男11期報 vol.19,No.I2004年1月 Journal of Inorganic MaterialsJan.,2004文章編號:1000-324(204)01-0234-0聚乙二醇對合成無定形磷酸鈣的影響李延報,翁文劍,程逵,杜丕一,沈鴿,韓高榮(浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程系,杭州310027摘要:采用聚乙二醇(PEG)先與鈣反應(yīng)后,再與磷源溶液反應(yīng),在低溫環(huán)境中制得無定形磷酸鈣.借助XRD分析討論了 PEG CaCl22配比及PEG分子量與形成無定形磷酸鈣之間的關(guān)系,實驗結(jié)果表明, PEG CaCl22配比為1:1和PG分子量為10000是形成穩(wěn)定無定形磷酸鈣的最佳條件,其PEG穩(wěn)定無定形磷酸鈣的作用可理解為:在合成過程中PEG易存在于無定形磷酸鈣Ca(PO4)團簇之間和吸附在無定形磷酸鈣顆粒周圍,有效地阻止了無定形磷酸鈣向晶態(tài)的轉(zhuǎn)變關(guān)鍵詞:無定形磷酸鈣聚乙二醇生物材料中圖分類號:TB383文獻標識碼:A1引言磷酸鈣是人體硬組織中的主要無機成分,具有良好的生物相容性,在硬組織修復(fù)材料領(lǐng)域中有很大的應(yīng)用價值.由于與硬組織的無機物組成接近,羥基磷灰石和B磷酸三鈣目前得到廣泛的研究和應(yīng)用前者具有生物活性和骨傳導(dǎo)性,但生物降解很難;后者雖然具有一定的降解速率,但是與生物可降解的聚合物復(fù)合后仍然不能完全中和聚合物降解時釋放的酸性而無定形磷酸鈣由于其具有高生物降解速率和優(yōu)良的骨傳導(dǎo)性,被用作可生物降解聚合物基復(fù)合材料的填充劑,抑制/中和由聚合物降解時釋放出來的酸性2.這可以調(diào)節(jié)復(fù)合材料的降解速率,以便消除炎癥和滿足骨組織工程對生物材料降解速率的要求由于無定形磷酸鈣在水溶液中具有很高的反應(yīng)活性和溶解速率,很容易就轉(zhuǎn)變?yōu)榱谆沂?合成穩(wěn)定的無定形磷酸鈣比較困難一般采用稀溶液和快速法,在形成的沉淀物沒有轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)前過濾、冷凍干燥而得到無定形磷酸鈣34最近,有人用膜滲透一控制法獲得無定形磷酸鈣,這種方法比較復(fù)雜,并且合成的無定形磷酸鈣也容易晶化另外,研究如何獲得水溶液中穩(wěn)定的無定形磷酸鈣的報道比較多,利用Mg2+、P2O以及氧氯化鋯等無機物可以穩(wěn)定無定形磷酸鈣3,46:某些生物大分子也可以穩(wěn)定無定形磷酸鈣另外,人工合成聚合物(如聚丙烯酸)能影響磷灰石的結(jié)晶度,但是并不能獲得穩(wěn)定無定形磷酸鈣在羥基磷灰石合成中,低分子量的PEG常被用作分散劑[8 Saujanya等人研究磷酸鈣填充聚合物時發(fā)現(xiàn)PEG可以降低磷酸鈣的結(jié)晶能力,但仍沒有得到無定形磷酸鈣低溫可以減弱無定形磷酸鈣向磷灰石轉(zhuǎn)變時所需的離子遷移、擴散,降低無定形磷酸鈣反應(yīng)收稿日期:2002-11-20,收到修改稿日期:2002-12-20基金項目:浙江省科技項目(012102)作者簡介:李延報(1975-),男,博士研究生,通訊聯(lián)系人:翁文劍,e-mail: wengwjzju.cdu.cn1期李延報,等:聚乙二醇對合成無定形磷酸鈣的影響235活性和溶解速率.本文采用PEG先與鈣反應(yīng)后,再與磷源溶液反應(yīng),在低溫環(huán)境中合成了穩(wěn)定的無定形磷酸鈣并利用FTIR、XRD等手段對反應(yīng)物進行了表征2實驗2.1原料和實驗過程原料為分析純的無水CaCl2、Na3PO412H2O和進口分裝的聚乙二醇(PEG,分子量為10000.將一定比例的PEG和CaCl溶于00mL的水中,把 NagPO4412H2O溶于100mL的蒸餾水中,攪拌溶解后放入5C下冷藏待溫度穩(wěn)定在5后將兩溶液混合,在磁力攪拌下反應(yīng)30min.過濾、洗滌,去除C-子,直至用硝酸銀滴定濾液無沉淀為止冷凍干燥48h,取出放入干燥器備用.本實驗樣品具體制備條件見表1表1樣品制備條件 Table 1 Preparation conditions of the samples studied in this work" Sample No. ACP1 ACP2 ACP3 ACP4 ACP5 ACP6 ACP7 ACP8 ACP9 ACP10 PEGCaCl220:14:14:12:11:1:21:41:101:11:1 (wt. ratio) WM ofPE/kDa10101010101010106 Temp.525555555515 .Reaction time is 30min for all samples2.2測試方法用立葉紅外光譜儀(f-ir, NicoletAvatar60型)測定樣品中各官能基團,采用Kr壓片法.用粉末X射線射(XRD Rigaku/ma-RA CuKa掃描速度4/min)測定樣品的結(jié)晶狀況3實驗結(jié)果3.1無定形磷酸鈣的形成圖1是樣品ACP1、ACP2和ACP3的R圖譜.ACP1樣品中沒有加入PEG,XRD(圖1a)圖譜顯示為羥基磷灰石相的衍射峰ACP3是加入PEG在5C下形成的沉淀,XRD(圖1b)圖譜顯示為無定形相,102030405060而含有PEG的樣品在25°C下形成的樣品20()ACP2則顯示出羥基磷灰石的衍射峰.這表圖1反應(yīng)物的XRD圖譜明加入PEG后在低溫可以形成無定形磷酸 Fig. 1 XRD patterns of the precipitates ob-鈣,但是在室溫下則仍不能形成無定形磷tained酸鈣 (a)ACP1: (b)ACP2; (e)ACP33.2PEG對無定形磷酸鈣合成的影響圖2是在相同分子量、不同配比的PEG:CaCl下制得磷酸鈣的XRD圖譜.加入pEG236無機材料學(xué)報19卷后,沉淀物的衍射峰強度迅速下降,當(dāng)加入PEG的量 PEG為 CaCl22=21(2a)時,沉淀物是無定形的磷酸鈣;隨著PEG加入量的減少沉淀物開始發(fā)生晶化, PEG CaCl22=1:2(圖2c)時已出現(xiàn)磷灰石(002)晶面衍射峰,并且隨著PEG加入的減少,衍射強度增加這說明當(dāng)PEGCaCl2為1:1或大于1:1時,可以容易地形成無定形磷酸鈣圖3是加入相同配比、不同分子量的PEG下制得磷酸鈣的XRD圖譜PEG分子量為100006000時,磷酸鈣為無定形磷酸鈣相;當(dāng)PEG分子量下降到1000時磷酸鈣開始結(jié)晶,出現(xiàn)磷灰石(002)和(211)晶面衍射峰.在 PEG CaCl22為1:1時,分子量為10000和6000時,可以獲得無定形磷酸鈣20()102030圖2不同配比的PEGCaCl2對沉淀物相的2()影響圖3不同分子量的PEG對沉淀物相的影響 Fig. Effect of the weight ratio of PEG: CaCl2 Fig. 3 Effect of the different molecule weight on the phases of the precipitates of PEG on the phases of the precipitates (a)ACP4; (b) ACP5; (c)ACP6; (d)ACP7; (e) (a)ACP10; () ACP9; ()ACP5 ACP8;(f)ACP94討論在沒有PEG的水溶液中,無定形磷酸鈣的形成比較簡單,如式(1)所示.但是形成的無定形磷酸鈣沉淀在沒有加入穩(wěn)定劑的情況下很容易經(jīng)過溶解-再結(jié)晶過程發(fā)生(2)自催化地晶化轉(zhuǎn)變,出現(xiàn)了圖1a的XRD圖譜ca2+(aq)+po-(aq)→ca-phosphate(amorphous, solid)(1) Ca-phosphate(amorphous, solid)Ca-phosphate(crystaline, solid)(2)無定形磷酸鈣是短程有序的,基本結(jié)構(gòu)單元是C(PO4)團簇這些團簇相互無規(guī)則地堆積在一起,形成尺寸為300~800A的球狀顆粒.無定形磷酸鈣含有10%~20%的結(jié)合水,這些結(jié)合水存在于Ca(PO4)6團簇之間411]在原子結(jié)構(gòu)上Cag(PO4)團簇和磷灰石是相似的,只是某些原子發(fā)生了扭曲412.無定形磷酸鈣向磷灰石轉(zhuǎn)變時,這些團簇中的原子發(fā)生一些松弛、自我排列,溶液中的Ca2+、PO等離子聚集排列在團簇表面逐漸長大成晶核,即轉(zhuǎn)化成晶態(tài)12.無定形磷酸鈣向磷灰石轉(zhuǎn)變時,必須有兩個過程,一是形成晶核時Ca(PO4)6團簇中原子的自我排列、聚集,這與離子遷移、交換密切相關(guān);二是磷灰石晶核長大時無定形磷酸鈣的溶解412在沒有穩(wěn)定劑的水溶液中,這兩個過程很容易發(fā)生,無定1期李延報,等:聚乙二醇對合成無定形磷酸鈣的影響237形磷酸鈣很難獲得加入PEG后,可形成無定形磷酸鈣(圖c).溶液中有PEG存在時,無定形磷酸鈣的形成與上述過程不同.PEG可以和很多的陽離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)1314圖4是PEG中加入鈣離子前和加入鈣離子后的紅外光譜圖.PEG是一種結(jié)構(gòu)較為簡單的聚合物,紅外特征吸收峰主要是C-0-C鍵的吸收峰由圖可知,當(dāng)40003000200010001200800 Wave number/cm-PEG中加入鈣離子后,在1050~1150cm-1區(qū)間圖4純PEG和含有Ca2離子PEG的紅C-0-C鍵的吸收峰明顯向低波數(shù)移動,而且外光譜圖吸收峰發(fā)生分裂.這表明C-0-C鍵在該區(qū)間 Fig. 4 FTIR spectra of PEGwithout Ca2+()的不對稱伸縮振動由于受Ca2+離子的影響, and with Ca22+(b)其振動頻率降低.這也說明了鈣離子與聚乙二The stretching vibration of the C-C-o- group醇分子中的氧原子形成絡(luò)合結(jié)構(gòu)(1314所以,加入PEG后,PEG與Ca2+離子發(fā)生絡(luò)合形成PEG-Ca2+絡(luò)合物反應(yīng)過程中,一部分Ca2+離子和PO離子發(fā)生式(1的反應(yīng);另一部分PEG-Ca2+離子和PO離子發(fā)生式(3)的反應(yīng),在PEG分子鏈附近形成無定形磷酸鈣的團簇,這些團簇再無規(guī)則地聚集就形成無定形磷酸鈣沉淀 PEG-Ca2++PO(aq)PEG-Ca-phosphateamorphous, solid)(3在本實驗中,PEG在形成無定形磷酸鈣過程中有兩種可能存在形式:一種是少量的 PEG PEG-Ca2+絡(luò)合物的形式替代無定形磷酸鈣Cag(PO4)團簇之間的結(jié)合水位置;另一種是大量的PEG吸附在剛形成無定形磷酸鈣顆粒表面加入PEG后,PEG正是從上述兩個過程阻止無定形磷酸鈣向晶態(tài)轉(zhuǎn)變替代無定形磷酸鈣團簇之間結(jié)合水的PEG,可以有效地阻礙Cag(PO4)團簇中原子的自我排列和離子的遷移、交換,也就是阻止了磷灰石晶核的形成吸附在無定形磷酸鈣顆粒周圍的PEG一定程度上影響無定形磷酸鈣的溶解,也不利于無定形磷酸鈣向晶態(tài)的轉(zhuǎn)變,這說明PEG要有一定濃度和尺寸,才能起到穩(wěn)定劑的作用上述的轉(zhuǎn)變過程可以很好地解釋圖2和3的實驗結(jié)果.當(dāng)PEG的加入量增大時(即PEG:CaCl2配比變大),鈣離子能與PEG形成較充分的絡(luò)合,鈣離子由于受到PEG大分子鏈的牽制、阻礙,很難能夠自由地自我排列形成磷灰石晶核;同時由于溶液中粘度的增大,形成晶核所需離子的遷移、交換也受到影響當(dāng)PEG的分子量增大時,溶液的粘度增大,減弱了形成晶核所需離子遷移、交換速率.本實驗中 PEG CaC2配比為1:1、PEG分子量為10000時,可以很好地阻礙無定形磷酸鈣向晶態(tài)轉(zhuǎn)變,這說明PEG要有一定濃度和尺寸,才能起到穩(wěn)定劑的作用溫度對形成無定形磷酸鈣的影響很大.剛形成的Ca(PO4)團簇很容易向晶態(tài)轉(zhuǎn)變,但是一旦Cag(PO4)6團簇聚集形成沉淀顆粒并且有PEG存在于團簇之間時,這種轉(zhuǎn)變趨勢受到PEG的影響而變小.從熱力學(xué)角度來說在25下溶液的離子反應(yīng)活性比較高,剛形成的Cag(PO4)6團簇還沒有開始聚集便轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)(圖1b).在5°時,則剛形成的Cag(PO4)團簇?zé)o規(guī)則聚集形成無定形磷酸鈣(圖1c)238無機材料學(xué)報19卷5結(jié)論在溶液中PEG可以和Ca2+離子形成PEG-a2+絡(luò)合物;加入PEG后,可以得到穩(wěn)定的無定形磷酸鈣,不同的 PEG CaCl22配比及不同分子量的PEG對無定形磷酸鈣的穩(wěn)定性均有較大影響PEG的添加量為PEG:CaCl2=11和分子量為10000時是形成穩(wěn)定無定形磷酸鈣的最佳條件參考文獻 [1] Yohji I, Aya F, Mariko. 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Key words amorphous calcium phosphate poly(ethylene glycol); biomaterials