载银羟基磷灰石抗菌粉体和陶瓷的制备及抗菌性能

徐伏秋 陈华军 丁梧秀

(洛阳理工学院环境工程与化学系，洛阳 471023)

一般把具有M102+(ZO4)63-X2-组成的结晶矿物称为磷灰石，磷灰石的晶体结构很容易产生化学元素的置换，其中最引人关注的就是羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2，简写为HA 或HAp]。由于HA 与生物硬组织中的磷酸钙有相似的化学成分和结构，又有良好的生物活性和生物相容性，是一种非常有希望的生物陶瓷材料，成为医学材料的研究热点[1-2]。近年来，Ag+由于其优良的抗菌性得到了广泛关注[3-5]。一般认为，银化合物或银金属离子可通过阻碍微生物的呼吸、电子迁移，阻碍酶的合成、破坏蛋白质、损伤细胞膜，干扰DNA 的结合等方式起到杀菌作用[6-7]，相对于Zn2+、Cu2+等具有更好的抑制和杀灭细菌的效果[8-10]。Ag+担持在HA 上，因此本质上是安全的。所以银系抗菌粉体成为无机抗菌材料中最重要的一大门类。目前国内外对银系抗菌粉体的研究主要集中在硅酸盐系、磷酸盐系以及氧化物等为载体的抗菌粉体方面，相关的报道也较多[11-18]，而以HA 为载体的抗菌粉体研究相对较少。当前，Ag+掺杂HA 的制备方法以离子交换法为主[19]，该方法的缺点是Ag+与载体的结合较弱，导致Ag+快速游离而不能保持制品长久的抗菌性，此外使用初期游离出的Ag+浓度太大也具有毒性，因而不宜采用离子交换法制造抗菌粉体。

本文以水热法一步合成载银羟基磷灰石抗菌粉体(Ag-HA)，通过XRD 和TEM 等手段对抗菌粉体成分和形貌进行表征，并将制备的抗菌粉体应用于抗菌陶瓷的制备。采用中华人民共和国建材行业标准JC/T 897-2002(抗菌陶瓷制品抗菌性能)测定抗菌陶瓷的杀菌率。通过上述研究，为该制备方法在抗菌陶瓷实际生产中的应用奠定理论基础。

1 实验方法

1.1 主要试剂和仪器

硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O，AR)，磷酸氢二铵((NH4)2HPO4，AR)，硝酸银(AgNO3，AR)，十二烷基苯磺酸钠(SDBS，AR)，氨水(φ=50%，AR)，无水乙醇(AR)等。大肠杆菌(ATCC 1818)、金黄色葡萄球菌(ATCC 1811)及黑曲霉临床株型及琼脂培养皿。

B8-Focus 型X 衍射仪(德国Bruker 公司)，JEM-2100 高分辨透射电子显微镜(日本电子公司)；反应釜(φ 50 mm×100 mm,烟台科立化工设备有限公司)。

1.2 Ag-HA 的水热合成

称取2.13 g 硝酸钙和一定质量的硝酸银、0.10 g 十二烷基苯磺酸钠(SDBS)溶于适量水中，搅拌使其溶解，再用氨水调溶液pH＞10，另取6.36 g 磷酸氢二铵适量溶于水，同样调溶液pH＞10，在不断搅拌下将磷酸氢二铵逐滴滴加到硝酸钙和硝酸银的混合溶液中，继续搅拌30 min 后转移至反应釜，在不同水热条件下改变硝酸银加入量进行合成实验。反应产物经抽滤，去离子水洗涤2～3 次，再用无水乙醇洗2～3 次，于80～90 ℃烘干、研细。

1.3 Ag-HA 银含量的测定

采用福尔哈德法测定抗菌粉体中银含量，准确称取2.000 g 抗菌粉体，加水100 mL，加HNO3(φ=50%)5.0 mL，加热溶解。冷却后加2.0 mL 铁铵矾指示剂，以0.100 mol·L-1NH4SCN 标准溶液滴定，先生成AgSCN 白色沉淀，当有红色的Fe(SCN)2+出现即为终点。根据抗菌粉体的质量和NH4SCN 标准溶液的用量计算银含量。

1.4 陶瓷的抗菌性实验

采用中华人民共和国建材行业标准JC/T 897-2002(抗菌陶瓷制品抗菌性能)，测定抗菌陶瓷的杀菌率。一般认为一种抗菌材料若能对芽抱杆菌、葡萄球菌有好的抗菌效果，则认为该抗菌材料具有广谱抗菌性。因此本文选择大肠杆菌、金黄色葡萄球菌种菌作为试验菌株，按照通常的培养方法培养并获得。

2 结果与讨论

2.1 Ag-HA 的载银量与XRD 分析

按照1.2 试验方法，固定(NH4)2HPO4、Ca(NO3)2·4H2O 和SDBS 用量分别为6.36 g、2.13 g 和0.10 g，反应温度为180 ℃，反应时间为5 h。改变反应过程中AgNO3加入量，按照1.3 试验方法测定产物Ag-HA 抗菌粉体实际载银量，考察AgNO3加入量对Ag-HA 抗菌粉体实际载银量和粉体结构的影响。实验结果如图1 和图2 所示。

图1 硝酸银加入量与粉体实际载银量的线性关系Fig.1 Linear relationship between quantity of silver nitrate and silver content of HA

由图1 可见，当AgNO3加入量为0～1.45 g 时，粉体的实际载银量(y)与AgNO3加入量(x)存在线性关系,线性方程为y=0.129 06+5.0936 4x(R=0.999 9)。粉体实际载银量稍低于AgNO3加入量，说明有少量Ag+残留于母液中。继续增加AgNO3加入量，所得粉体的XRD 图出现Ag3PO4的衍射峰，见下图2。

图2 不同含银量样品的XRD 图Fig.2 XRD patterns of the products with various Ag fraction

图2 为HA 和Ag-HA 的XRD 图。2θ=25.80°、31.68°、32.84°和33.96°处 的4 个 峰 是HA 的 特 征峰。Ag-HA 与HA(PDF No.09-432)具有相同的晶体结构。另外，此前研究结果[20]说明Ag+取代Ca2+在HA 晶体中的位置，生成AgxCa10-x(PO4)6(OH)2。

2.2 Ag+掺杂量对Ag-HA 形貌的影响

图3 为HA、0.65%Ag-HA 和1.50%Ag-HA 用TEM 获得的晶粒形貌图。

由图3 可见，HA 晶体中Ca2+被Ag+取代后，晶体形貌发生较大变化，表现为随着Ag+掺入量的增加，粉体的直径变化不大，但棒的长度逐渐增大。当Ag+掺入量增加至1.50%时，Ag-HA 由棒状生长为晶须状。这是因为HA 在结晶结构上存在平行于c 轴的通道，Ca2+很容易被Ag+、Zn2+、Cu2+等金属离子替代，本研究中Ag+沿c 轴进入晶胞取代Ca2+位置，生成AgXCa10-X(PO4)6(OH)2。由于二者价态上的差异，结构中存在未饱和的电场力，导致晶体生长变形。故当银掺入量增大时，HA 晶体是沿晶轴方向生长的，样品的长度增加，由棒状生长为晶须状。

2.3 Ag-HA 抗菌粉体类型对陶瓷抗菌性的影响

按 照1.2 实 验 条 件 制 备0.35% Ag-HA、0.65%Ag-HA、1.50% Ag-HA、4.50% Ag-HA、7.50% Ag-HA等Ag 含量不同的抗菌粉体。将抗菌粉体加入到一定质量的原厂釉料中，超声分散均匀后加入纤维素和水调节釉料粘度和水分含量，所得釉料即为抗菌釉。首先固定各种类型抗菌粉体的掺入量均为9%，采用1.4 试验方法考察抗菌粉体类型对抗菌陶瓷抗菌性能的影响。实验过程中目标菌种为大肠杆菌，陶瓷抗菌性能检测标准为中华人民共和国建材行业标准JC/T 897-2002 (抗菌陶瓷制品抗菌性能)，结果见表1。

图3 不同Ag 含量的磷灰石的TEM 照片Fig.3 TEM images ofthe products with various Ag fraction

表1 抗菌粉体类型对陶瓷抗菌性能的影响Table 1 Influence of antibacterial agent types on antibacterial performance of ceramic

由表1 可见，当抗菌粉体掺入量一定时，陶瓷的抗菌性能随Ag-HA 抗菌粉体中Ag+掺入量的增加而增大。因为Ag+带正电荷，吸引载负电荷的细菌，并与蛋白质的中的巯基(-SH)结合形成牢固的共价键，从而使酶失活。细菌机体结构被破坏，导致迅速死亡。Ag-HA 抗菌粉体中Ag+含量越高，抗菌性能就越高。当Ag+掺入量为1.50%时(1.50% Ag-HA)，陶瓷对大肠杆菌的杀菌率就达到99.8%，相对于空白瓷片已经表现出了很高的抗菌率，但仍有部分大肠杆菌(7.2×103cfu/100 μL)没有被杀死，即绝对杀菌率还不够。当Ag+掺入量为4.50%时(4.50% Ag-HA)，剩余大肠杆菌的浓度仅为2.9×102cfu·mL-1，陶瓷的绝对杀菌率较高，所以选择4.50% Ag-HA 作为抗菌陶瓷的抗菌粉体。(cfu，Colony-Forming Units，菌落形成单位)

2.4 4.50% Ag-HA 抗菌粉体用量对陶瓷抗菌性的影响

在抗菌陶瓷制备试验中，选择4.50% Ag-HA 作为抗菌粉体，改变该抗菌粉体的掺入量，考察抗菌粉体的掺入量对陶瓷抗菌性能的影响。实验过程中选择大肠杆菌作为目标菌种，采用中华人民共和国建材行业标准JC/T 897-2002(抗菌陶瓷制品抗菌性能)，测定抗菌陶瓷对大肠杆菌的杀菌率，结果见表2。

表2 4.50%Ag-HA 抗菌粉掺入量对陶瓷抗菌性能的影响Table 2 Influence of dosage of 4.50% Ag-HA antibacterial agent on antibacterial performance of ceramic

由表2 可见，陶瓷的抗菌性能随抗菌粉体掺入量的增加而增大。因为釉料中4.50% Ag-HA 抗菌粉体掺入量越大，Ag+含量就越高，从而抗菌性能就越高。当抗菌粉体的掺入量为9wt%时，陶瓷的抗菌率就达到99.9%。此时釉料中Ag3PO4含量为0.56%，低于目前研究中釉料中Ag3PO4添加量 (2wt%～4wt%)，在一定程度上解决了抗菌陶瓷产品成本较高的问题。虽有部分细菌未被杀死(6.8×10 cfu/100 μL(Escherichia coli))，但杀菌率远远高于JC/T 897-2002(抗菌陶瓷制品抗菌性能)对抗菌陶瓷抗菌性能的要求(杀菌率＞90%)。继续增大抗菌粉体加入量，虽然抗菌效果非常好，但会改变釉面性质，所以无论从外观还是从成本考虑都不可取。

2.5 使用时间对陶瓷抗菌性的影响

为了考察抗菌陶瓷的长效抗菌性，在釉料中掺入9wt%的4.50%Ag-HA 抗菌粉体，分别测定0 时间和1 年后陶瓷的抗菌性能。抗菌陶瓷对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和黑曲霉的杀菌率如表3 所示。由表3 可见，抗菌陶瓷在自然条件下放置1 年后抗菌率仍大于99.9%，长效抗菌实验结果进一步证明水热法合成的载银羟基磷灰石抗菌粉体(Ag-HA)中，Ag+与载体结合强，Ag+不易快速游离。

表3 使用时间对陶瓷抗菌性能的影响Table 3 Influence of usage time on antibacterial performance of ceramic

3 结 论

采用水热法以硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O)、硝酸银(AgNO3)和磷酸氢二铵((NH4)2HPO4))为主要原料，制备载银羟基磷灰石抗菌粉体(Ag-HA)，并将其应用于抗菌陶瓷的制备。实验结果表明：

(1) 硝酸银加入量在0～1.45g，粉体的实际载银量(y)与AgNO3加入量(x)存在较好的线性关系，线性方程为y=5.093 64x+0.129 06(R=0.999 9)，粉体实际载银量稍低于AgNO3加入量，说明有少量Ag+残留于母液中。

(2) XRD 和TEM 分析结果显示Ag-HA 与HA具有相同的晶体结构，水热条件下Ag+取代Ca2+在HA 晶体中的位置，生成AgxCa10-x(PO4)6(OH)2。Ag-HA长度随着Ag+掺入量的增加而增大，当Ag+掺入量增加至1.50%时，Ag-HA 由棒状生长为晶须状。

(3) 陶瓷抗菌试验结果表明，当Ag-HA 掺入量一定时，陶瓷的抗菌性能随Ag-HA 中Ag+掺入量的增加而增大。选择4.50%Ag-HA 作为抗菌粉体，抗菌粉体的掺入量为9wt%时，陶瓷的抗菌率＞99.9%，满足JC/T 897-2002(抗菌陶瓷制品抗菌性能)对抗菌陶瓷抗菌性能的要求。

(4) 目前釉料中普遍存在银添加量大(2wt%～4wt%)，产品成本较高的问题。本研究通过水热法合成抗菌粉体，釉料中银的添加量＜1wt%，而杀菌率缺＞99.9%，大大降低了抗菌陶瓷的生产成本。

(5) 长效抗菌实验表明，抗菌陶瓷在自然条件下放置1 年后抗菌率仍大于99.9%，说明水热法一步合成产物Ag-HA 中Ag+与载体结合强，Ag+不易快速游离。

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