利用墨鱼骨粉末制备羟基磷灰石实验研究*

王继平，白春华，李光辉

（1.内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010；3.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712）

人体和脊椎动物的骨骼主要无机成分是羟基磷灰石.在人体骨中，羟基磷灰石大约占60%，齿骨中的羟基磷灰石含量则高达97%[1-3].羟基磷灰石在人体pH环境下具有优异的生物相容性、生物活性和化学稳定性，被广泛作为人骨缺损的修复材料.因此，研究羟基磷灰石的制备流程及工艺方法具有重要意义[4-6].墨鱼骨为天然生物材料，其纹层状基质和背盾部分的主要成分均为文石相碳酸钙[7-9].

利用水热法分8 h或24 h制备羟基磷灰石.对所制备的样品分别采用XRD，SEM等方法进行表征分析，研究了不同实验条件下墨鱼骨纹层状基质及背盾粉末转化羟基磷灰石的情况[10，11].

1 实验部分

1.1 实验材料和仪器

（1）主要材料：市售墨鱼骨样品（质量均在50 g左右），购买后手工肉骨分离，制备墨鱼骨（生产商：烟台小两口电子商务有限公司）；磷酸二氢铵（分析纯），天津市致远化学试剂有限公司；无水乙醇（分析纯），天津市天力化学试剂有限公司；双氧水（分析纯），天津市永大化学试剂有限公司；蒸馏水.

（2）主要设备：X射线衍射仪（XRD，D／max 2500 PC，Rigaku日本），Vector22型傅里叶红外光谱仪（FTIR，Vector22，Bruker德国），XL30型扫描电子显微镜（SEM，XL30 Philips，荷兰）；X射线光电子能谱仪（ESCALAB250XI，Thermo，美国）；CJF-1型高压反应釜（河南省巩义市予华仪器有限公司）.

1.2 实验步骤

1.2.1 墨鱼骨粉末的制备

人工分离背盾与纹层状基质，将样品磨成粉末状（颗粒直径＜100μm），利用双氧水浸泡、搅拌除去墨鱼骨粉末中的有机成分，再利用无水乙醇加热、搅拌、回流12 h，以去除全部有机杂质，烘干后收集制备完成的墨鱼骨纹层状基质和背盾粉末样品，备分析使用.

1.2.2 羟基磷灰石的制备

墨鱼骨的主要成分为碳酸钙（墨鱼骨矿物经分析，其中还有许多阳离子，如：钠、镁、锶等，在反应中都是存在的，并会转移到生成物羟基磷灰石中）.利用自制墨鱼骨纹层状基质和背盾粉末样品与磷酸二氢铵在高压釜中以分别在120，150，180℃条件下水热反应8，24 h.

水热反应机理：

具体操作步骤如下：将3.0 g墨鱼骨粉末和磷酸二氢铵（30 ml，0.6 mol／L）水溶液加入高压釜中（容量为80 mL，聚四氟乙烯制作）.反应温度分别设定为120，150，180℃，搅拌转速控制在350～400 r／min范围内，连续加热8 h，24 h.待反应结束后，利用无水乙醇对反应产物加热回流12 h，以除去吸附在产物表面的杂质，然后抽滤、烘干.利用XRD，SEM等方法进行分析，联合分析羟基磷灰石的生成情况.

2 结果与分析

2.1 墨鱼骨纹层状基质与背盾的表征分析

2.1.1 XRD分析

图1中（a）为墨鱼骨纹层状基质部分的XRD图，（b）为墨鱼骨背盾部分的XRD图.对比分析可知，主要峰形、峰位基本一致，弱峰强度略有不同，表明墨鱼骨背盾与纹层状基质的主要成分相同，衍射谱图中强峰2θ值及其对应晶面分别为（111），（021），（012），（200），（112），（130），（220），（221），（041），（132）与文石相碳酸钙（CaCO3）JCPDSNo.05-0453标准卡片中的数据进行对比，发现强峰一一对应，说明墨鱼骨纹层状基质和背盾的主要成分为文石相碳酸钙.谱图中也见弱峰2θ值及其对应晶面分别为（104），（110），（113），（202），（018）与方解石相碳酸钙JCPDSNo.72-1652标准卡片中的峰位吻合度较高，证明墨鱼骨纹层状基质和背盾中均含有少量方解石相碳酸钙.

图1 墨鱼骨XRD图（a）180℃，8 h；（b）124℃，24 h

2.1.2 SEM分析

对墨鱼骨纹层状基质和背盾粉末进行扫描电镜微观形貌分析.图2为墨鱼骨纹层状基质粉末SEM照片.从图2（a）中可以看出，研磨后粉末颗粒的粒级主要在10～100μm之间，该粒径范围内的粉末颗粒易于和磷酸二氢铵溶液进行水热反应，制备羟基磷灰石；进一步放大观察，从图2（b）中可以看出，墨鱼骨纹层状基质的纹层结构，呈定向分布，粉末颗粒比表面积大、表面粗糙多孔.综上所述，可以判断墨鱼骨纹层状基质粉末在微观形貌上的特点，具备转化带有生物活性的羟基磷灰石的必要属性.

图2 墨鱼骨纹层状基质粉末SEM图

图3为墨鱼骨背盾粉末SEM照片.图3（a）为墨鱼骨背盾粉末颗粒的扫描电镜照片，可以看出，在相同研磨条件下，由于墨鱼骨背盾相对硬度较大，颗粒粒径也普遍相对较大，颗粒直径在100μm左右，虽然墨鱼骨背盾与墨鱼骨纹层状基质主要成分均为碳酸钙，但墨鱼骨背盾中方解石相碳酸钙含量高于纹层状基质，方解石相碳酸钙为三方晶系，硬度较大，而文石相碳酸钙为六方晶系，硬度较低.对墨鱼骨背盾粉末颗粒进一步放大观察，从图3（b）中可以看出，墨鱼骨背盾也有纹层状结构，主要呈定向分布排列.

图3 墨鱼骨背盾粉末SEM图

2.2 制备的羟基磷灰石表征分析

分别利用墨鱼骨纹层状基质和背盾粉末在不同温度和反应时间条件下制备羟基磷灰石，具体反应条件如表1所示，对反应产物分别利用XRD，SEM等表征方法进行分析.

表1 不同实验条件下墨鱼骨制备羟基磷灰石

2.2.1 XRD分析

图4为墨鱼骨纹层状基质转化的羟基磷灰石XRD对比分析图.对比分析可知：谱图4（a），（b），（c）峰形、峰位基本一致，主峰强度大致相同，谱图与JCPDSNo.74-0566标准卡片中羟基磷灰石的数据一一对应，说明产物主要为羟基磷灰石；在谱图中未找到明显衍射强峰与JCPDSNo.05-0453标准卡片中文石相碳酸钙粉末的标准XRD衍射图的强峰对应，说明墨鱼骨纹层状基质中的文石相碳酸钙接近完全转化为羟基磷灰石；在谱图4（a），（b），（c）中发现弱峰与JCPDSNo.72-1652标准卡片中方解石相碳酸钙的标准XRD粉末衍射图的峰位吻合度较高，证明方解石相碳酸钙并没有参与反应生成羟基磷灰石.谱图4（d）峰形、峰位与其他谱图基本一致，表明在实验条件下文石相碳酸钙粉末生成了羟基磷灰石，但其谱图主峰强度与背景相差较小，与其他谱图明显不同，表明在实验条件下，部分文石相碳酸钙粉末生成了非晶产物.

图4 墨鱼骨纹层状基质转化的羟基磷灰石XRD对比分析图（a）120℃，8 h；（b）150℃，8 h；（c）120℃，24 h；（d）180℃，8 h

图5 墨鱼骨背盾转化的羟基磷灰石XRD对比分析图.对比分析可知：图5（a），（b）谱图峰形、峰位均不相同，主峰强度不一致，谱图（a）中强峰与JCPDSNo.74-0566标准卡片中羟基磷灰石的数据一一对应，说明产物主要为羟基磷灰石，在谱图（a）中未找到明显衍射强峰与JCPDSNo.05-0453标准卡片中文石相碳酸钙粉末的标准XRD衍射图的强峰对应，说明墨鱼骨纹层状基质中的文石相碳酸钙接近完全转化为羟基磷灰石，谱图中也能发现2θ在10°～25°时存在凸起峰，未见强主峰，证明有部分文石相碳酸钙转化为非晶产物.在谱图5（a）中发现弱峰与JCPDSNo.72-1652标准卡片中方解石相碳酸钙的标准XRD粉末衍射图的峰位吻合度较高，证明方解石相碳酸钙并没有参与反应生成羟基磷灰石.谱图5（b）中强峰与JCPDSNo.05-0453标准卡片中文石相碳酸钙粉末的标准XRD衍射图的强峰对应较好，说明墨鱼骨纹层状基质中的文石相碳酸钙未转化为羟基磷灰石，在谱图5（b）中发现弱峰与JCPDSNo.72-1652标准卡片中方解石相碳酸钙的标准XRD粉末衍射图的峰位吻合度较高，证明方解石相碳酸钙并没有参与反应生成羟基磷灰石.

图5 墨鱼骨背盾转化的羟基磷灰石XRD对比分析图（a）180℃，8 h；（b）180℃，24 h

2.2.2 SEM分析

从XRD图中分析可知，在不同的水热反应温度下，墨鱼骨中文石相碳酸钙均能不同程度够转化羟基磷灰石.图6为120℃、反应8 h墨鱼骨基质转化的羟基磷灰石SEM图.从图中可以看出：粉末颗粒表面形貌已经发生变化，由棱角较为分明的颗粒，逐步转变为表面纤维状或絮状，证明墨鱼骨纹层状基质已经发生水热反应，生成新的产物，即生成羟基磷灰石；图7为150℃、反应8 h墨鱼骨基质转化的羟基磷灰石的SEM图.从图中可以看出颗粒表面纤维状或絮状更加明显，证明墨鱼骨转化羟基磷灰石程度明显增加；图8为180℃、反应8 h墨鱼骨基质转化的羟基磷灰石的SEM图.从图中可以看出视域范围内几乎全部为纤维状或絮状，主要生成非晶产物.图9为180℃、反应8 h墨鱼骨背盾转化的羟基磷灰石SEM图.从图中可以看出粉末颗粒表面形貌已经发生变化，由棱角较为分明的颗粒，逐步转变为表面纤维状或絮状，进一步放大，表面纤维状或絮状更加明显，证明墨鱼骨背盾部分发生水热反应，生成新的产物，即生成羟基磷灰石，与XRD结果一致.图10为120℃、反应24 h墨鱼骨背盾转化的羟基磷灰石SEM图.从图中可以看出颗粒表面呈多孔状，为墨鱼骨的典型微观特征，进一步放大，表面未见明显纤维状或絮状，证明墨鱼骨背盾部 分在该反应条件下未有效转化为羟基磷灰石.

图6 温度120℃、反应时间8 h墨鱼骨基质转化的羟基磷灰石的SEM图

图7 温度150℃、反应时间8 h墨鱼骨基质转化的羟基磷灰石的SEM图

图8 温度180℃、反应时间8 h墨鱼骨基质转化的羟基磷灰石的SEM图

图9 温度180℃、反应时间8 h墨鱼骨背盾转化的羟基磷灰石的SEM图

图10 温度120℃、反应时间24 h墨鱼骨背盾转化的羟基磷灰石的SEM图

3 结论

利用墨鱼骨纹层状基质和墨鱼骨背盾粉末，通过水热反应，在不同反应温度和反应时间下转化羟基磷灰石，利用XRD，SEM等表征方法，分别对生成产物进行表征和分析，得到如下结论：

1）对于墨鱼骨纹层状基质转化羟基磷灰石的工艺方法研究表明：墨鱼骨纹层状基质粉末在温度120℃、反应时间8 h条件下，墨鱼骨纹层状基质中文石相碳酸钙接近完全转化为羟基磷灰石；反应温度120℃、反应时间24 h条件下，墨鱼骨纹层状基质中文石相碳酸钙转化为羟基磷灰石效率更高，但提升不明显；当反应温度升高至150℃，反应时间8 h条件下，反应生成的非晶产物比例明显增加；当反应温度升高至180℃，反应时间8 h条件下，反应生成的主要为非晶产物，说明该反应条件不利于墨鱼骨纹层状基质粉末转化羟基磷灰石.综上所述，墨鱼骨纹层状基质粉末转化为羟基磷灰石较为适宜的方法是温度120℃、反应时间8 h条件.

2）对于墨鱼骨背盾粉末转化羟基磷灰石的工艺方法研究表明：墨鱼骨背盾粉末在温度180℃、反应时间8 h条件下，墨鱼骨背盾中的文石相碳酸钙接近完全转化为羟基磷灰石；但降低反应温度至120℃，延长反应时间至24 h条件下，墨鱼骨背盾中的文石相碳酸钙未见明显转化为羟基磷灰石.综上，如选用墨鱼骨背盾粉末为原料转化羟基磷灰石，较为适宜的方法是温度180℃、反应时间8 h条件.

3）墨鱼骨纹层状基质和墨鱼骨背盾中均含有方解石相碳酸钙，但含量不同，墨鱼骨背盾中含量相对更高，方解石相碳酸钙晶体类型为三方晶系，较为稳定，硬度也相对较高.研究表明，在上述实验条件下，墨鱼骨纹层状基质和墨鱼骨背盾中方解石相碳酸钙并没有参与反应生成羟基磷灰石.