电镜（SEM）检测分析产物组成、结构等。采用Schrrer公式，通过读取XRD谱图上最强衍射峰半高宽及衍射角的大小估算晶粒的平均粒径。

1.2.3生物矿化实验

作为骨组织修复材料，生物矿化性能是一个重要的考察指标［5-6］。

1）模拟体液（SBF）配制。表1为SBF溶液的组成。按表1中的顺序和加入量将各药品依次溶解于去离子水中，在37℃水浴条件下配制1 000 mL模拟体液，以Tris为缓冲溶液调节pH，冰箱冷藏备用［5］。

表1　SBF溶液的组成

2）矿化实验。①实验设计。将SBF溶液分别加入一定量的HAP/CS、Sr-HAP/CS凝胶中（固液比为75∶100，mg/mL），置于37℃恒温水浴中浸泡，在不同浸泡时间取样分析SBF中的Ca2+和pH；浸泡15 d后对产物表面进行SEM检测与XRD分析。矿化实验设计见表2。

表2　SBF浸泡实验

②Ca2+含量测定。采用EDTA法测定Ca2+含量［5-6］。钙质量分数的计算式：

w（Ca）=cν×10-3×40.08

式中，c和ν分别表示EDTA的浓度和用量。

2　实验结果与讨论

2.1产物的表征

2.1.1IR分析

图2为HAP/CS、Sr-HAP/CS凝胶的IR谱图。由图2a可知，3 455 cm-1处为O—H、N—H的吸收峰，1 640 cm-1处为壳聚糖中残余乙酰氨基中的C=O吸收峰，1 540 cm-1处为—NH2吸收蜂，1 385、1 458 cm-1处为壳聚糖中烷基吸收峰，977 cm-1处为PO43-的对称伸缩振动峰，500～580 cm-1附近的吸收带是由PO43-弯曲振动引起的。由图2b可见，3 440 cm-1处有O—H、N—H吸收峰，1 621 cm-1处为CS中残余乙酰氨基中C=O的吸收峰；1 400 cm-1处为CS的烷基吸收峰，1 100 cm-1处为C—OH吸收峰，975 cm-1峰是由PO43-对称伸缩引起的；500～610 cm-1吸收峰是由PO43-弯曲振动引起的。将图2与HAP和CS的IR谱图作比较，发现CS分子与无机物（HAP和Sr-HAP）之间仅有氢键形成，无其他化学键生成。

图2　复合凝胶的IR谱图

结果表明，复合凝胶主要由HAP、Sr-HAP和CS组成，凝胶形成过程中除了CS与HAP、Sr-HAP分子之间有氢键产生外并无新化学键生成，未见反应。

2.1.2XRD分析

图3为HAP/CS、Sr-HAP/CS凝胶的XRD谱图。由图3a可见，在25.83°及32.5°处出现强烈的衍射峰，是HAP的特征峰，图中还观察到HAP的其他特征衍射峰，各峰与HAP的JCPDS标准卡片（024-0033）基本吻合，计算得到晶体平均粒径为34.29 nm。将图3b与图3a对比发现，Sr-HAP/CS凝胶中的特征峰逐渐锐化，31.881°出现尖锐清晰的特征峰，计算得知晶体平均粒径为30.56 nm，原因分析：Sr2+取代了Ca2+，使HAP的晶格发生畸变，使晶体粒径减小。

图3　复合凝胶XRD谱图

2.1.3SEM分析

图（4a～4c）和图（4d～4f）分别为HAP/CS和Sr-HAP/CS凝胶的内部截面SEM照片。由图4可见，2种凝胶内部结构相似，物相分布均匀，无相分离，可见HAP、Sr-HAP与CS相容性良好。凝胶截面为网络孔隙结构，大孔直径约为100 μm，中间贯穿有20 μm左右的小孔。在水凝胶形成过程中HAP和CS交联的网格中存在大量的水分子，当冷冻干燥时这些被水分子充满的孔洞随着水分蒸发，在原有的位置上会留下孔隙，这种结构有利于水分和无机盐的代谢、细胞和组织的生长繁殖，还为凝胶提供了良好的可渗透性和吸附性。

图4　CS/M-HAP水凝胶内部SEM照片

2.2凝胶的矿化实验

2.2.1浸泡时间、pH与Ca2+含量的关系

图5为复合凝胶在SBF中浸泡后Ca2+含量的测定结果。由图5可见，HAP/CS和Sr-HAP/CS在SBF中浸泡后，Ca2+的含量均发生了改变，且变化趋势相似。在3～12 h内，SBF中Ca2+含量下降幅度较大，这是因为浸泡初期凝胶表面与溶液中Ca2+发生作用，有钙磷化合物（可能为含碳酸根的磷灰石）的沉积，SBF中的Ca2+被吸附到表面，溶液中Ca2+含量减少，12 h时达到最低值。随着时间的延长，在12～24 h时，2组溶液中的Ca2+含量迅速上升，说明表面钙磷化合物又能溶解出Ca2+；当达到24～96 h时，SBF中Ca2+的浓度上升变缓慢至平衡。因此可认为凝胶浸泡过程，表面的沉积与溶解是一动态过程。

从图5还可见，Sr-HAP/CS中Ca2+的下降值小于HAP/CS凝胶，平衡时Ca2+的含量较高，表明在SBF中，Sr-HAP对Ca2+的含量维持能力较强，有利于骨组织生长。

图6为浸泡过程中，SBF溶液pH随时间的变化（37℃）。凝胶在SBF溶液中浸泡，其表面会发生变化，有类骨磷灰石物质的形成和金属离子的溶出等，导致溶液pH的改变。比较图6中2种凝胶浸泡后溶液pH，在12 h内，随着时间的延长，溶液的pH降低；浸泡12～24 h，溶液的pH急剧上升。浸泡初期，凝胶表面金属离子发生水合作用溶解；而后金属离子与溶液中的酸根、OH-形成磷灰石物质附着沉积。浸泡48 h后，SBF中凝胶表面的溶解与沉积达到动态平衡，溶液的pH趋于稳定。浸泡Sr-HAP/CS溶液的pH上升幅度稍大于HAP/CS溶液，可能是形成的Sr（OH）2碱性强于Ca（OH）2。

图5　浸泡时间与Ca2+含量的关系

图6　浸泡时间与pH的关系

2.2.2SEM分析

图7为未浸泡和经15 d浸泡后的HAP/CS和Sr-HAP/CS凝胶的SEM照片。由图7可见，浸泡后的HAP/CS与Sr-HAP/CS表面均附有乳白色沉积物，后者表面颗粒状物质较前者多，表明Sr-HAP更容易促进类骨磷灰石物质的形成。

图7　浸泡前后凝胶表面SEM照片

2.2.3XRD分析

HAP/CS与Sr-HAP/CS凝胶浸泡15 d后表面生成的物质用乙醇溶液超声法获取，进行XRD测试，结果见图8。由图8可知，谱图中有HAP的主要衍射峰，证实表面沉积物为羟基磷灰石类物质。

图8　复合凝胶表面物质的XRD谱图

3　结论

采用化学沉淀法-冷冻干燥制备HAP/CS和Sr-HAP/CS复合水凝胶，研究了它们的组成、结构和矿化性能对比实验。

1）实验方法制备的HAP/CS和Sr-HAP/CS复合凝胶组成为HAP、CS和Sr-HAP、CS，无新物质生成；后者晶体粒径小于前者，平均粒径为30.56 nm；2种凝胶内部结构相似，物相分布均匀，HAP类无机物与CS有良好相容性。2）凝胶产物是一种连通的网络结构，大孔直径约为200 μm，中间贯穿有20 μm左右的小孔，说明HAP类物质的加入不影响CS的多孔结构，可以满足理想组织修复材料高孔隙率的要求。3）矿化实验表明，凝胶浸泡在SBF中，其表面发生沉积与溶解的动态过程，Sr-HAP/CS对Ca2+含量维持能力较HAP/CS强，更利于骨组织生长。浸泡15 d后，凝胶表面有白色的絮状物生长，且Sr-HAP/CS表面沉积物较多，主要为HAP类物质。复合凝胶均具有诱导成骨性，Sr-HAP/CS诱导能力较强。

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联系方式：491260615@qq.com

Studies on preparation and biomineralization performance of Sr-HAP/CS composite gel

Yang Xueyan1，An Yan2，Hu Mingming2，Chang Aixiang2
（1.Guizhou Radio＆TV University，Guiyang 550023，China；2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Guizhou University）

Strontium-doped hydroxyapatite/chitosan composite gel（Sr-HAP/CS）was prepared by chemical precipitationfreeze-drying process.Compared with hydroxyapatite/chitosan gel（HAP/CS），their compositions，structures，and biomineralization performances were studied.The products were confirmed by IR，XRD，and SEM analysis：The HAP/CS and Sr-HAP/CS were mainly constitutive of HAP，Sr-HAP，and CS，and there was no new chemical bonds formed.Sr-HAP characteristic peak in XRD was sharp than HAP，and its crystal diameter decreased.The internal structure of two kinds of gel present reticular and pore on disperse uniformly.Results showed that the mineralized experiment，dissolution，and deposition of calcium on surface were produced for two kinds of compound gel soaked in simulated body fluid（SBF）.After 15 d the gel surface had obvious white flocks which were mainly the HAP，and Sr-HAP/CS′s was more in quantity.Compound gel had induced into osseous，and the promotion effect of Sr-HAP/CS to the growth of inorganic osteogenesis content was stronger.

Sr-HAP；CS；composite gel；characterization；mineralization performance

TQ132.2

A

1006-4990（2016）08-0026-04

贵州省科学技术基金项目（黔科合J字2013-2131）、贵州大学教改项目（JG2013052）。

2016-02-10

杨雪艳（1964—），女，硕士，教授，主要研究方向为生物复合材料。

安燕