文章编号：1004-0609(2013)12-3394-07

均匀沉淀法制备多孔羟基磷灰石球晶

王  萍，李国昌

(山东理工大学 材料科学与工程学院，淄博 255091)

摘  要：以生物碳酸钙作为钙源，采用均匀沉淀法，制备多孔羟基磷灰石(HA)球晶。利用SEM、XRD、FT-IR和光学显微镜研究球晶的形貌、尺寸、成分和相组成。结果表明，球晶由片状含碳酸HA纳米晶体组成，平均直径为5~15 μm，大小均匀、分散性好、结构精致、对称性好。在正交偏光镜间球晶呈现黑十字消光，用补色法则测得为正光性球晶。

关键词：生物碳酸钙；羟基磷灰石球晶；均匀沉淀法；十字消光

中图分类号：TB321         　   　     文献标志码：A

Preparation of porous hydroxyapatite spherulites by homogeneous precipitation method

WANG Ping, LI Guo-chang

(School of Materials Science and Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255091, China)

Abstract: Hydroxyapatite (HA) spherulites were prepared by homogeneous precipitation method using biological calcium carbonate as a raw material. The morphology, size, structure and phase of the HA spherulites were characterized by SEM, XRD, FT-IR and polarized light microscopy. The result show that the HA spherulites with delicate structure and supreme symmetry are formed by self-assembly of plate-shaped HA nanocrystals. The average diameter of HA spherulites with even sizes and better dispersibility is 5-15 μm. The HA spherulites present a black cross extinction between the crossed polarizers microscopes, and they are optically positive spherulites by compensation principle.

Key words: biological calcium carbonate; hydroxyapatite spherulites; homogeneous precipitation method; cross extinction

与其他粉末材料相比，多孔微球粉末具有体积密度低、流动性好、不易团聚、注射性能优良、作为填充材料不易引起应力集中等优点，近年来已经引起研究者越来越多的关注^[1-3]。

羟基磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, HA)是一种无机化合物，是人体和动物骨骼的主要无机矿物成分。近年来，HA因其特殊的表面和结构性质^[4]、良好的生物活性和生物相容性，被广泛应用于生物医学^[5-9]、有害离子的离子交换^[10-12]、色谱柱吸附剂^[12]和催化剂载体^[13]等领域。

HA微球集合了成分与结构的诸多优良性能，是一种具有良好应用前景的材料。目前，制备羟基磷灰石微球的方法主要有模板法^[14-15]、喷雾干燥法^[12]、锂钙硼(LCB)玻璃微球原位转化法^[16]、微乳液法^[17]、水热法^[18]和均匀沉淀法^[19]等。在这些方法中，玻璃微球转化法、微乳液法等工艺比较复杂；硬模板法可制备直径较大的HA微球，同时可能将杂质引入产物；喷雾干燥法形成的微球粒径小于2 μm的颗粒较多，大小不均匀。

与上述方法比较，均匀沉淀法是在含钙磷的均匀透明溶液中，借助于溶液pH值的改变自发形成晶核，直接沉淀出HA微球，整个反应是在开放系统和较低温度(85~95 ℃)下进行^{[9, 19]}。

在鸡蛋壳的成分中，无机物约占94%~97%，有机物3%~6%(质量分数)。无机物中主要为碳酸钙(约97%)，少量碳酸镁(1%~2%)，此外还含有微量钾、钠和铁等。鸡蛋壳资源丰富，质地纯净、无毒，可直接应用于食品、饲料等行业；在材料、医药、化工等领域，可作为良好钙源，用于原料的合成。

本文作者以鸡蛋壳为钙源，采用均匀沉淀法，制备出大小均匀、分散性好、结构精致、高度对称的HA球晶，对球晶的形貌、尺寸、物相、成分和结构特征进行研究，并对球晶的光性特征进行测定。本方法原料廉价易得、安全、纯净；实验过程操作简单、反应时间短、能耗低；反应条件易于控制，结果可重复性好。

1  实验

1.1  实验方法

鸡蛋壳的预处理和Ca(OH)₂原料的制备，采用与文献[19]中相同的方法进行。微球制备的基本实验过程如下：向Ca(OH)₂中加去离子水搅拌形成0.2 mol/L的悬浮液。向H₃PO₄中加去离子水配制成0.12 mol/L的溶液。搅拌下将H₃PO₄溶液滴入Ca(OH)₂悬浮液中(n(Ca)/n(P)=1.67)；向混合液中加入硝酸至沉淀溶解，溶液澄清。再加入0.5~1.0 mmol/L的EDTANa₂和6 g尿素。将烧杯置于90 ℃的水浴中，恒温、常压下反应10 min。将沉淀过滤，用蒸馏水和乙醇反复洗涤，120 ℃干燥。

1.2  表征

产物的形貌分析使用荷兰Sirion200型场发射扫描电子显微镜(SEM)，加速电压为5~10 kV，分辨率为1.5 nm，铂金镀膜。物相分析使用德国D8-ADVANCE型X射线粉末衍射仪(XRD)，测量范围为2θ=2°~60°；测试条件：Cu K_α辐射(λ=0.154 nm)，电压40 kV，电流35 mA，扫描速度2 (°)/min。红外光谱(FT-IR)测试使用美国Thermo Electron公司生产的Nicolet 5700傅立叶变换红外光谱仪，KBr压片，波数范围为400~4 000 cm^-1，分辨率为4 cm^-1。晶体光学特征观察采用麦克奥迪MOTIC POL-BA300型偏光显微镜。

2  结果与讨论

2.1  形貌分析

不同EDTANa₂浓度下所制备样品的形貌如图1所示。由图1可知，当EDTANa₂浓度为0.3~1.0 mmol/L时，所有样品均为球形，直径为5~15 μm，大小均匀，分散性好。微球由片状纳米晶构成，片晶垂直于球面排列，微晶之间存在大量孔隙。EDTANa₂浓度、反应温度、反应时间、搅拌速度和搅拌时间等都会影响片状HA纳米晶的晶面发育、结晶度、微球直径和微孔尺寸^[19]。

EDTA 是一种氨基和羧基络合剂，分子中有两个氨基氮和4个羧基氧，能与金属离子形成配位键。当EDTA 加入到Ca(OH)₂溶液后，Ca²⁺迅速与EDTA 络合形成Ca²⁺-EDTA 配合物。Ca²⁺-EDTA 遇到后，再生成HA沉淀。反应式如下：

Ca²⁺+EDTA^2- Ca²⁺-EDTA                (1)

Ca²⁺-EDTA+ HA+EDTA             (2)

由于Ca-EDTA配合物比较稳定，能抑制Ca²⁺的释放速度。EDTANa₂浓度增加，从均匀溶液中析出的Ca²⁺减少，使成核和晶体的生长速度变慢。因此，在生长时间相同时，随EDTANa₂浓度的增加，片状微晶的尺寸和球晶的直径减小。另一方面，HA中的Ca²⁺暴露在HA片状微晶的(300)晶面，使(300)晶面带正电荷。EDTA^2-在(300)晶面吸附，抑制此面的生长，微晶发育成平行(002)晶面的片状。而不同片晶通过(300)晶面相互连接，形成结构精致、高度对称的球晶。

2.2  物相分析

样品的XRD分析结果见图2。由图2可知，主要结晶相为HA。随EDTANa₂浓度的增加，晶面的衍射峰宽化更加明显，HA的结晶度降低。但是，随着EDTANa₂浓度的增加，(300)晶面衍射峰强度降低并趋于消失，(002)晶面衍射峰强度的变化较小，I₍₀₀₂₎/I₍₃₀₀₎逐渐增大(见表1)。可见，EDTANa₂具有抑制HA(300)晶面生长的趋向，对(002)晶面的影响较小。除HA外，还存在少量磷酸八钙(OCP, Ca₈(HPO₄)₂(PO₄)₄·5H₂O)和磷酸氢钙(DCPA, CaHPO₄)晶相。杂相的存在与结晶早期溶液的pH值较低有关。

图1  不同EDTANa₂浓度下HA微球样品的SEM像

Fig. 1  SEM images of HA spherulite samples at different EDTANa₂ concentrations

图2  不同EDTANa₂浓度下HA微球样品的XRD谱

Fig. 2 XRD patterns of HA spherulite samples at different EDTANa₂ concentrations

表1  EDTANa₂浓度与样品I₍₀₀₂₎/I₍₃₀₀₎的关系

Table 1  Relationship between EDTANa₂ concentration and I₍₀₀₂₎/I₍₃₀₀₎ of samples

2.3  红外光谱分析

图3所示为EDTANa₂浓度为0.5 mmol/L时制备样品的红外光谱。与HA标准样品(Standard Reference Material^R 2910)进行对比，所制微球的光谱是含碳酸羟基磷灰石的典型光谱。在445、1 039 cm^-1处的单峰以及565~603 cm^-1处的双峰属于磷酸盐。1 650和3 450 cm^-1附近的宽吸收属于吸附水，羟基峰被吸附水的宽峰掩盖。碳酸盐组吸收峰的位置取决于替代所处的位置。有4种振动模式，v₁、v₂、v_3a和v_3b。v₁因与的强带重叠，在样品的红外光谱中没有观察到。已知在磷灰石晶格中，有两种替代位置：A型取代(替代OH^-)为通道离子替换，其中v₂、v_3a和v_3b分别在 880、1 458和1 546 cm^-1处出现。对于B型替代 (替代)，v₂、v_3a和v_3b下移至871、1 420和1 475 cm^-1位置^[20-21]。对于本研究制备的微球粉末，碳酸盐v₂、v_3a和v_3b谱段依次在883、1 454和1 465 cm^-1 处出现，因此所制备的粉末主要是A型替换含碳酸HA。

根据样品的XRD分析计算晶胞参数，结果如表2所列。由表2可知，与纯HA相比，所制备样品的a₀稍有增加，c₀稍有减小。表现出典型的通道离子替换(A型替换)特征^[21]，与红外光谱分析结果一致。据资料，在HA的结构中，OH^-位于平行c轴的较大通道中，OH^-的位置可以被F^-、Cl^-和等离子替换，形成复杂且具有磷灰石结构的固溶体。这些固溶体的晶胞参数随着替代离子的半径变化而变化：替代离子半径增加，a₀增加，c₀反而减小^[21]。

图3  HA微球样品的红外光谱

Fig. 3  FT-IR spectrum of HA spherulite sample

表2  微球样品的晶胞参数

Table 2  Cell parameters of HA spherulite samples

形成A型替换碳酸羟基磷灰石的原因可以从以下3个方面分析：1) 反应是在开放系统中进行，反应溶液的初始pH值比较低，因此环境中的CO₂得以进入溶液形成；同时，尿素分解也产生。2) 反应溶液的初始n(Ca)/n(P)=1.67，为化学计量配比。随着尿素的逐渐分解，溶液pH值逐渐升高，HA结晶。反应初始阶段，由于Ca²⁺受到EDTANa₂的约束缓慢释放，使溶液中的过量，OH^-反而不足。因此，在反应早期，体系中没有足够的OH^-与形成[CO₃OH]四面体，以[CO₃]三角形配位体替换通道中的OH^-，形成A型替代。3) [CO₃]三角形配位体与OH^-的匹配性较低，替代能较大，因此进入通道的的量有限。从其红外光谱也可以看出，属于碳酸盐的吸收峰较弱。

2.4  显微结构及光性特征

图4所示为EDTANa₂浓度为0.5 mmol/L时HA球晶样品的单偏光显微照片。由图4可知，透射光下，大多数球形粒子具有中空的同心层状构造。

图4  HA球晶的显微照片

Fig. 4  Micrograph of HA spheres

图5所示为HA球晶样品的正交偏光显微照片。由图5可知，正交偏光下，微球出现黑十字消光(见图5(a))；黑十字的两臂分别平行于上、下偏振片的振动方向，黑十字的4个象限呈现一级灰白干涉色。黑十字消光图像(Maltase cross, 马尔塔斯黑十字)是球晶双折射性质和高对称性的反映^[22]。与聚合物球晶类似，实验获得的微球是由放射状分布的羟基磷灰石片状微晶缔结组成的球晶。片状微晶从中心向外对称生长，在生长过程中不受阻碍时即形成球晶。球晶具有光学各向异性，对光线有双折射作用，因此在正交偏光显微镜下观察，结晶态球晶会呈现出特有的黑十字消光现象。

插入石膏试版后，黑十字的第1、3象限干涉色升高变为蓝色，第2、4象限干涉色降低变为黄色，为正光性球晶(见图5(b))。

羟基磷灰石为六方晶系，空间群C²_6h-P6₃/m，属于一轴晶晶体。由于垂直光轴方向的折射率N_o大于光轴方向的折射率N _e，即N_o＞N_e，为一轴晶负光性晶体。但是，由微小羟基磷灰石片晶组成的球晶却是正光性的球晶，这与片晶的排布方式有关。

片状HA是c面((002)晶面)发育的微晶^[19](见图6(a))。微晶中光率体(光率体是指晶体中折射率随光波振动的方向变化的光性指示体，光率体的椭圆半径表示相应方向的折射率)椭圆半径N_o和N_e的分布如图6(b)所示。平行(002)晶面(此面垂直光轴)的光率体切面是半径为N_o的圆；平行a面(此面平行光轴)的光率体切面是半径为N_o和N_e的椭圆。当片状微晶以a面相互缔结构成球晶时，微晶的c面与球面垂直(见图6(c))。此时，N_o主要沿着球晶的半径方向分布，N_e主要沿着球晶同心圆的切线方向分布。当球晶置于正交偏光镜之间(见图7(a))，平行PP的下偏光进入球晶后，有两种情况：在黑十字范围内，球晶的光率体椭圆半径分别与PP和AA平行，使得这一区域消光呈现黑十字。球晶被黑十字分割的4个象限，光率体椭圆半径与PP和AA斜交，振动方向平行PP的偏光进入球晶后会产生分解，形成在AA方向上振动的分量，产生干涉，因此，这4个区域是明亮的。由于球晶半径方向的折射率(N_o)较大，同心圆切线方向的折射率(N_e)较小，从正交偏光镜间插入石膏试板(见图7(b))，被黑十字分割的4个象限中，第1、3象限与石膏试板同名半径平行，干涉色升高变为蓝色；第2、4象限与石膏试板异名半径平行，干涉色降低变为黄色，球晶为正光性球晶。

图5  HA球晶在正交偏光镜间的黑十字消光

Fig. 5  Black cross of HA spherulites between crossed polarizers

图6  HA片状微晶与球晶示意图

Fig. 6  Schematic diagrams of lamellar microcrystalline and spherulites of HA

图7  正交偏光镜间HA球晶黑十字成因与光性测定示意图

Fig. 7  Schematic diagrams of black cross origin and optical sign determination of HA spherulites between crossed polarizers

因此，在本研究中所制备的微球是由片状HA纳米晶体组成的结构精致、高度对称的正光性球晶。

3  结论

1) 以生物碳酸钙作为钙源，在开放系统含钙、磷离子的均匀溶液中通过均匀沉淀法，制备了羟基磷灰石(HA)球晶。

2) 球晶是由HA纳米片晶组成的多孔、结构精 致、高度对称的正光性球晶。球晶直径为5~15 μm、大小均匀、分散性好。

3) EDTANa₂浓度影响片状HA纳米晶的结晶度、晶面发育和球晶直径。

4) 由于反应是在开放系统中进行，得以进入HA晶格，形成A型替代含碳酸羟基磷灰石。

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(编辑  陈卫萍)

收稿日期：2013-02-07；修订日期：2013-07-23

通信作者：王  萍，教授；电话：13220671386；E-mail: wangping-0616@sdut.edu.cn