纳米羟基磷灰石.doc

纳米材料学作业
2005202027 张峰
一． 外文综述

1．纳米羟基磷灰石与胶原和聚乙烯醇的复合生物材料[1]
材料的制备
1． 合成纳米羟基磷灰石
根据羟基磷灰石中Ca/P摩尔比nCa/Np=1.67，配制Ca(NO3)2·4H2O(80 ml, 0.1 M)溶液和 Na3PO4 (48 ml, 0.1 M)溶液，室温下共滴定，不断搅拌混合液。用Na(OH)2调节PH，使PH保持在10。反应得到悬浊液用布氏漏斗过滤后，去离子水清洗，沉淀物80℃隔夜干燥。
2． 合成纳米羟基磷灰石/PVA复合物
90℃下配制不同浓度的PVA/去离子水混合液，90℃保持30min。在搅拌的条件下加入1中制备的羟基磷灰石粉体，持续搅拌30min，制得的HAp/PVA凝胶体。用冷冻分相干燥法对该胶体脱水干燥（将胶体降温至-20℃后在升温至20℃，如此反复进行1～4个周期）。
3． 合成羟基磷灰石/胶原复合物（HAp/Col）
先在室温下配制30ml、浓度为0.6 mg/ml胶原/水的混合液，持续搅拌2h。之后加入80 ml 0.1M 的Ca(NO3)2·4H2O溶液，再缓慢滴加Na3PO4 (48 ml, 0.1 M)溶液，用Na(OH)2调节PH至10，制得呈凝胶状的HAp/Col复合物。将该凝胶用布氏漏斗过滤，去离子水清洗，室温干燥。
4． 合成羟基磷灰石/胶原/PVA复合物（HAp/Col/PVA）
室温、搅拌的条件下配制15ml浓度为0.3mg/ml的一型胶原/水混合物，持续搅拌1h后把该混合液倒入等体积的PVA/水的混合液中。将得到的混合物室温搅拌30min，再加入40ml0.1M的 Ca(NO3)2（PH调为10），搅拌，70℃保持24h。之后加入24ml0.1M Na3PO4（PH调为10）。如此，在胶原/PVA上原位合成HAp。然后将反应混合物过滤、冲洗、干燥、检测。
结果与讨论
1． 不论是单独合成还是在胶原或PVA或是胶原/PVA纤维上原位合成，所制得的羟基磷灰石都为纳米微粒，其宽为10～30nm，长为40～50nm。
2． 羟基磷灰石通过氢键或[OH-]-Ca2+-[-OH]和PVA和胶原结合形成有机－无机杂化体，此外胶原上的羧基也是和羟基磷灰石上的钙离子结合的位点。由于氢键的形成，随着有机相的增加，在有机相原位合成的羟基磷灰石的粒径和结晶度减小。
3． 在PVA有机相中引入羟基磷灰石无机相后，复合材料的线性粘弹性大大提高，经低温处理后塑性大幅度增加。
4． 复合材料由于胶原的加入、并经脱水处理后强度得到提高，且形成孔径在50～500nm范围内的贯通孔多孔材料。
2．用多糖基羟基磷灰石制备可生物吸收的骨水泥[2]
材料的制备
1． 合成纳米羟基磷灰石
用CaCl2和(NH4)2HPO4共沉淀法制备羟基磷灰石纳米晶体。将0.3M(NH4)2HPO4 水溶液缓慢逐滴滴加到0.5M的CaCl2水溶液中。搅拌速度调整为1000rpm，反应温度保持在60℃，用注射器滴加NH4OH的方法调节混合液的PH值，最小为10。反应所得沉淀在相同的搅拌速度下陈化24h，然后过滤，蒸馏水洗4～5次，微波照射15min。微波照射后将最终的沉淀物10,000rpm转速下离心分离10min，去离子水反复冲洗，之后60℃真空干燥。
2． 制备复合骨水泥
将适量壳聚糖分散在含2％乙酸的蒸馏水中。37℃，1000rpm搅拌的条件下，将1中反应所得最终沉淀分散在上面制得的5 wt％和10wt％的壳聚糖水溶液中，反应6h，之后微波照射5～10min，真空干燥。
结果与讨论
1． 羟基磷灰石单相沉淀的羟基磷灰石颗粒粒径均匀、分散良好、没有团聚。羟基磷灰石/壳聚糖复合物中，羟基磷灰石颗粒熔合在壳聚糖基体上，显著团聚，从而有助于抑制复合体植入生物体后羟基磷灰石脱离基体扩散。
2． 复合物FTIR图谱中出现完整的羟基磷灰石特征峰，且没有出现碳酸钙和氧化钙的吸收峰，说明复合物中的无机相为羟基磷灰石。壳聚糖所有官能团的特征峰也都出现，说明壳聚糖完整复合在复合物中，并没有出现杂相，另外壳聚糖部分乙酰化，生成甲壳素。
3． 热差重分析表明复合物中壳聚糖的含量和反应时壳聚糖的添加量相同，表明壳聚糖很好的融合在复合物中。
4． 体外小牛血清培养实验表明：羟基磷灰石/壳聚糖复合物比纯羟基磷灰石的降解速度快，培养液的PH值随着复合物中壳聚糖含量的增加而降低。37℃下，控制培养液PH为7.4， 测量羟基磷灰石和羟基磷灰石/壳聚糖复合物的钙离子释放量表明：复合物的钙离子释放量多于纯羟基磷灰石，可能是由壳聚糖大分子刺激了钙离子从基体的释放，以及复合物中羟基磷灰石的结晶度降低导致的。
5． XRD分析表明：
1） 羟基磷灰石沉淀呈弱结晶，特征峰出现一致的宽化，具有和天然骨中矿物质相似的特征。
2） 当沉淀羟基磷灰石900℃高温烧结，自然冷却，所得羟基磷灰石衍射峰变得尖锐，结晶度提高，具有和化学计量羟基磷灰石相同的特性。同时衍射图谱中没有出现碳酸钙和氧化钙的衍射峰，说明沉淀产物是单纯、均一的羟基磷灰石。
3） 复合物具有和羟基磷灰石沉淀相似的衍射图谱，说明壳聚糖组分没有引起羟基磷灰石结构上的变化。然而结晶度和晶粒尺寸却出现轻微下降，且随着壳聚糖含量的增加结晶度呈下降趋势。
6． 由于复合物具有平滑的表面，所以植入生物体后不会对软组织造成伤害。
3．超声波沉淀法合成羟基磷灰石纳米颗粒[3]
材料的制备
按钙磷摩尔比Ca/P=1.67、Ca2+的浓度为0.02mol/L配制Ca(NO3)2和NH4H2PO4的均相水溶液，水浴加热，333～363K保温。同时把超声波发生片放入溶液中距瓶底10mm的位置，超声波发生器的输出功率设定为200W，反应1～4h。反应过程中用12wt.%的尿素调整溶液PH在7.4附近。反应结束后，将沉淀分离、过滤，去离子水洗4次，产物353K真空干燥12h。
结果与讨论
1． XRD分析表明反应时间为3h，温度为363K的工艺可制得的单相羟基磷灰石，衍射峰出现宽化，（211）面显示出择优取向生长，表明羟基磷灰石是针状的纳米晶体。根据（211）面谢乐公式计算粒径为18nm。
2． TEM图像显示羟基磷灰石为针状和球状晶体，粒径为20nm。
3． 反应机理：
1） 在Ca(NO3)2和NH4H2PO4均相水溶液中加入尿素后，出现的反应如下：

2） 在用超声波沉淀的过程中，CO2迅速逃逸，溶液PH随之增加，体系发生如下反应:

可见OH－的生成是关键一步，因此不断滴加尿素和调节PH在7.4附近对获得纳米羟基磷灰石是至关重要的。
4． 生成羟基磷灰石的动力学分析表明：超声波条件下生成纳米羟基磷灰石的活化能是59.9kJ/mol增加反应时间和升高反应温度可提高羟基磷灰石的产率。
4．纳米磷灰石晶体／聚酰胺复合骨组织工程支架材料的研究
材料的制备
1． 制备纳米磷灰石晶体／聚酰胺复合粉末
聚酰胺一66(PA66)，分子量为20000.将164克分析纯硝酸钙和98．4克磷酸钠加人到3000ml带有分水装置、搅拌装置和冷凝装置的三颈瓶内，然后加人1500mlDMAC(N，N—dimethyl acetamide)。温度逐步升至140℃，加入55克聚酰胺66，并在140℃保持4小时。直到聚酰胺66全部溶解，冷却至室温，将混合物在不断搅拌状态下缓慢地滴人装有去离子水的不锈钢锅中，加热，使混合物的温度逐步升至7O℃，保温2个小时，然后冷却至室温，陈化24小时。产物用去离子水洗涤3次，倒人烧杯中，使温度上升至95℃ 一100℃，保温3小时，进行水热处理。水热处理完成后冷却至室温，离心过滤，将得到的产物在80—100℃干燥24小时，磨细，过200目筛，得到复合材料粉末。
2． 材料成型
多孔复合材料采用注塑发泡成形。
结果与讨论
1． IR分析表明： 纳米羟基磷灰石的O-H与PA66的酰胺键形成了氢键, 且复合材料形成了新的界面结合，可能的键合方式为：

2． XRD分析表明：
1) 纳米羟基磷灰石与PA66的主要衍射峰在复合材料中依然存在；与纯的HA相比，在复合材料中的n-20HA的晶体结构没有什么变化；PA66的结晶度在复合材料中明显降低，结合IR 分析，可进一步证明PA66分子间的氢键有一定的破坏，可能是n—HA与PA66的分子间相互作用在界面形成了新的化学键，从而影响了PA66分子间氢键结合。
2) 纳米羟基磷灰石/PA66(b)和复合材料在800~C烧结2小时后的羟基磷灰石结晶度提高。
3． TEM分析表明：
水热处理前，复合材料中纳米磷灰石的结晶程度低，晶体不十分明显，经过水热处
理后，复合材料中的纳米磷灰石结晶度增高，明显可见针状纳米磷灰石晶体在聚酰胺基质中。
4． SEM分析表明：
多孔复合材料不仅有大孔，而且大孔壁含有丰富微孔，孔与孔之间是相互贯通的。材料的孔径在100pan至500tan之间，平均孔径为300pan左右。孔隙率分析结果为，多孔复合材料的孔隙率在55％ ～70％之间。
5．自组装法合成羟基磷灰石和胶原的纳米仿生骨材料[5]
材料的制备
实验所用材料为Ca(OH)2, H3PO4和胶原. Ca(OH)2由CaO水化而成，而CaO由CaCO3在
1050ºC 高温下煅烧（去杂质（Mg））3 h而成。胶原用胃蛋白酶处理法（去处胶原表面的抗原体）从真皮中提取而得，反应温度设定在25, 30, 35 和 40 ºC,PH设定在a 7 , 8 , 9. 2L的99.6mM悬浊液和2L的59.7mMH3PO4溶液（添加5g胶原）分别置于右、左两个容器中。原料的填加量是在假设羟基磷灰石完全合成的情况下按照 HAp/Col（80/20）的比例计算的，反应前在中央容器中一升水，调整PH值和反应同步进行。水浴控温，PH值由pH自动调节装置控制,反应所得沉淀用凹孔筛捞出后用单轴冷压机 200MPa冷压16h成型。
结果与讨论
1． TEM分析表明：HAP/COL纤维长20µm，电子衍射分析表明羟基磷灰石沿HAP/COL纤维长度上排列，c轴与纤维长度方向呈一定夹角。这种结合方式和有脊椎动物骨的特征相似。
2． 热重分析表明：随着PH降低，复合物中胶原的含量降低，PH=9时胶原的含量与水相同，达到理想反应状态。PH=9、温度为40℃反应条件下复合物中的水分最少。
3． 对反应PH＝9的样品的弯曲强度的测量表明: 复合物的抗弯强度随着反应温度的增加而增加，而复合物的自组装的程度也同温度正相关，所以材料的抗弯强度应和自组装的程度正相关，而自组装和羟基磷灰石表面的离子和胶原分子上的官能团的界面作用密切相关。根据FT-IP分析，作者提出羟基磷灰石和胶原的自组装机理：
Hap中的钙原子按结晶学分类可分为Ca（1）和Ca（２）两种原子， Ca（２）位于Hap晶体的终端表面，其配位数为７，所以它们被牢牢地固定在晶体中，自组装过程中Ca（２）失去其两个与ｃ轴垂直的配位原子，这就提供了胶原表面游离的羟基和Hap结合的位点,这时羟基基团仍可自由转动,但是当羟基基团和下一个Ca（２）结合时 ,羟基基团就不能自由转动,而是保持和胶原表面成平行状态,这是羟基即垂直于胶原表面又垂直于Hap的c轴,这就造成Hap的c轴和Col长轴平行的结果。
反应示意图如下：

4． 皮下植入实验表明HAp/COL复合材料具有优异的生物相容性和生物学综合性能。
5．骨修复实验表明HAp/COL复合材料是一种理想的骨修复材料。复合材料对骨的修复过程如下：
1） 复合材料被体液腐蚀后部分形成残骸
2） 复合材料及其残骸被巨噬细胞吞噬分解
3) 破骨细胞出现,通过与和吸收自身骨相似的过程对复合材料进行吸收
4) 在复合材料周围出现成骨细胞,成骨细胞在破骨细胞对复合材料吸收后形成的空隙出形成新的骨组织
外文文献：

[1] Nebahat Degirmenbasi. Biocomposites of nanohydroxyapatite with collagen and poly(vinyl alcohol). Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 48 (2006) 42–49
[2] R.Murugan. Bioresorbable composite bone paste using polysaccharide based nano hydroxyapatite. Biomaterials 25 (2004) 3829–3835
[3] Li-yun Cao. Synthesis of hydroxyapatite nanoparticles in ultrasonic precipitation. Ceramics International 31 (2005) 1041–1044
[4] Wei Jie. Tissue engineering scaffold material of nano-apatite crystals and polyamide composite. European Polymer Journal 40 (2004) 509–515
[5] Masanori Kikuchia, Biomimetic synthesis of bone-like nanocomposites using the
self-organization mechanism of hydroxyapatite and collagen. Composites Science and Technology 64 (2004) 819–825
[6] D. Bakos. Hydroxyapatite/collagen/hyaluronic acid composite. Biomaterials 20 (1999) 191－195
[7] Sang-Hoon Rhee. Biomimetic congurational arrays of hydroxyapatite nanocrystals
on bio-organics. Biomaterials 22 (2001) 2843－2847
[8] N. Roveri. Biologically inspired growth of hydroxyapatite nanocrystals inside
self-assembled collagen fibers. Materials Science and Engineering C 23 (2003) 441–446
[9] Y. Zhai. Formation of nano-hydroxyapatite on recombinant human-like collagen fibrils. Current Applied Physics 5 (2005) 429–432
[10] Soichiro Itoh. Development of an artificial vertebral body using a novel biomaterial,
hydroxyapatite/collagen composite. Biomaterials 23 (2002) 3919–3926

作业题

1． 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。（1nm=10－9m，约比化学键长大一个数量级）
广义的纳米材料泛指三维空间中至少有一维处于纳米量级的材料，例如，厚度为纳米量级的薄膜、多层膜；直径为纳米量级的线管。狭义的纳米材料主要是指三个维度均为纳米量级的微粒、微晶及其所组成的材料。
l 纳米粒子：在纳米尺度上原子和分子的集合体，是既大于原子簇又小于通常微粉，一般粒径在1～100 nm之间，只能用高倍电子显微镜进行观察的微粒。
l 纳米固体：由纳米微粒压制烧结而组成的三维物体称为纳米固体．从结构上来说它是由两种组元构成，即颗粒组元和界面组元．
l 纳米复合材料：纳米复合材料大致包括三种类型：一种是0—0复合，即不同成分、不同相或不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体；第二种是0—2复合，即把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中，这种0—2复合材料又可分为均匀弥散和非均匀弥散两类．均匀弥散是指纳米粒子在薄膜中均匀分布，非均匀弥散是指纳米粒子随机地、混乱地分散在薄膜基体中；第三种是0—3复合，即把纳米粒子分散到常规的三维固体中。

2．纳米材料的纳米效应：
l 小尺寸效应：当纳米粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时，周期性的边界条件被破坏，声、光、电、磁、热力学特性等均会随着粒子尺寸的减小发生显著变化，这种因尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应，也叫体积效应，它是其它效应的基础。
l 表面效应：表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化．因表面原子处于“裸露”状态，周围缺少相邻的原子，有许多空悬键，易与其它原子结合而稳定，具有较高的化学活性。
l 量子尺寸效应：量子尺寸效应是指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为分散能级的现象。
l 宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应．近年来，人们发现一些宏观量，例如，微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有贯穿宏观系统势垒而产生变化的隧道效应——宏观量子隧道效应。

3．纳米材料具有：
(1) 小 尺 寸效应：
当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等物性呈现新的小尺寸效应。
(2) 表面效应
纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小表面原子数迅速增加。
（3 )量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能隙变宽现象称为量子尺寸效应。
(4) 宏 观 量子隧道效应：
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。而一些宏观量，如颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量具有隧道效应。

4． 纳米材料测试方法有：
（1）尺度测量：测量包括，纳米粒子的粒径、形貌、分散状况以及物相和晶体结构的测量；纳米线、纳米管的直径、长度以及端面结构的测量和纳米薄膜厚度、纳米尺度的多层膜的单层厚度的测量等。
① 电镜观察法：常用的有透射电镜和扫描电镜
② ×射线衍射线宽法：X射线衍射线宽法是测定颗粒晶粒度的最好方法.
(2) 表面及微观结构分析: 纳米材料的宏观物理性质不仅与粒度有关，更主要的是受表面性质、形态和微观结构的影响。
① 谱分析法: 紫外一可见光谱是纳米材料谱学分析的基本手段，分为吸收光谱、发射光谱和荧光光谱。吸收光谱主要用于监测胶体纳米微粒形成过程；发射光谱主要用于对纳米半导体发光性质的表征，荧光光谱则主要用来对纳米材料特别是纳米发光材料的荧光性质进行表征。
② 热分析法: 纳米材料的热分析主要是指差热分析(DTA)、示差扫描量热法(DSC)以及热重分析(TG).
③ 扫描显微技术: 目前对纳米微观结构的分析表征手段主要有扫描探针显微技术，它包括扫描隧道电子显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等
(3) 化学成分及宏观性质分析: 分析化学成分常用仪器分析法，主要利用各种化学成分的特征谱线，如原子发射光谱AES、原子吸收光谱AAS等.

5． 纳米材料的未来的应用前景领域有：
（1） 新的纳米材料的集成检测和表征技术的开发。将会有新的表面、界面纳米结构的表征、测量与控制技术问世。
（2） 纳米材料的发展将深入生物医学领域，对疾病的诊断和治疗产生深远的影响，特别是重大疾病的早期诊断和治疗， 包括可植入性和弥补性生物兼容材料、诊断器件、治疗学等，纳米材料将有更多的机会用于药物输运系统、诊断系统和治疗系统。
（3） 纳米能源材料的实际应用。纳米材料将成为化学和能源转化工艺方面具有高度选择性和有效性的催化剂。将在低成本固态太阳能电池用纳米材料与技术，高性能可充电电池(含超级电容器)用纳米材料与技术和温差电池、燃料电池等所用的纳米材料与技术研发方面取得实质性进展。
（4） 纳米环境净化材料的广泛使用纳米光催化、净化材料，脱SOx、脱NOx用纳米复合材料和可再生环境净化用纳米吸附材料等的批量制备技术将获得突破对环境保护极具经济价值。
（5） 纳米特种功能材料的开发及实际应用。
（6） 纳米结构材料的广泛应用。通过材料结构的纳米化和掺杂复合，使结构材料的各种性能得到大幅度提高，并逐步代替传统结构材料。纳米弥散强化、形变诱导纳米化金属制品及技术，高弹性及高模量纳米复合材料，纳米强韧化陶瓷复合材料和超塑性纳米陶瓷材料的制备与加工是今后若干年内的重点研发方向。