实验分为三个部分, 第一部分: 研究能否根据上述原理合成Si-HA, 并探讨实验温度对Si-HA结晶性能的影响, 陈化24 h, 分别在40℃、50℃、60℃反应温度下合成含硅12%的Si-HA; 第二部分: 研究陈化时间对Si-HA结晶性能的影响, 固定反应温度为60℃, 分别在陈化时间为24、48、72 h条件下合成含硅12%的Si-HA; 第三部分: 研究含硅量对Si-HA结晶性能的影响, 在40℃反应温度, 24 h陈化时间条件下变换含硅量分别为0、2%、7%、12%、17%, 所得产物分别记为HA、2%Si-HA、7%Si-HA、12%Si-HA、17%Si-HA, 样品含硅量以 n(Si)/( n(Si)+ n(P))计算。

以Ca(NO₃)₂、(NH₄)₂HPO₄和TEOS为主要原料,用氨水调节pH=10。各试剂的用量以硅能取代HA中的磷为前提计算, 保持 n(Ca)/( n(Si) + n(P))=1.67。各反应物的用量见表1。先将Ca(NO₃)₂和(NH₄)₂HPO₄配成相同浓度的水溶液, 将计算量的TEOS加入Ca(NO₃)₂水溶液中, 搅拌均匀。一定温度下, 将(NH₄)₂HPO₄水溶液滴入Ca(NO₃)₂水溶液中, 同时用氨水维持pH=10。继续搅拌2 h, 然后在相应温度下陈化一定时间, 水洗除去水溶性杂质, -56℃下冷冻干燥24 h得到白色粉末状产物。实验流程如图1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 试剂用量 Table 1 Quantities of used reactants Samples Ca(NO3)2 /mol (NH4)2HPO4 /mol TEOS /mol Expected w(Si)/% Calculated chemical formula of Si-HA HA 0.025 0.01500 0.00000 0 Ca10(PO4)6(OH)2 2%Si-HA 0.025 0.01470 0.00030 0.335 Ca10(PO4)5.88(SiO4)0.12(OH)1.88 7%Si-HA 0.025 0.01395 0.00105 1.181 Ca10(PO4)5.58(SiO4)0.42(OH)1.58 12%Si-HA 0.025 0.01320 0.00180 2.037 Ca10(PO4)5.28(SiO4)0.72(OH)1.28 17%Si-HA 0.025 0.01245 0.00255 2.903 Ca10(PO4)4.98(SiO4)1.02(OH)0.98

表1 试剂用量 Table 1 Quantities of used reactants

图1

Fig. 1

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	图1 化学沉淀法合成Si-HA流程图Fig. 1 Flow chart of the preparation of Si-HA by the aqueous precipitation route

FTIR采用德国Bruker公司生产的VECTOR 22 FTIR红外光谱仪测试样品的振动光谱, 分辨率为4 cm^-1在4000~400 cm^-1波长范围内进行扫描, 取32次平均值; 元素分析采用德国布鲁克AXS公司生产的S8 TIGER型X射线荧光光谱仪(XRF)测定; XRD采用日本Rigaku D/max-c型X射线衍射仪测试样品的物相、晶型, Ni滤波, Cu Kα辐射源, X射线波长λ=0.1541 nm, 加速电压和电流强度分别为40 kV和70 mA, 设定扫描间隔为0.02°, 扫描速度为4°/min; TEM采用JEM-1011型低分辨透射电子显微镜, 点分辨率: 0.3 nm, 线分辨率: 0.14 nm, 加速电压为100 kV。

不同反应温度下12%Si-HA的XRD图谱如图2, 比较(a)、(b)、(c)三图谱可以看出a、b两图谱非常相似, (211)(112)(300)晶面的衍射峰没有分开, 说明Si-HA的结晶度较低; 峰形不尖锐且明显宽化, 说明晶粒尺寸较小; 但前者的(002)晶面衍射峰比后者更尖锐, 说明前者 c轴晶粒尺寸更大, 从而晶粒长径比更大。天然HA呈针状或棒状, 因此, 40℃的Si-HA与自然HA更相似。(c)图峰形比较尖锐, 因而晶粒尺寸较大; (211)(112)(300)晶面的衍射峰部分分开, 因而结晶度较高, 同时含有杂质峰, 说明高温不适合合成纯净的Si-HA。综上所述, 且从仿生的角度出发, 选择接近人体温度的40℃作为合成仿生Si-HA的最佳温度。

图2

Fig. 2

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	图2 不同反应温度条件下12%Si-HA的XRD图谱Fig. 2 XRD patterns of 12% Si-HA prepared at (a) 40℃, (b) 50℃ and (c) 60℃

单独分析60℃、陈化24 h的12%Si-HA如图3(b)所示。图3(a)的竖线代表PDF标准卡片中HA的标准谱线。以(002)、(210)、(211)、(112)、(300)为代表的衍射峰相对于标准峰向小角方向偏移。这是因为SiO₄^4-取代PO₄^3-进入晶格, Si-O键长(0.161 nm)比P-O键长(0.155 nm)长, 造成晶格间距 d扩大, 根据Brag公式 λ=2 dsin θ, 当X射线波长 λ一定时, 衍射角 θ向小角度偏移。左侧2 θ=17.9º和2 θ=22.4º处有两个杂质峰。

图3

Fig. 3

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	图3 HA标准XRD图谱(a)与60℃、陈化24 h的12%Si-HA的XRD图谱(b)Fig. 3 Standard XRD of HA (a) XRD pattern of 12%Si-HA prepared at 60℃ and aging for 24 h (b)

如图4, (a)、(b)、(c)三图谱在峰位置、峰强度等方面均比较相似, 说明陈化时间对Si-HA的结晶性能基本没有影响。

图4

Fig. 4

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	图4 60℃不同陈化时间条件下12%Si-HA的XRD图谱Fig. 4 XRD patterns of 12%Si-HA prepared at 60℃ and (a) aging for 24 h (a), 48 h (b) and 72 h (c)

图5是HA、2%Si-HA、7%Si-HA、12%Si-HA、17%Si-HA的红外图谱。3569 cm^-1是羟基吸收峰, 3426 cm^-1处的宽峰是水的吸收峰, 1641、1450 cm^-1为碳酸根的ν₃振动吸收峰, 1092、1030 cm^-1是磷酸根的ν₃振动吸收峰, 609、563 cm^-1为磷酸根的ν₄振动吸收峰。随着TEOS含量的增加, OH^-和PO₄^3-的吸收峰呈减弱趋势, 以致于含硅量较高时OH^-峰几乎完全被3426 cm^-1处的宽峰覆盖。由于硅的离子半径和磷的离子半径接近, 故可以部分取代HA晶格中的磷, 因而SiO₄^4-部分取代PO₄^3-进入HA的晶格中, 同时部分OH^-流失以维持电荷平衡。CO₃^2-的存在是因为碱性溶液在反应过程中吸收了空气中的CO₂。

图5

Fig. 5

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	图5 HA和Si-HA的FTIR图谱Fig. 5 FTIR spectra of (a) HA, (b) 2%Si-HA, (c) 7%Si-HA, (d) 12%Si-HA and (e) 17%Si-HA

XRF测得硅和钙元素的含量如表2所示, 硅含量比理论含量偏低, 说明硅没有完全进入Si-HA晶格, 部分硅残留在了溶液中。钙也比理论值低, 说明产物是与自然HA相似的缺钙Si-HA。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 Si-HA的Ca和Si元素含量 Table 2 The content of Ca and Si of Si-HA Samples Expected w(Si)/% Found w(Si)/% Expected w(Ca)/% Found w(Ca)/% HA 0 0 39.84 36.70 2%Si-HA 0.335 0.22 39.90 36.52 7%Si-HA 1.181 0.83 40.18 36.07 12%Si-HA 2.037 1.75 40.42 36.16 17%Si-HA 2.903 2.30 40.67 34.24

表2 Si-HA的Ca和Si元素含量 Table 2 The content of Ca and Si of Si-HA

HA、2%Si-HA、7%Si-HA、12%Si-HA、17%Si-HA的XRD图谱的对比如图6所示, 底部的竖线是PDF标准卡片中HA的标准谱线, 可以看出测得的Si-HA衍射峰与PDF标准谱线基本吻合, 说明得到了较为纯净的目标产物。但是在2 θ为31.773º、32.196º、32.902º的(211)、(112)、(300)晶面的衍射峰没有完全分开, 说明HA的结晶度较低, 且衍射峰明显宽化, 说明晶粒尺寸较小, 这与骨和牙本质中的天然HA的XRD峰基本吻合^{[ 10]}。五种HA的图谱很相似, 随着含硅量的增加, 峰形的尖锐程度降低, 峰宽增加, 说明随着含硅量的增加HA的结晶度降低、晶粒尺寸减小, 与天然HA更相似。

图6

Fig. 6

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	图6 不同含硅量的Si-HA的XRD衍射图谱Fig. 6 XRD patterns of (a) HA, (b) 2%Si-HA, (c) 7%Si-HA, (d) 12%Si-HA and (e) 17%Si-HA

根据Scherrer公式和(002)晶面衍射峰(2 θ=25.8º)的半高宽计算 c轴晶粒尺寸, 用Jade软件求平均晶粒尺寸, 如表3所示, 2%Si-HA的 c轴晶粒尺寸最大, 但整体上随着硅含量的增加呈减小趋势。平均晶粒尺寸也随硅含量的增加而减小。这可能是由于Si-O键长(0.161 nm)比P-O键长(0.155 nm)长, 所以少量的SiO₄^4-取代PO₄^3-可能会引起晶粒尺寸稍微增大, 随着取代量的增加, 引入结晶缺陷, 抑制晶体增长, 晶粒尺寸减小。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 Si-HA的 c轴及平均晶粒大小 Table 3 Grain size of c-axis and average grain size of Si-HA Samples Grain size/nm c-axis Average HA 27 26.6 2%Si-HA 30.5 23.7 7%Si-HA 21.6 21.1 12%Si-HA 20.1 16.1 17%Si-HA 18.9 13

表3 Si-HA的 c轴及平均晶粒大小 Table 3 Grain size of c-axis and average grain size of Si-HA

用Jade软件对XRD图谱进行全谱拟合、精修得到晶胞参数值如表4所示, 随着含硅量的增加, 晶胞参数 a、 c均增大, 与Balas^{[ 9]}的研究结果一样, 其中2%Si-HA的 c值增加幅度较大。SiO₄^4-四面体体积比PO₄^3-四面体大, SiO₄^4-的引入造成晶胞参数增大。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 HA、Si-HA的晶胞参数 Table 4 Lattice parameters of HA and Si-HA Samples a/nm c/nm HA 0.941572 0.686471 2%Si-HA 0.942215 0.690142 7%Si-HA 0.943736 0.686588 12%Si-HA 0.947851 0.686749 17%Si-HA 0.948608 0.687302

表4 HA、Si-HA的晶胞参数 Table 4 Lattice parameters of HA and Si-HA

将Si-HA在水中的悬浮液超声分散, 用铜网捞取适量, 置于透射电镜下观察, 如图7所示, Si-HA分散性较好, 大小均匀, 长度约为20~80 nm, 宽度约为10 nm, 呈针状或棒状, 衬度较小, 结晶度较低。

图7

Fig.7

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	图7 Si-HA的TEM照片Fig.7 TEM images of (a)2%Si-HA and (b)7%Si-HA