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1、3 中国意大利政府合作项目 纳米2甲壳素复合材料研究(2005GH22(20050054)韩长菊:女,1972年生,硕士,研究方向为功能材料 E2mail:hcjworld 陈庆华:男,1962年生,教授,导师,研究方向为材料学 E2mail:chenqinghua_ynl 纳米羟基磷灰石/胶原蛋白复合支架材料的制备与性能研究3韩长菊,陈庆华,杨喜昆,叶金凤,高 伟(昆明理工大学材料与冶金工程学院,昆明650093)摘要 以饱和Ca(OH)2上清液、磷酸和胶原蛋白为原料,在3639、p H=89条件下,用共滴定法制备纳米羟基磷灰石/胶原蛋白复合支架材料。用XRD、SEM、TEM、IR对材料的晶
2、相结构、结晶程度、化学键结构、微观形貌、晶粒大小进行分析。结果表明:复合材料由低结晶度的纳米羟基磷灰石(5nm60nm20nm100nm)和胶原蛋白纤维组成,二者之间形成了紧密键合。关键词 共滴定法 纳米羟基磷灰石 胶原蛋白 支架材料Study on Preparation and Characterization of Nano2hydroxyaptite/Collagen Protein Composite Scaffold MaterialsHAN Changju,CHEN Qinghua,YANG XiKun,YE Jinfeng,GAO Wei(Facuty of Materials
3、 and Metallurgical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093)AbstractNano2hydroxyapatite/collagen protein composite scaffold materials are synthesized from the super2nate of saturated Ca(OH)2solution,phosphoric acid and collagen protein by simultaneous titration at 3639
4、and p H89.Crystallite phases,crystallization,micro2morphology,crystallite size and chemical bond are characterized byXRD,SEM,TEM and IR.The results show that the composite consists of nanosize hydroxyapatite(560nm20100nm)with low crystallinity and collagen protein fiber.The chemical bond is formed b
5、etween hydroxyapatite and col2lagen protein.Key wordssimultaneous titration,nano2hydroxyapatite,collagen protein,scaffold materials0 前言骨组织由24%的有机成分和75%的无机成分组成,其有机成分的95%是胶原,无机成分则主要是羟基磷灰石(HAP)和少量的碳酸磷灰石、氟磷灰石等1。因此可以说,天然骨是由低结晶度的纳米羟基磷灰石和胶原组成2。根据“纳米效应”理论,单位质量的纳米粒子表面积明显大于微米级粒子,使得处于粒子表面的原子数目明显增加,提高了粒子的活性,从而有
6、利于组织的结合3。因此,与微米羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料相比,纳米羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料具有生物可降解性高、表面能较大、生物活性更好,生物相容性良好等特点2。本实验用饱和Ca(OH)2上清液、H3PO4和胶原蛋白为原料,用共滴定法来制备纳米羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料,并对复合材料的性能进行了表征。1 实验1.1 原料本实验所用胶原蛋白由湖州珍露生物制品有限公司提供,Ca(OH)2(广东汕头市西陇化工厂)和H3PO4(广东汕头达濠区精细化学品有限公司)为分析纯。1.2 方法饱和Ca(OH)2上清液:称取一定量的Ca(OH)2粉末加入蒸馏水中,搅拌、过滤得澄清的上清液。胶原蛋白磷酸溶液:
7、按化学计量比用移液管取一定量85%的磷酸溶液,加入500ml蒸馏水稀释,再称取一定量胶原蛋白(HAP/Col=8/2)溶解于磷酸溶液中置于滴定装置中备用。复合材料的制备:在1000ml三口烧瓶中加入10ml蒸馏水,放于磁力加热搅拌器上,把Ca(OH)2上清液与胶原蛋白磷酸溶液同时滴入三口烧瓶中,通过控制滴入速度来调节p H值(89)及反应时间,控制磁力加热搅拌器的加热速度以调节反应液温度(3639)。反应液滴加完毕后,加少量蒸馏水冲洗滴定装置,冲洗液加入三口烧瓶中。反应结束后,继续保温搅拌810h,p H值降为7.0左右。之后倒入烧杯中陈化24h左右,在箱式电阻炉中于80 恒温烘干。1.3 复
8、合材料的成型称取少量的羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料粉末,与不同比例的蒸馏水混合,形成膏状,从一次性注射器中挤出,观察挤出成型情况。发现在水过多或过少的情况下都难以成型,经过反复实验,得出当粉末和水的质量比为11.8时为最佳配比。在这种情况下得到的膏状物粘性好,适于注射成型,注射后干燥较931纳米羟基磷灰石/胶原蛋白复合支架材料的制备与性能研究/韩长菊等 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/慢,适合于人体骨修复微创手术的应用。1.4 复合材料的检测用日本理学D
9、/max2200型全自动X射线衍射仪来检测材料的晶相结构和结晶程度,用飞利浦FEI公司制造的Quanta200型扫描电镜(SEM)观察复合材料的微观结构,用飞利浦公司的EM420型透射电镜(TEM)观察分析复合材料晶粒形貌和大小,用EQUINOX55型傅立叶转换红外光谱仪对复合材料的化学键结构进行分析。2 实验结果与讨论2.1 复合材料晶相结构与结晶程度的分析图1为实验室自制的3种不同HAP粉末的XRD图谱。图中(a)为用Ca(OH)2悬浮液和磷酸反应制成的微米级HAP,反应温度和搅拌速度与(b)相同,并经过150 保温1.5h、300 保温1h、750 保温5h的高温处理;(b)为纳米HAP
10、/Col蛋白复合材料;(c)为与(b)相同条件下制得的纳米HAP。比较3个图谱,发现(a)的衍射峰尖锐清晰。(b)和(c)衍射峰的位置、数量与(a)的一致,只是(b)有部分衍射峰发生重叠,(b)、(c)主要衍射峰峰形宽化,这可能是因为HAP/Col蛋白复合材料和纳米HAP的晶粒细化所引起的峰形变化。据衍射峰的位置和d值查晶体XRD卡片,复合材料衍射峰(b)的位置与标准HAP晶体的衍射峰图谱一致,说明复合材料中无机相主要为羟基磷灰石。羟基磷灰石的平均粒径可通过谢乐公式计算,用(002)面2=25.9 处的峰算出纯羟基磷灰石中单个晶体的大小为32nm,而复合材料中羟基磷灰石颗粒大小为21nm。用(
11、310)面2=39.8 处的峰算出纯羟基磷灰石中单个晶体的大小为13.0nm,复合物中羟基磷灰石颗粒大小为8.6nm。用(222)面2=46.76 处的峰算出纯羟基磷灰石中单个晶体的大小为16.3nm,复合物中羟基磷灰石颗粒大小为8.9nm。图1 样品的XRD图谱Fig.1XRD patterns of the specimen由计算结果来看,两者粒度都已达到纳米级。总体看来,复合材料中羟基磷灰石粒度要小于相同条件下制备的纯羟基磷灰石粉体。出现这种现象,可能是由于胶原蛋白的链状结构有效地防止了羟基磷灰石颗粒的团聚,使其颗粒细化。2.2 扫描电镜(SEM)分析图2所示为37、p H值为9、HAP
12、/Col=80/20条件下制备的HAP/Col蛋白复合材料的SEM照片。从图2(a)中可看出,胶原蛋白纤维呈絮团状均匀分布,构成了复合材料的基本框架,HAP呈颗粒状镶嵌在胶原蛋白絮团中。由图2(b)中数据可知,复合材料中HAP晶粒大小平均为70nm左右,且均匀沉积在胶原蛋白基质上并交联、团聚成束形成多孔结构,从形貌上分析说明羟基磷灰石与胶原蛋白形成了有机/无机间的复合。图2 纳米HAP/Col蛋白复合材料的扫描电镜图Fig.2SEM photograph of nano2HAP/Col protein composites2.3 透射电镜(TEM)分析图3为纳米HAP和HAP/Col蛋白复合材
13、料的透射电镜照片,以及复合材料的选区电子衍射图案。将在相同条件下制备的纳米HAP以及HAP/Col蛋白复合材料(37,p H=9)于水中超声波分散后(温度小于25),滴到覆盖一层无定型碳膜的铜网上,干燥,用透射电镜观察。由图3(a)可以看出,实验合成的纳米羟基磷灰石是针状或棒状的低结晶度的晶体,平均尺寸为10nm80nm20nm100nm。复合材料中羟基磷灰石晶体也是低结晶度的,晶体形状为针状或棒状。颗粒尺寸平均为5nm60nm20nm100nm,与天然骨中的纳米羟基磷灰石晶粒尺寸(520nm60nm)相近2。单个胶原蛋白链的长度为300nm,宽度为20nm,由三束胶原蛋白纤维缠绕而成,图中长
14、链为23个胶原蛋白链形成的胶原蛋白簇,羟基磷灰石颗粒镶嵌在胶原蛋白簇中。图3 样品的透射电镜图Fig.3TEM photograph of the specimen由HAP/Col复合材料的透射电镜衍射照片可以看出,有明显的衍射弧,说明羟基磷灰石晶体中某晶面产生了择优取向,从而使其具有了一定的单晶特性4。为了确定此晶面的密勒指数,对此衍射弧进行了计算。由电子衍射基本公式:d=K/R计算得该衍射弧d=3.44。根据六方晶系1/d2递增规律:1d2=43h2+hk+k2a2+l2c2041材料导报 2007年9月第21卷第9期 1994-2013 China Academic Journal El
15、ectronic Publishing House.All rights reserved.http:/可求得该晶面的密勒指数为(002)。可见HAP微晶体以其晶格c轴沿胶原蛋白纤维的长轴方向择优取向4。用同样的方法可算出由内到外的另外几个圆弧和圆环分别为(211)、(310)、(222)、(004)、(304)面的衍射图案。由衍射照片可看出在(002)、(004)面晶体具有很强的择优取向,在(211)、(310)具有择优取向的迹象。2.4 红外光谱分析图4为样品红外光谱图,(a)为实验室自制的HAP的IR光谱,(b)为纳米HAP/Col蛋白复合材料的IR谱,(c)为买来的胶原蛋白的IR光谱。
16、表1为羟基磷灰石的谱峰指认,表2为胶原蛋白的谱峰指认。图4 样品的红外光谱图Fig.4IR spectra of the specimen与图4(c)的光谱相比,在1405cm-1附近羧基的吸收峰在图4(b)中已基本消失,说明在该点发生了化学键合。Rhee等证实:胶原蛋白分子中的游离羧基是胶原蛋白的成核位点5。羰基(酰胺I键)的吸收峰发生了红移,羰基从胶原蛋白中的1650cm-1处移到了HAP/Col蛋白复合材料中的1647cm-1处。另有研究者证明胶原蛋白上的羰基是磷酸钙矿化的另一类成核位点,纳米羟基磷灰石晶体沉积在胶原蛋白的表面5,6。同时,与纯胶原蛋白相比,复合材料中酰胺3个键的吸收峰都
17、有所降低,酰胺峰(1547cm-1附近)和酰胺峰(1248 cm-1附近)的吸收峰强度降低明显,几乎接近消失。在、带中,每一种酰胺带都包含两种振动方式,而且都含氨基N2H键的面内弯曲振动。、带的显著降低表明,N2H键面内弯曲振动受阻的程度远大于C=O键的伸缩振动。C=O伸缩振动为一维运动(直线),而N2H面内弯曲振动为二维运动(平面)。当HAP以羰基为核心结晶时,N2H键发生面内弯曲比较困难,所以酰胺、带降低程度要比酰胺I带显著5。通过以上分析可以说明,复合材料中的有机相与无机相之间已发生了化学键合。图4(a)和(b)中在874 cm-1附近都出现了CO2-3的特征峰,这说明在合成HAP的过程
18、中有部分来自于空气的CO2溶于溶液中,形成了CO2-3根。图4(a)中CO2-3根的峰强要比(b)中的峰强小,说明HAP在胶原蛋白上成核的过程中,有来自于有机物中羧基分解并重新组合而形成的碳酸根。复合材料中的CO23离子是这两种情况共同作用的结果。碳酸根替代晶格中部分PO3-4,这是天然骨中普遍存在的磷灰石的形式7。表1 羟基磷灰石的谱峰指认Table 1FTIR band assignments of HAP波数/cm-1指认3570OH-中O2H的伸缩振动3425H2O中O2H的收缩振动1635H2O中O2H的弯曲振动1454CO2-31421CO2-31094PO2-41034PO3-4
19、963PO3-4874CO2-3631PO3-4604PO3-4566PO3-4和HPO2-4473HPO2-4表2 胶原蛋白的谱峰指认Table 2FTIR band assignments of the collagen波数/cm-1指认3388酰胺游离NH和OH的伸缩振动3084酰胺氢键NH的伸缩振动2965CH3的伸缩振动2865CH2的伸缩振动1650酰胺 键,C=O伸缩振动1547酰胺 键,NH面内弯曲和CN伸缩振动1453CN弯曲振动1405COO伸缩振动1335CH伸缩振动1248酰胺 键的CN伸缩和NH弯曲振动1161NH2面内摇摆振动1086C2O伸缩振动599NH2面外摇
20、摆振动3 结论(1)以Ca(OH)2饱和上清液、磷酸胶原蛋白溶液为原料,采用共滴定的方法控制p H为89,温度为3639 及适当的反应速度,制备了纳米羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料。(2)通过XRD分析表明复合材料的无机相主要为羟基磷灰石,结合XRD、扫描电镜分析结果表明,复合材料中HAP的粒度为5nm60nm20nm100nm,结晶度低,呈纳米级针状;胶原蛋白呈链状,23个胶原蛋白链相互交联成簇,HAP均匀地沉积在胶原蛋白簇上。(下转第149页)141纳米羟基磷灰石/胶原蛋白复合支架材料的制备与性能研究/韩长菊等 1994-2013 China Academic Journal Electro
21、nic Publishing House.All rights reserved.http:/(100)峰强度较SAT21的该峰强度分别下降了41%、68%和64%。2.3FT2IR图5是SAC22、SAC23和SAC24的FT2IR谱图。由图5可见,SAC22、SAC23和SAC24谱线分别在 波数 为552cm-1、557cm-1和558 cm-1处出现一肩状吸收带,对应于13X沸石的基本结构单元D6R双六元环9,10。13X沸石的基本结构单元D6R双六元环如果在合成分子筛过程中未进入到样品结构中,就会在半成品过滤时被过滤掉。图5的结果表明,13X沸石的基本结构单元D6R已成功引入到SAC
22、22、SAC23和SAC24的骨架结构中。图5SAC22,SAC23和SAC24的傅立叶红外光谱图Fig.5FT2IR spectra of the SAC22,SAC23 and SAC243 结论由天然矿物微斜长石合成介孔分子筛是可行的;合成的分子筛孔壁中含有13X沸石基本结构单元,即硅铝氧构成的双六元环结构单元。对样品孔序度的研究表明,摩尔比(CTABSiO2)越大,样品孔序度越好;母液搅拌时间1h比0.5h条件下合成的样品的孔序度好;晶化时间由2天逐渐增加到4天后,分子筛孔序度在各个方向上已变得非常好,继续延长晶化时间至6天和8天后,样品孔序度仍然很好,但样品XRD曲线上主衍射峰(10
23、0)强度下降,意味着随晶化时间延长,样品在(100)方向上短程有序性有所下降。参考文献1Beck J S,Vartuli J C,Roth W J,et al.A new family ofmesoporous molecular sieves prepared with liquid crystaltemplate.J Am Chem Soc,1992,114:108342Katok K V,Tertykh V A,Brichka S Ya,et al.Pyrolyticsynthesis of carbon nanostructures on Ni,Co,Fe/MCM241catalyst
24、s.Mater Chem Phys,2006,96:3963Michalska A,Daturi M,Saussey J,et al.The role ofMCM241 composition in the creation of basicity by alkalimetal impregnation.Microp Mesop Mater,2006,90:3624Tsoncheva T,Areva S,Dimitrov M,et al.MCM241 silicamodified with copper and iron oxides as catalysts for metha2nol de
25、composition.JMolecular Catalysis A:Chemical,2006,246:1185Lee D,Jung G S,Lee H C,et al.Methanol synthesis overPd/SiO2with narrow Pd size distribution prepared by usingMCM241 as a support precursor.Catalysis Today,2006,111:3736Farzaneh F,Taghavi J,Malakooti R,et al.ImmobilizedVitamin B12within nanorea
26、ctors of MCM241 as selective cat2alyst for oxidation of organic substrates.J Molecular Catal2ysis A:Chemical,2006,244:2527Mehraban Z,Farzaneh F.MCM241 as selective separator ofchlorophyll2a from 2carotene and chlorophyll2a mixture.Microp Mesop Mater,2006,88:848吴秀文,马鸿文,韩剑,等.铝硅质介孔分子筛Al2MCM241的合成与水热稳定性
27、评价.材料导报,2006,20(3):1299章西焕,马鸿文,杨静,等.利用粉煤灰合成13X沸石分子筛的实验研究.中国非金属矿工业导刊,2003,2:2310亢宇,马鸿文,杨静,等.新型介孔分子筛的合成与性能表征.硅酸盐学报,2004,32(8):930(责任编辑 张 敏)(上接第141页)(3)由透射电镜分析结果可知,HAP颗粒镶嵌在胶原蛋白纤维中,在(002)、(004)面呈现很强的择优取向,在(211)、(310)有择优取向的迹象。(4)通过对复合物的红外光谱分析可知,HAP与胶原蛋白纤维间发生了化学键合,HAP在胶原蛋白纤维上成核生长时,发生了与天然骨类似的碳酸化过程。(5)复合物粉体
28、加入适量蒸馏水(质量比为HAP/Colwa2ter=11.8)可制成膏状体,适于用针管注射,如果作为药物或干细胞载体,有望用于人体微创手术。参考文献1林晓艳.骨修复用胶原复合支架材料研究进展.国外医学生物医学工程分册,2004,27(2):1232林晓艳,温贤涛,李虎,等.共滴定法制备纳米羟基磷灰石/胶原复合材料及其性能.四川大学学报(工程科学版),2004,36(4):673谭延斌,王毅,杨庆铭,等.纳米级羟基磷灰石梯度涂层对成骨细胞表型因子表达的影响.上海第二医科大学学报,2005,25(4):3824Sang2Hoon Rhee,Yasushi Suetsugu,Junzo Tanaka
29、.Biomi2metic configurational arrays of hydroxyapatite nanocrystalson bio2organics.Biomaterials,2001,22:28435黄兆龙,张伟,崔福斋.胶原调制磷酸钙矿化成核位点的红外光谱研究.光谱学与光谱分析,2004,24(5):5396Zhai Y,Cui F Z,Wang Y.Formation of nano2hydroxyapatiteon recombinanthuman2like collagen fibrils.Current ApplPhys,2005,5:4297Roveri N,Fal
30、ini G,Sidoti M C,et al.Biologically inspiredgrowth of hydroxyapatite nanocrystals inside self2assembledcollagen fibers.Mater Sci Eng,2003,23:4418贝拉米L J.复杂分子的红外光谱.北京:科学出版社,1975.2469杭州大学化学系分析化学教研室.分析化学手册.北京:化学工业出版社,1983.56710卢涌泉,邓振华.实用红外光谱解析.北京:电子工业出版社,1989.22(责任编辑 秋 果)941影响铝硅质介孔分子筛孔序度因素的实验研究/吴秀文等 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/