水热法制备纳米羟基磷灰石毕业论文Word格式.docx
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Hydrothermalsynthesisofhydroxyapatite
Abstract：
Hydroxyapatitehasbeenwidelyusedinbiomedicalfieldasitsgoodbiocompatibility.TheproteinadsorptionattractedincreasingattentioninthefieldofHAbasedbiomaterials.Inthispaper,hydroxyapatitewassynthesizedbythehydrothermalmethodusingcalciumnitrate（Ca（NO3）2）andammoniumphosphate（（NH4）3PO4）asrawmaterials.ThestructureandmorphologyofsynthesizedHAwerecharacterizedbyXRDandTEM.TheproteinadsorptionofHAwastestedbytheUV-VISspectrophotometer.Theresultsshowedthatthehigherhydrothermaltemperaturewascontributedtohighercrystallinityandsmallerparticles.NanoHApowderswhichhadgoodcrystallinityweresynthesizedwhentheconcentrationofreactantsis0.2mol/Landthehydrothermaltemperatureis180℃,whichledtobetteradsorptionpropertiesofHAtothebovineserumalbumin（BSA）.
Keywords：
Hydroxyapatite；
Hydrothermal；
Nanoparticles；
Proteinadsorption
1绪论
自19世纪九十年代以来,生物材料学领域得到了飞速的发展,无机生物医用材料的科学研究以及其应用十分的活跃,其中十分受关注的是羟基磷灰石（hydroxyapatite,简称HA或HAP）活性陶瓷材料的科学研究和临床应用。
羟基磷灰石属于一种微溶于水的弱碱性磷酸钙盐,它的组成十分接近生物体骨晶体成分,与人体骨骼晶体的结构基本上一致。
HA因具有很好的界面生物活性和生物相容性[1],故而能与生物体中的骨形成很强的化学结合且产生骨传导作用，从而逐渐诱导骨周围的骨组织生长,它是很理想的生物体硬组织的修复和替代材料[2],而且HA可以制成性能非常优良的HA骨组织工程支架材料、HA涂层材料[3]、HA陶瓷、药物载体[4]及抗肿瘤活性物质以及人造鼻软骨、人造颌骨、皮肤内移植、牙膏添加剂、骨填充材料、人造齿根、人工中耳通气管材料和金属的种植涂层材料等,虽然有大量的有关于HA仿生材料的合成方面的研究报道,实际上也取得了许许多多的科学研究成果。
但现今有关HA纳米晶体形成的机理研究报道十分稀少,羟基磷灰石晶体作为一种低维的人工晶体[5],在通过水热法合成的过程中,它的传统的晶化机理依然符合溶解-重结晶这个模型,即以先溶解，再扩散转移，继而结晶的时间顺序形成晶体。
水热法合成HA晶体的晶化过程是一个有序化进程,可以分别从分子状态和结构的改变来看。
分子的状态变化是从分散态变化为凝聚态，其结构变化是从无序变化为短程有序，最后形成长程有序的晶体。
这种变化的根本原因在热力学上来说是能量的起伏和结构的起伏。
此文以经典的晶体生长的基本理论为依据,讨论了水热法制备的样品的物相、组分、微观形貌、相演变和晶相形成的机理，且制备出了效果良好的样品材料。
1.1羟基磷灰石的结构与性质
1.1.1羟基磷灰石的结构
羟基磷灰石，又被称为羟磷灰石，碱式磷酸钙，它是钙磷灰石（Ca5（PO4）3（OH））的自然矿物化。
其化学式经常被写成（Ca10（PO4）6（OH）2）以突出表示它的组成部分。
羟基磷灰石简称HA（或者HAP），HA在生物体里的存在形式主要是存在于脊椎动物骨骼及动物牙齿。
羟基磷灰石的晶体结构是L6PC对称型和P63/m空间群的六角柱体（如图1），是六方晶系。
与c轴垂直的面即（001）面是一个六边形的形状，a、b轴的夹角为120°
，且a轴与c轴互相垂直。
十个Ca2+、六个磷酸根和两个氢氧根离子共同构成一个晶胞。
沿轴自上而下投影所得晶胞的中央位置的官能团是氢氧根，6个二价钙离子分两层组成两个平行的三角形包围着氢氧根离子；
在更外面，又有6个磷酸根官能团分成两层组成两个平行的三角形。
图1-1羟基磷灰石的晶型
如图2所示。
HA晶体结构较为复杂，可以总结为两种结构形式:
一种结构是由6个磷酸根离子四面体组成9个角顶，每一个角顶有一个氧离子，晶胞中的钙离子处于6个磷酸根离子四面体当中且与9个氧离子连接在一起，钙离子的配位数为9；
另一种结构形式是由6个二价钙离子组成OH－Ca相配位的八面体，其邻近的4个磷酸根离子中的6个角顶上的二价氧离子和氢氧根离子与角顶的钙离子相连接，钙离子的配位数是7。
图1-2HA的晶胞结构
1．1．2羟基磷灰石的物理与化学性质
羟基磷灰石理论上的钙与磷的摩尔比为5/3，比值约为1．67，其摩尔质量是1004．64g/mol，密度约为3．16g/cm，它是一种无色无臭的结晶粉体。
其折射率在1．64～1．65之间，热膨胀系数为1．5×
10-6K-1。
HA晶体在水中微溶，其水溶液呈弱碱性，pH在7～9之间，比较容易溶解在酸性溶剂中，很难溶于碱性环境，HA的离子交换能力非常强，可与含羧基（－COOH）的氨基酸、蛋白质、有机酸等物质发生化学反应。
1．1．3羟基磷灰石的其他性质
（1）羟基磷灰石具有的生物降解性
有关的科学研究结果表明，HA几乎不溶于水溶剂中[6]。
但是研究显示HA具有缓慢的降解性质。
造成这种效果的主要由是以下几个原因：
理化学方面的原因：
物理化学的溶解形式由样品的溶解产物以及其所在的pH环境决定；
②因晶界变化分解成为小颗粒状态：
在生物体的特殊生理环境条件下，多孔的HA会发生物理或者化学溶解，比如在晶体边界等活性比较高的地方发生化学反应从而分解为较小的颗粒状态；
③生理方面的因素：
例如材料的结晶度下降、HA晶粒的表面积变大、HA晶粒的尺寸的减小以及锶离子、镁离子、碳酸根离子等杂质离子的出现都会加快多孔HA的降解速度。
（2）羟基磷灰石的诱导成骨[7]性质
国际上已经普遍的认可HA陶瓷具有的优越的骨传导性能，但是它的骨诱导性能却直到最近才有实验给予证明。
把样品移植到生物的体内，可以慢慢地生成骨的形成蛋白质并且骨髓的新骨组织也会慢慢显现。
对于HA的有关生物活性的机理，Gross、Duchesne等人曾经做过相关的研究与讨论，他们认为HA植入生物体与相邻近的体液和骨发生反应，反应主要是钙、磷等离子的交换，这种交换将维持在动态平衡状态，使得HA中与骨的界面产生新的HA。
HA里散发出钙离子和磷离子，生物体液中的钙离子和磷离子也聚集在HA的表面，致使在HA的表面产生钙离子和磷离子层而且与骨细胞中的蛋白质分子相结合，这样HA与骨组织会紧密地形成一个整体。
离子的持续交换会极大的影响细胞的增生与分化，从而引起HA表层的骨生长[8]。
（3）羟基磷灰石的生物相容性
HA与人体骨骼中的主要的无机成分在组成上是十分相近的，且它具有非常好的生物活性与生物相溶性，在人体植入HA晶体后，由于人体的组织液的作用，HA晶体中的钙元素和磷元素将弥散到需要修复的组织的表面，与人体骨骼组织紧密地结合在一起，形成比较强的相互作用，从而促进了受损骨组织的修复。
1.2羟基磷灰石粉体的制备方法
制备HA粉体有各种各样的方法,综合起来大致可分为湿法和干法两大类。
湿法包括沉淀法[9-10]、溶胶-凝胶法[11]、水热合成法[12]、乳液剂法[13]、超声波合成法[14]等；
干法有固态反应法[15]等,这些反应方法都各有优势与不足。
1.2.1 沉淀法
沉淀法是在一定的温度和一定的pH环境的条件下，把适当浓度的磷酸盐与钙盐通过搅拌的方式混合在一起，使混合溶液发生特定的化学反应从而生成HA沉淀物,沉淀物HA在400～600℃的温度甚至更高的温度下进行煅烧,可以制得符合一定条件或者比例的HA晶体。
若想获得结晶度较高的HA,应调节烧结温度到900～1200℃之间。
该法的反应温度不是很高,合成的HA粉体纯度较高,合成的颗粒很细,操作工艺技术简单易懂,合成HA粉体的成本较其他方法来说较低。
但是此法必需严格地把控工艺的条件,不然的话极容易生成Ca/P比值很低的缺钙磷灰石颗粒,因而应该严格控制生成沉淀所需要的时间以及调控混合液的pH,借助分散设备使溶液均匀地混合,以保证合成HA的反应可以完全地进行，之后用乙醇对反应后的悬浊液进行反复地过滤再烘干,使得固相和液相分离,以提高HA粉体的纯净度。
1.2.2 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是二十世纪末才发展起来的制备粉体的新方法,已得到了世界各国的关注。
此法是把醇盐样品溶解在有机溶剂里,往醇盐中加入蒸馏水使其水解或者醇解，再发生聚合反应,最后变成溶胶,。
溶胶形成后,继续加入水会慢慢地转变成为凝胶状态,将凝胶在真空环境中低温干燥脱水,继而会得到比较疏松的干凝胶,最后对干燥后的干凝胶做高温下的煅烧处理,即可制得纳米级的粉体样品。
与传统的固相烧结法以及固相合成法相比,此法的合成以及烧结过程中所需的温度较低,钙磷前驱体的混合会在分子的水平上进行,使得溶胶的化学均匀性高。
此种方法是制备HA晶须的一种有效的方法。
但因原料的价格过高、有机溶剂有毒、对环境会造成相当大的污染及团聚过快等因素的制约，这种方法极少被使用。
1.2.3 水热法
水热法是将装有用蒸馏水制得的样品水溶液的特质的密闭反应容器（通常为高压釜）置于高温高压的环境中，把原来比较难溶或者不溶的固体溶解且发生重结晶反应的一种方法。
此法经常把磷酸钙等磷酸盐当做反应物,溶解在水中后于温度在200～400℃之间的高压釜中发生反应产生HA晶体。
这种方法以人工控制条件会比较容易,发生反应所需的时间少,此法制备HA粉体不需煅烧与研磨,制得的粉末纯净度较高,晶体缺陷相对较少。
且合成过程是在相对较低的温度环境中进行,反应的条件不苛刻,所需设备简单易得,消耗的电能少。
因此通过水热法制备的样品粉体晶粒发育很完整、粒度较小且分布很均匀、颗粒的团聚程度较轻、原材料相对便宜、很容易获得适宜的化学计量比和合适的晶型。
如今的科学技术飞速的发展对材料性能以及品质的要求更高，该法在单晶生长性能、陶瓷粉料的制造、薄膜的生成、合成材料、高分子的聚合、材料的评价以及加工、废物的再生、地热的利用等方面有极大的进步。
对比其他的制粉方法，用水热法制备得到的粉体有非常好的性能：
粉体的晶粒完整发育、晶粒的直径很小且分布非常均匀、很少有团聚现象、容易得到极好的晶粒形态、产物的形态规则且能够控制、生产的成本较低、不需要球磨与高温燃烧的过程、在一定程度上避免了结构缺陷和杂质的出现等等。
该法耗能低、投入低、污染低，而且能制得高质量的粉体，产量也很高。
水热反应条件的改变会影响粉体的结晶形态以及晶体结构。
水热法制得的粉体有下列的特点：
在气氛和压力能控制的密封的系统中进行晶体生长的过程，可以得到用其他方法制备材料所难以获得的某些物相的产生；
生长所需的温度比大多数其他制备粉体的方法低，故而能得到其他的方法不能获得的低温同质异构体；
生长区在恒温与等浓度的环境中，而且温度的变化率很小；
生长的过程主要是稀薄相的生长，反应溶液的粘度非常的低；
水热过程中晶体是在相对比较低的热应力的条件下生长，因此该方法制备的晶体产生位错的概率远远小于在高温熔体中制备的晶体。
水热法是制备高质量的HA粉体材料的一种高效的方法。
1.2.4 超声波合成法
超声波的波长相对于分子的大小来说十分巨大，故其不能对分子起直接的作用，而是间接地影响分子。
超声波的合成的原理是其在水介质中会促使超声空化的现象产生,使得在液体发生这样的一个过程：
产生微泡→生长→破裂。
这个过程会产生强烈的动力学变化,会加速液体溶剂与固体反应物间的非均相化学反应速度。
采用此法反应合成的HA粉体颗粒非常细,粒径的分布范围极窄,这种合成粉体的方法在某些方面较之其他的加热方法更加有效。
1.2.5 固态合成法
该法是将固体磷酸钙以及其他的化合物在容器中均匀混合,将其放到温度为1000℃且有水蒸气的氛围中反应，这样可以制得极好的HA晶体。
此法反应后最终合成的HA粉体的纯度极高,且成品的结晶性十分好，制得的晶体其晶格常数将不会受温度的影响而变化。
通过对湿法以及固相法在常规反应后合成成品的红外光谱测试的研究表明,固相法反应后合成的HA粉体比湿法反应后合成的粉体好很多,但是固相反应法的反应条件即高温度、长的处理时间以及低的成品可烧结性,最终使得固相反应法的大规模应用被条件所限制。
1.2.6 自蔓延高温合成法
自蔓延高温合成法[16]，简称SHS。
又被称为燃烧合成技术，是利用化学反应放热（自加热和自传导作用）以制备无机化合物的高温材料的新技术。
SHS技术能制备出HA纳米颗粒。
此项技术是因硝酸盐和羧酸的化学反应放热,可以在低温地环境种促成样品的氧化自发燃烧反应,使得合成HA的前驱体粉末的反应可以快速进行。
合成的HA粉体具有纯净度高、成分非常均匀、颗粒的尺寸大小很适宜以及无硬团等性质。
以下是利用SHS技术合成HA前驱体的纳米级颗粒的实验过程:
按钙与磷的摩尔比5：
3的标准称量实验原料,分别以蒸馏水溶解均匀混合；
用高精确度的天平称取一定量的柠檬酸，并加入特定的原料水溶液中；
用氨水调节配置的混合溶液pH达到3,然后使其在80℃的环境中脱水变成凝胶状态；
将电炉温度设置为200℃，可使样品在里面发生自蔓延燃烧的反应,最后制得的纳米级HA前驱体的颗粒分布均匀并且有优良的烧结性能。
1.3水热法制备HA粉体的研究现状
1.3.1水热法的应用
将装有用蒸馏水制得的样品水溶液的特质的密闭反应容器（通常为高压釜）置于高温高压的环境中，把原来比较难溶或者不溶的固体溶解且发生重结晶反应，这个方法称为水热法.根据不同的研究目的或者对象,可把水热法这几大类：
水热处理、水热反应、水热晶体生长、水热烧结、水热合成等,这些实验处理的效果是制备各种单晶,获得特别细、无团聚（或者团聚少）以及结晶程度十分好的粉体,可以实现部分有机反应或者处理部分危害到人类生活的环境中的有机废弃物,以及在低于其他方法所需的温度条件下实现对一些陶瓷材料的烧结处理等.。
根据不同的实验设备,又可以把水热法分为“普通”与“特殊”水热法。
所谓“特殊水热法”指除普通的水热条件反应体系外再设置不同的作用力场，即为特殊水热法,该法所用的作用力场有磁场、直流电场以及微波场等,不但在科学实验里持续研究以及应用了这种方法,而且在人工水晶的规模化生产中应用了水热生长体。
根据经典的晶体生长理论[17]，水热条件下的生长包括以下步骤：
（1）营养料在水热介质里溶解，以离子、分子团的形式进入溶液（溶解阶段）；
（2）由于体系中存在十分有效的热对流以及溶解区和生长区之间的浓度差，这些离子、分子和离子团被运输到生长区（运输阶段）；
（3）离子、分子或离子团在生长界面上的吸附、分解与脱附；
（4）吸附物质在界面上的运动；
（5）结晶。
不同的水热反应条件下生长的同种晶体可能生成结晶得形貌会不相同。
在这种情况下若简单地套用晶体经典地生长理论，那么很多的实验现象不能够完美的解释。
故而研究人员通过大量实验结果的分析与总结的提出“生长基元”的理论模型.。
该模型指出在上述的运输阶段
（2）,溶液中的分子、离子或者离子团互相发生分子层面上的反应,最后形成有特定几何构型的聚合体，这个特殊的聚合体就叫做生长基元。
水热反应的条件影响着聚合体的大小及结构。
不同生长基元可以同时存在于一个水热反应体系中,但最终基元会达到动态平衡状态，在体系中出现稳定生长基元的概率最大。
生长基元的叠合生长以晶面结晶的取向要求为基础,界面上生长基元叠合生长的难易客观反映了此面族生长的速率。
生长基元模型将晶体的生长条件、结晶形貌以及晶体的结构合理地进行了统一,对许多实验现象进行合理的解释。
水热法制得的样品有下列的特点：
生长所需的温度比大多数其他制备样品的方法低，故而能得到其他的方法不能获得的低温同质异构体；
1.3.2水热法制备HA的发展
动物的骨骼以及人体骨骼的无机矿物组分以HA为主。
人类从初次获得它至现在，学者与研究人员对它研究的热情还在悄然上升，这要归结于HA许多的优异特性，例如：
优异的骨传导作用、独特的表面特性以及良好的生物活性。
HA在许多领域都有应用，其中尤为特别地是HA微球在水处理、色谱分离以及药物运输等等方面的应用前景都十分美好。
以时间为线索
在1972年到1973年两年时间内日本的H.Aoki等[18]人经过实验。
研究后报道了在水热环境中水热的温度、溶液的pH对合成HA粉末影响的信息，并对HA的整个形成的过程进行了科学的动力学分析与总结。
至1990年时，T.Hattori等人采用焦磷酸钙原料和CaO原料通过水热法制备了HA粉体，并在科学理论的基础上系统地总结了水热的合成过程中所用时间及所需的温度与压力对晶格产生的影响。
在1990年，M.Kinoshita等[19]研究人员通过水热法合成了含有碳酸根的HA晶须，并对它的微观形态进行了科学研究。
之后Hattori在他们研究的基础之上用原料CaO以及焦磷酸钙通过水热合成法制备出了球形的HA粉末，通过测试发现其直径在200nm之下。
1991年，M.Yoshimura等人[20]发表了用H3PO4跟Ca（OH）2在密闭容器中以2MPa、180℃的反应条件水热5h制备出了针状HA的研究文章。
科学地总结分析了K3PO4以及KOH等添加剂与溶液所处环境的温度、溶液浓度对针状HA的长径比各方面的影响，实验发现其最大的长径比值可达11。
1993年Y.Fujishir等人[21]水热处理利用均匀沉淀方法制备出的HA的沉淀物。
实验后发现在2MPa、200℃的水热环境中添加柠檬酸以及β-TCP添加剂能够制备出长在20～30μm之间、直径在0.1～1μm间的针状的HA，并且发现其长度会随HA溶液的温度与pH的上升而变长。
2001年，徐光亮等人以样品CaHPO4·
2H2O以及CaCO3为实验前驱物，按钙磷比5：
3的配比，在200℃的恒温条件下水热反应8h可制备出长3μm、端面的尺寸在100nm左右的柱状或者针状的完整HA晶体。
由大量的实验总结得出这个结论：
随者水热反应的温度的上升以及反应时间的变长，HA晶体的生长将越趋向于完整。
上述的实验研究中都存在着颗粒发生团聚现象的缺点，故而在实验中通常需要添加表面活性剂以提高制备的HA粉体的分散程度。
Zhang与Yan等人的实验研究显示在溶液中加入有机表面活性剂会获得棒状的纳米级HA颗粒。
KotHAall与Huang的研究发现用NH4H2PO4溶液与Ca（NO3）2溶液均匀混合所产生的沉淀物也能够通过水热法制备出类似的HA的纳米级颗粒，这个过程将不添加任何的活性剂。
在以上的实验研究中，并没有关于以NH4NO3为原料合成HA纳米级颗粒的报道。
Liu等人通过CH3COOH与KOH调节溶液的pH，科学谨慎地研究了水热法制备HA的过程中pH（在6～14之间）对其微观形貌的作用及影响，但是调节剂中的K+及乙酸根对HA在各方面影响的消息却并没有被报道。
伍沅等人利用水热法，通过将Ca3（PO4）2与Ca（OH）2（或者CaCO3）的混合物在不断通入水蒸汽和高温的条件下锻烧得到HA颗粒，对样品进行红外光谱分析及化学分析，分析结果显示经过水蒸气洗涤的产品纯度十分高。
并且他们初步地探讨了合成HA的反应机理,科学地提出了三步反应的历程。
徐光亮[22]等人按一定的钙磷比将化学纯的一水磷酸氢氨和碳酸钙完全混合,再将混合粉末放进加入了蒸馏水的高压釜里,然后使高压釜在不同的时间段和温度下发生水热反应,反应之后取出HA试样,干燥之后即能得到晶粒十分完整、结晶程度完好、分散性比较好、颗粒直径小于100nm的HA粉体。
1.4提出本课题的目的以及研究内容
羟基磷灰石是人以及动物骨骼和牙齿的最主要的无机成分,是生物材料中十分具有代表性的一种纳米级的微晶材料,它的生物活性和相容性十分优异,将它植入人身体后可以在极短的时间内紧密地和人体的软硬组织结合在一起。
HA纳米级粒子具有良好的生物组织相容特性,不含毒、无免疫原性,其比表面积较大,生物粘附的性能比较强,能够传递以及结合大分子的药物,其能大量吸附目标药物,在理论上可以作为药物载体[23]使用。
其次若把羟基磷灰石制成药物的载体系统，则能够加强靶向性药物在生物膜里的穿透性,对药物的透皮吸收以及让其在细胞内充分发挥其医药效果有极大的好处。
HA药物载体不会溶解在胃肠液中，在其释放出靶向性药物后，它将降解并被人体吸收或者将随粪便全部被排出体外,除此之外,纳米级羟基磷灰石生成的整个过程很容易会引导放射性元素的进入,可灭活人体内的癌细胞。
多年的科学研究结果显示,纳米级羟基磷灰石对人体肿瘤细胞的生长有着极强的抑制作用,而不会影响正常的细胞。
这个性能可能在肿瘤的治疗过程中有极好的选择性,它会对细胞的核膜与肿瘤的细胞膜实现选择性的穿透[24],直接作用于细胞内的DNA,可以有效地对肿瘤的细胞增殖产生抑制作用,也可以除去人体的泌尿系统癌、肺癌、食管癌等多种对人体有极大危害的癌细胞[25]。
对HA复合增强体的大量实验表明，它可与天然以及人工高分子材料进行生物复合，极有可能在未来成为生物体的硬组织的替代
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