氟磷灰石的微乳液法制备及其表征

龙剑平，郝孝丽，林金辉

（成都理工大学 材料与化学化工学院，成都610059）

羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA或 HAP）是自然骨无机质的主要成分，具有良好的生物相容性和生物活性，可以引导骨的生长［1，2］。人工合成羟基磷灰石的成分、结构与人体骨组织的无机质成分结构相类似，它具有无毒、无刺激性、无致敏性、无致突变性和致癌性，可与骨发生化学作用，有很好的骨传导性，能与骨组织形成牢固的骨性结合［3，4］，是公认性能良好的骨修复替代材料。但在临床应用中发现，羟基磷灰石在人体中的降解速度较快，导致涂层的剥落，以致种植体在人体内快速失效［5］。这是由于实际人骨中的无机组元并不是一种纯的羟基磷灰石，其中含有碳酸根和钠、镁等金属离子［6］，目前科学家仍无法人工合成出与人骨完全相同的材料，因此，限制了羟基磷灰石在临床上的广泛应用。

为了满足临床应用的要求，常需在其中添加一些元素以改善其临床性能。研究发现人工合成羟基磷灰石时，如果其羟基被F－部分取代，其分子式即变为Ca10（PO4）6F2，形成氟磷灰石（fluoroapatite，FA），氟离子取代羟基后可以改善磷灰石的溶解性，促进骨细胞增殖，提高磷酸钙在成骨过程中的生物矿化组织和骨组织中的磷灰石晶体形成，FA作为活性涂层还可以显著提高涂层的稳定性，改善植入体临床应用中存在的不足［7，8］。

目前，FA制备方法主要有等离子喷涂、激光熔覆法、溶胶－凝胶法和溅射法等。本工作采用微乳液法，利用OP乳化剂／异辛烷／正葵醇／（NH4）2HPO4溶液、Ca（NO3）2溶液及KF溶液四元微乳液体系合成了氟磷灰石（FA）。采用X射线粉晶衍射仪（XRD）、傅里叶红外吸收光谱（FT－IR）测试了样品物相组成及晶体结构，采用扫描电子显微镜（SEM）观察了样品形貌，采用电子能谱（EDS）分析仪定量分析了合成粉末的元素组成。

1 实验

1.1 微乳液体系的确定

采用三元相图表述OP乳化剂／异辛烷／正葵醇／（水、（NH4）2HPO4溶液、Ca（NO3）2溶液以及 KF溶液）四元微乳液体系。主要操作步骤：（1）配制乳化剂：OP乳化剂与正葵醇首先按照质量比为3∶2混合；（2）配制微乳液：乳化剂和异辛烷按照不同比例（设两者的比例为R）混合；（3）滴定：在搅拌速度为20r／s的转速下分别进行（NH4）2HPO4溶液、Ca（NO3）2溶液以及KF溶液的滴定，记下体系由清澈变浑浊（继续搅拌几分钟体系不再变透明）的点为相变点（饱和微乳液）；（4）整理数据：将四元体系质量总和设为1，得到各物质的单元质量；（5）绘制相图：利用软件Origin7.0绘制出三元相图；（6）选取相图中微乳液区的合适位置，配制微乳液体系。

1.2 氟磷灰石的制备

采用微乳液法制备氟磷灰石的主要过程包括：（1）微乳液的配制：将OP乳化剂，正葵醇，异辛烷混合得到透明澄清液体，用移液管向其缓慢滴入浓度为0.6mol／L的磷酸氢二铵（（NH4）2HPO4），在磁力搅拌器中（恒温37℃）以20r／s的速度搅拌10min，使得混浊溶液变为透明澄清溶液。然后向该溶液中滴加浓度为0.2mol／L的KF，得到浑浊乳液，以同样的速度搅拌10min，在此过程中用NaOH溶液（3mol／L）或者HCl溶液（3mol／L）调节pH，最后用酸式滴定管在10min时间内向该乳液中缓慢滴加Ca（NO3）2溶液，在此过程中不断调节pH值，使其保持固定。化学反应如下：

6（NH4）2HPO4＋10Ca（NO3）2＋2KF＋6NaOH＝Ca10（PO4）6F2（FA）＋2KNO3＋12NH4NO3＋6NaNO3＋6H2O

（2）搅拌：在恒温磁力搅拌器中保持37℃以20r／s的速度搅拌4h。（3）沉化：4h后将转速置为0，继续在37℃条件下保温陈化24h。（4）离心：24h后取出乳液，对其进行离心纯化。离心机的速率为6000r／min，离心过程如下：①在乳液中加入无水乙醇，在磁力搅拌器中搅拌10min无水乙醇对乳液起到破乳作用，利于分离提纯，除去有机溶剂。再将搅拌后的乳液置入离心机中离心15min。②取出，倒掉清液，向离心后的白色沉淀物中再次加入适量无水乙醇，摇匀，再次离心15min。③取出，倒掉液体，在白色沉淀物中再次加入适量蒸馏水，摇匀，再次离心15min后，得到沉淀物。（5）干燥：将白色沉淀物置于恒温鼓风干燥箱中，在60°下保温1200min。（6）研磨：将得到干燥的白色颗粒，经研磨得到白色FA粉末。

1.3 分析测试

采用D／MAX－ⅢC型X射线粉晶衍射仪、TENSOR傅里叶红外吸收光谱仪测定样品晶体结构及物相组成，采用HITACHI S530型扫描电子显微镜对所制得样品进行形貌分析。采用SA M800／ser型电子能谱分析仪定量分析合成粉末的元素组成。

2 结果与讨论

2.1 制备氟磷灰石的微乳液体系配比的确定

2.1.1 OP乳化剂＋正葵醇／异辛烷／水溶液微乳液体系三元相图

经过系统滴定实验将所得数据进行质量转换，并将OP乳化剂／异辛烷／正葵醇／（（NH4）2HPO4溶液、Ca（NO3）2溶液及KF溶液）四元微乳液体系质量总和设为1，将滴定数据转化为各物质所占的单元质量，得到结果如表1所示。

根据表1数据，利用Origin7.0软件绘制得到OP乳化剂＋正葵醇／异辛烷／水溶液四元微乳液体系的三元相图如图1所示。

图1 微乳液体系三元相图Fig 1 The phase diagram of unit triplet microemulsion system

从图1中可以看出，磷酸氢二铵的微乳液区（A）最窄，说明该系统对磷酸氢二铵的增容性能最弱，对氟化钾（微乳液区A＋B＋C）的增容性最好，硝酸钙溶液（微乳液区A＋B）处于中间状态。

2.1.2 制备氟磷灰石配比的确定

为了使实验操作简单方便，微乳液体系的配比尽量保证磷酸氢二铵、氟化钾、硝酸钙溶液的体积相等，同时尽可能地靠近它们的微乳液叠加区域，选择以处于中间状态的硝酸钙溶液的质量为基准。因此，在三元相图（图1）中选择各相质量比为12∶5∶3的相点来制备FA，将总质量设为120g，得到各试剂的配比如表2所示。

表2 制备FA的微乳液配比Table 2 Ratio for preparation FA microemulsion

2.2 氟磷灰石的XRD分析

图2为不同pH值下合成的FA及pH＝10.4下合成HA的XRD图谱，图2表明所得粉末的最强峰值在31.5°到32°之间，对比HA的标准卡片，说明主晶相为磷灰石相。HA与FA的衍射特征峰基本一致，但是相较而言，FA的峰形更尖锐，半高宽较小，晶体结晶程度更高。分析认为这是由于—F取代了—OH，由于F离子比羟基更小，Ca—F键键能增强，晶体内部的原子键能提高，因而其晶体结构更紧密，结晶程度更好。由此也可以说明，氟的加入提高了磷灰石的稳定性。图2表明，pH＝7.5条件下生成的氟磷灰石（002），（211），（213）晶面衍射峰峰形最为尖锐，说明在该条件下所制备的FA结晶程度更高，因此得出在弱碱条件下更有利于FA的生成。同时，该实验pH值与人体体液pH＝7.4极为接近，因此其更具优良的医用研究价值。

图2 不同pH值下合成FA及HA的X射线衍射谱图Fig 2 XRD patterns of FA and HA under different pH value

2.3 氟磷灰石的FT－IR分析

图3为不同pH值下合成FA和pH＝10.4下合成HA的FT－IR谱图。图3表明，1032cm－1和607.16cm－1为PO3－4的振动峰，3446.17cm－1和1615.19cm－1左右的吸收峰分别对应于H2O中O—H的收缩振动和弯曲振动，在867cm－1和1407～1468cm－1处出现了CO2－3的吸收峰，表明此为含微量碳酸根的磷灰石，类似于天然骨磷灰石的组成。还有在2923.7，2848cm－1处为 OP乳化剂、异辛烷等有机物的吸收峰，说明在分离提纯过程中未洗干净。对比FA和HA红外图谱发现，HA的红外光谱图在3570cm－1左右出现了吸收峰，而这吸收峰正对应羟基中的O—H的伸缩振动，说明在不同pH条件下合成的FA中均未存在羟基，即说明—OH被—F所取代。

图3 不同pH值下合成的FA以及HA的红外光谱图Fig 3 IR spectrum of FA and HA under different pH value

2.4 氟磷灰石的SEM形貌

图4为不同pH值下合成FA粉末的SEM图谱。从图4可以看出，不同pH值下制备的FA的形貌均为球状颗粒，但是粒子的分散性均不佳，团聚较严重。FA属于六方晶系晶体，具有沿［0001］方向生长形成针状晶体的结晶习性，但反应产物始终处于表面活性剂异辛烷的包覆下，相当于在微小反应器内生长，晶体的生长习性改变，最终制备出球状颗粒。相对来讲pH＝6.0条件下合成的FA分散性最好，颗粒大小相对来讲较均匀，其最小粒径约为50nm。pH＝9.0条件下合成FA团聚程度较为严重，较多结为紧实块状。

图4 FA的扫描电镜照片 （a）pH＝9.0FA；（b）pH＝6.0FAFig 4 SEM micrographs of FA （a）FA synthesized at pH＝9.0；（b）FA synthesized at pH＝6.0

2.5 氟磷灰石的EDS能谱分析

图5为pH＝7.5条件下合成FA的EDS图谱，表3为所测物质所含元素的质量分数。从表3看出，在pH＝7.5条件下合成的FA中不存在氢元素，进而证实所制备的FA中不存在羟基，与FT－IR图谱分析一致。C，O，F，P，Ca的原子分数依次为12.40%，53.00%，6.84%，10.56%，17.11%，可知 Ca／P 比约为1.62，与FA中Ca／P比1.67很接近。而F在Ca10（PO4）6F2中原子分数约为3.58%，与实际百分含量6.84%相差较大，因此所测物质中含有其他氟的物相。

图5 pH＝7.5条件下合成的FA的电子能谱分析谱图Fig 5 EDS spectrum of FA synthesized at pH＝7.5

表3 pH＝7.5条件下合成FA化学成分表Table 3 Element composition of FA compounded at pH＝7.5

3 结论

（1）采用OP乳化剂＋正葵醇／异辛烷／水溶液、磷酸氢二铵、氟化钾、硝酸钙微乳液体系可以合成球状颗粒氟磷灰石。

（2）在弱碱条件下更利于氟磷灰石的合成，同时结晶程度更高，在pH＝7.5条件下所制备氟磷灰石的Ca／P比约为1.62。

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