天然表面活性剂辅助制备羟基磷灰石材料研究*

2021-06-07谷婉婷董雨萱詹舒辉蒋建新韩春蕊

功能材料 2021年5期

谷婉婷，董雨萱，刘彤，韩冰，詹舒辉，蒋建新，韩春蕊，2，宋杰

(1. 北京林业大学材料科学与技术学院，林业生物质材料与能源教育部工程研究中心，北京 100083；2. 江苏省生物质能源与材料重点实验室，南京 210042；3. 美国密西根大学(弗林特) 生物与化学系，美国密西根州48502)

0 引言

羟基磷灰石(HAP)是脊椎动物骨质的主要成分，具有良好的生物相容性并与骨组织形成牢固的骨性结合等特点，被认为性能良好的骨修复替代材料[1]。HAP由于其稳定性和较好的生物相容性，成为了药物递送材料的研究热点[2]。目前合成HAP材料的方法有水热法[3]、沉淀法[4]、溶液凝胶法[5]，模板法[6]等。其中模板法制备HAP在结晶性能、粒径尺寸、比表面积等的控制表现出突出的优越性。Wan等[7]用十二烷基硫酸钠(SDS)阴离子表面活性剂作为模板，层状双金属氢氧化物(LDH)作为新型基因载体，合成了层状羟基磷灰石纳米板，将其用作DNA的装载材料。Wu等[8]以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的胶束作为晶体生长的成核中心，利用低温共沉淀法，洗涤除去表面活性剂模板，成功合成了介孔羟基磷灰石纳米粒子。以上所用模板均为具有一定柔性结构的石油基表面活性剂，为开发更环保天然和生物相容性好的表面活性剂用于HAP制备，本课题组采用自制生物质松香基磷酸酯阴离子刚性表面活性剂，得到多层组装结构的形貌均匀的羟基磷灰石材料，研究发现松香阴离子表面活性剂在材料制备中起到模板和离子吸附作用，影响材料形貌[9-10]。但松香磷酸酯合成过程复杂，副产物多，产物纯化具有一定困难，对HAP合成具有一定影响。前期研究发现，天然萜类表面活性剂无患子皂苷可作为模板，用于合成无机材料。詹等[11]将无患子皂苷与十二烷基苯磺酸钠复配，并将其作为模板制备得到形貌均匀的氢氧化镍材料。无患子皂苷不仅具有松香的萜类刚性结构，且提取方便，克服了松香衍生物合成困难的问题。本文采用无患子皂苷辅助制备HAP材料，以期获得天然表面活性剂制备HAP的优良方法，同时结合量子化学，深入探讨表面活性剂法制备无机材料的机理。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

四水合硝酸钙；磷酸二氢铵；乙醇；(除无患子皂素外其余均为分析纯)。GS-L型反应釜(威海嘉毅化工机械有限公司)；Hitachi S4800N II扫描电子显微镜； X射线衍射仪(德国布鲁克)。

1.2 实验方法

1.2.1 无患子皂苷的提取

无患子皂苷的提取方法参照文献[12]。

1.2.2 HAP材料的合成

根据前期实验探索，在180 ℃条件下制备HAP杂化材料形貌相对较好，且无患子皂苷的临界胶束浓度(CMC)为0.2 g/L[11]。因此本研究直接在180 ℃时探讨酸碱条件下不同浓度的影响。配制0.087 mol/L的四水合硝酸钙溶液、0.052 mol/L的磷酸二氢铵溶液、无患子皂苷的乙醇溶液0.5 g/L(2.5CMC)、1.0 g/L(5CMC)、2.0 g/L(10CMC)调节材料形貌，用氢氧化钠调节体系pH。实验方案如表1所示。

表1 实验方案

1.2.3 HAP材料的表征

采用场发射扫描电子显微镜(SEM， JSM-7001F，日本)观察合成样品的微观结构和形貌。

X射线衍射仪(XRD)用于样品的晶相分析。在XRD进行分析(Bruker D8 ADVANCE，德国)的衍射光谱记录从15到70°；采用CuKa(波长0.154056 nm，40 mA，40 kV)速率为0.05°/s。

1.2.4 量子化学计算

利用Gaussian，在HF/6-31G(d)水平下，进行无患子皂苷量子化学计算。

2 结果与讨论

2.1 SEM表征

2.1.1 酸性条件下无患子皂苷辅助制备HAP

样品1～8所得HAP材料的扫描电镜照片分别如图1中a～h。其中，酸性条件下，以无患子皂苷辅助制备得到的HAP材料扫描电镜图分别对应图1(c)、e、g。从图1 c中可以看出，在酸性条件下，加入少量无患子皂苷所制备的材料与不加时(图1a)相比平均长度变短。从局部放大图中可以看出，样品为长度、宽度不均匀的六棱柱状；当无患子皂苷浓度进一步增大到1g/L时，如图1 e所示，材料的大小逐渐变均匀，并有形成组装结构的趋势，棒状材料的长度在30-40 μm，宽度在1μm左右；当体系中无患子皂苷浓度增加到2 g/L时，如图1 g所示，材料有一部分形成了由棒状单体组装成的蒲公英状聚集体，蒲公英的直径在10 μm左右，组装体棒的长度在5 μm左右。从图1 c、e、g中材料的变化趋势可以看出，随着无患子皂苷浓度的增加，材料形貌呈均一化，聚集化的趋势改变。说明无患子皂苷能限制晶体在某个方向上的生长，从而使得材料形貌变得均一化。样品3、5和7所用皂苷浓度分别为2.5CMC、5CMC、10CMC，皂苷在体系中聚集形成有序的胶束微结构，使反应在一定的空间内进行[13]，进而起到模板的作用，浓度越高，组装形貌越明显[14]。另外，与课题组以松香磷酸酯合成的HAP材料相比[9]，所得蒲公英形貌规则性稍差，主要是由于松香磷酸酯制备HAP，其即作为表面活性剂，又作为磷源，松香磷酸酯水解过程原位生成HAP，HAP形成速度慢，材料可控性强[15]。

2.1.2 碱性条件下无患子皂苷辅助制备HAP

图1 羟基磷灰石材料扫描电镜图Fig 1 SEM images of HAP

2.2 XRD表征

图2为所得HAP材料XRD衍射谱图，其中a～d分别为样品1、2、7和8的XRD衍射谱图。试样在25 °、 29 °、32 °、33 °、34 °、39 °、46 °、47 °、49 °和53 °处出现特征峰，与标准卡JCPDS Card No. 73-0293 和标准卡JCPDS Card No. 09-432(002)、(210)、(211)、(112)、(300)、(202)、(212)、(401)、(213)和(004)面对应，可以确定所得试样属于六角棒状结构[17]。对比a和b 衍射峰发现，酸性条件下(002)、(112)和(202)面的衍射明显不如碱性条件，即酸性条件下，此3个晶体面生长较弱，说明酸性条件为长棒状结构，而碱性条件趋于形成颗粒，与SEM电镜结果相符。对比图2 c和d也有类似的规律，不同的是，c的(002)面衍射峰明显增强，可能是在此条件下以无患子皂苷为模板形成的簇状形貌影响了晶面的变化。样品7在小于10°出现的明显峰，可能是HAP在生成过程中，由于静电、吸附等作用引入了表面活性剂无患子皂苷有机结构[9]。

图2 羟基磷灰石材料XRD图(a、b、c和d分别为样品1、2、7和8)Fig 2 XRD of HAP (a, b, c and d were samples of 1, 2, 7 and 8)

2.3 无患子皂苷量子化学分析

为考察无患子皂苷在HAP合成过程中的作用，对无患子皂苷化学结构进行量子化学运算和分析。图3Ⅰ为无患子皂苷化学结构式，无患子皂苷不仅含有多个六元环刚性骨架亲油结构，还含有羟基、糖苷等亲水基团。由于取代基羟基和多糖骨架上取代甲基上氢位置不同，化合物存在如图3Ⅱa-e所示空间构型异构体。图中红色、灰色和白色分别代表O、C和H原子。进行量子化学计算结构优化，其中图3Ⅱa结构对应化合物能量最高，为-1 571 707.720 kcal/mol，是由于多糖基与4号位的羟基距离较近，存在较大的空间位阻；而Ⅱb、Ⅱc、Ⅱd结构中，通过多糖基和羟基取代位置的变化，逐渐消除了空间位阻的影响，因此能量逐渐减小；其中Ⅱe的能量最小，为-1 571 718.607 kcal/mol，表明图3Ⅱe对应结构更稳定，为无患子皂苷分子最优存在结构。

图3 无患子皂苷(Ⅰ)结构式；(Ⅱa-e)不同分子构型Fig 3 The molecular configuration of sapogenin compounds: (Ⅰ) structural formula; (Ⅱa-e) spatial configuration

在HAP材料形成过程中，皂苷的影响主要表现为模板和吸附作用，为探究无患子皂苷在合成HAP过程中的静电吸附机理，选取图3Ⅱe对应无患子最优构型进行静电势能运算，得到无患子皂苷静电势图如图4所示。图中外环境颜色越深代表电荷越集中，从图中可以看出，皂苷分子的负电荷主要分布在两部分，一部分为左侧多糖中羟基，另一部分为右侧酯键位置，相比，右侧具有更多负电中心聚集，其对HAP合成过程中钙离子具有较大吸附作用。