聚乙二醇对合成无定形磷酸钙的影响

邪19苍粥1期兀饥竹科子报Vol.19, No.12004年1月Journal of Inorganic MaterialsJan., 2004文章编号: 1000-324X(2004)01-0234-05聚乙二醇对合成无定形磷酸钙的影响李延报，翁文剑，程逵，杜丕一，沈鸽，韩高荣(浙江大学材料科学与工程系，杭州310027)摘要: 采用聚乙二醇(PEG)先与钙反应后，再与磷源溶液反应，在低温环境中制得无定形磷酸钙.借助XRD分析讨论了PEG:CaCl2配比及PEG分子量与形成无定形磷酸钙之间的关系，实验结果表明，PEG:CaCl2 配比为1:1和PEG分子量为1000是形成稳定无定形磷酸钙的最佳条件.其PEG稳定无定形磷酸钙的作用可理解为:在合成过程中PEG易存在于无定形磷酸钙Cag(PO4)s团簇之间和吸附在无定形磷酸钙颗粒周围，有效地阻止了无定形磷酸钙向晶态的转变.关键词:无定形磷酸钙;聚乙二醇;生物材料.中图分类号: TB383文献标识码: A1引言磷酸钙是人体硬组织中的主要无机成分，具有良好的生物相容性，在硬组织修复材料领域中有很大的应用价值.由于与硬组织的无机物组成接近，羟基磷灰石和β-磷酸三钙目前得到广泛的研究和应用.前者具有生物活性和骨传导性，但生物降解很难;后者虽然具有一定的降解速率，但是与生物可降解的聚合物复合后仍然不能完全中和聚合物降解时释放的酸性叫.而无定形磷酸钙由于其具有高生物降解速率和优良的骨传导性，被用作可生物降解聚合物基复合材料的填充剂，抑制/中和由聚合物降解时释放出来的酸性[2.这可以调节复合材料的降解速率，以便消除炎症和满足骨组织工程对生物材料降解速率的要求.由于无定形磷酸钙在水溶液中具有很高的反应活性和溶解速率，很容易就转变为磷灰石相，合成稳定的无定形磷酸钙比较困难.-般采用稀溶液和快速法，在形成的沉淀物没有转变为晶态前过滤、冷冻千燥而得到无定形磷酸钙[.,1.最近，有人用膜渗透-控制法获得无定形磷酸钙，这种方法比较复杂，并且合成的无定形磷酸钙也容易晶化(同.另外，研究如何获得水溶液中稳定的无定形磷酸钙的报道比较多，利用Mg2+、P204- 以及氧氯化锆等无机物可以稳定无定形磷酸钙(3,4,6];某些生物大分子也可以稳定无定形磷酸钙4.另外，人工合成聚合物(如聚丙烯酸)能影响磷灰石的结晶度,但是并不能获得稳定无定形磷酸钙[7].在羟基磷灰石合成中，低分子量的PEG常被用作分散剂[8,9]. Saujanya 等人研究磷酸钙填充聚合物时发现PEG可以降低磷酸钙的结晶能力,但仍没有得到无定形磷酸钙(10].低温可以减弱无定形磷酸钙向磷灰石转变时所需的离子迁移、扩散，降低无定形磷酸钙反应收稿日期: 2002-11- 20,收到修改稿日期: 2002-12-20基金项目:浙江省科技项目(012102)作者简介:李延报(1975- ),男，博士研究生.通讯联系人: 翁文剑. E-mail: wengwjQzju.edu.cn中国煤化工MYHCNMHG1期李延报，等:聚乙二醇对合成无定形磷酸钙的彤响235活性和溶解速率同.本文采用PEG先与钙反应后，再与磷源溶液反应，在低温环境中合成了稳定的无定形磷酸钙.并利用FTIR、XRD等手段对反应物进行了表征.2实验2.1原料和实验过程原料为分析纯的无水CaCl2、Na3PO4 :12H20和进口分装的聚乙二醇(PEG,分子量为1000, 60000和100).将- -定 比例的PEG和CaCl2溶于200mL的水中,把NagPO4:12H2O溶于100mL的蒸馏水中，搅拌溶解后放入5°C下冷藏.待温度稳定在5°C后将两溶液混合，在.磁力搅拌下反应30min.过滤、洗涤，去除CI-离子，直至用硝酸银滴定滤液无沉淀为止.冷冻干燥48h, 取出放入干燥器备用。本实验样品具体制备条件见表1.表1样品制备条件Table 1 Preparation conditions of the sanples studied in this work*Samnple No. ACP1 ACP2 ACP3 ACP4 ACP5 ACP6 ACP7 ACP8 ACP9 ACP10PEG:CaCl20:1:1l:11:1:21:41:10(wt. ratio)Wu of1010PEG/kDaTemp./°C255* Reaction time is 30min for all samples2.2测试方法用傅立叶红外光谱仪(FT-IR, Nicolet - Avatar 360型)测定样品中各官能基团，采用KBr压片法，用粉末X射线衍射(XRD, Rigaku D/max-RA CuKa扫描速度49/min)测定样品的结晶状况.3实验结果3.1无定形磷酸钙的形成图1是样品ACP1、ACP2和ACP3的swhXRD图谱. ACP1 样品中没有加入PEG,XRD(图1a)图谱显示为羟基磷灰石相的衍射峰. ACP3 是加入PeG在5°C下形成的沉淀，XRD(图1b)图谱显示为无定形相,.1020 30201(°)10 S06而含有PEG的样品在25°C下形成的样品ACP2则显示出羟基磷灰石的衍射峰.这表图1反应物的XRD图谱明加入PEG后在低温可以形成无定形磷酸Fig. 1 XRD patterns of the precipitates ob-钙，但是在室温下则仍不能形成无定形磷tained酸钙.(a) ACP1; (b) ACP2; (c) ACP33.2 peG 对无定形磷酸钙合成的影响图2是在相同分子量、不同配比的PEG:CaCl2下制得磷酸钙的XRD图谱.加入PEG中国煤化工MYHCNMHG236无机材料学报19卷后，沉淀物的衍射峰强度迅速下降，当加入PEG的量为PEG:CaCl2=2:1(图2a)时，沉淀物悬无定形的磷酸钙;随着PEG加入量的减少沉淀物开始发生晶化，PEG:CaCl2=I:2(图 2c)时已出现磷灰石(002) 晶面行射峰，并且随着PEG加入的减少，衍射强度增加.这说明当PEG:CaCl2为1:1或大于1:1时，可以容易地形成无定形磷酸钙.图3是加入相同配比、不同分子量的PEG下制得磷酸钙的XRD图谱. PEG 分子量为10000和6000时，磷酸钙为无定形磷酸钙相;当PEG分子量下降到1000时磷酸钙开始结晶，出现磷灰石(002) 和(211)晶面衍射峰.在PEG:CaCl2为1:1时，分子量为10000 和6000时，可以获得无定形磷酸钙.wwwwnd23040一506020/(°)1020一304050620(°)图2不同配比的PEG:CaCl2对沉淀物相的图3不同分子量的PEG对沉淀物相的影响Fig. 2 Effect of the weight ratio of PEG:CaCl2Fig. 3 Efect of the diferent molecule weighton the phases of the precipitatesof PEG on the phases of the precipitates(a) ACP4; (b) ACP5; (c) ACP6; (d) ACP7; (e)(a) ACP10; (b) ACP9; (c) ACP5ACP8; (f) ACP94讨论在没有PEG的水溶液中，无定形磷酸钙的形成比较简单，如式(1)所示但是形成的无定形磷酸钙沉淀在没有加入稳定剂的情况下很容易经过溶解-再结晶过程发生(2)自催化地晶化转变4，出现了图1a的XRD图谱.Ca2+(aq) + POg (ag) + Ca - phosphate(amorphous, solid)Ca - phosphate(amorphous, solid)→Ca - phosphate(crystaline, solid)(2)无定形磷酸钙是短程有序的，基本结构单元是Cag(PO4)6 团簇.这些团簇相互无规则地堆积在一起， 形成尺寸为300~800A的球状颗粒.无定形磷酸钙含有10%~20%的结合水，这些结合水存在于Cag(PO4)o 团簇之间(1.1在原子结构上Ca(PO4)e团簇和磷灰石是相似的，只是某些原子发生了扭曲[112]. 无定形磷酸钙向磷灰石转变时，这些团簇中的原子发生一些松弛、自我排列，溶液中的Ca2+、PO2- 等离子聚集排列在团簇表面逐渐长大成晶核，即转化成晶态[2.无定形磷酸钙向磷灰石转变时，必须有两个过程，- 是形成晶核时Cag(PO4)e团簇中原子的自我排列、聚集，这与离子迁移、交换密切相关;二是磷灰石晶核长大时无定形磷酸钙的溶解(4,12].在没有稳定剂的水溶液中，这两个过程很容易发生,无定中国煤化工MYHCNMHG1期李延报，等:聚乙二醇对合成无定形磷酸钙的影响237形磷酸钙很难获得.加入PEG后，可形成无定形磷酸钙(图1c).溶液中有PEG存在时，无定形磷酸钙的形成与上述过程不同，PEG可以和很多的阳离子发生络合反应[13.14.图4是PEG中加入钙离子前和加入钙离子后的红外光谱图、PEG是一种结构较为简单的聚合物，红外特征吸收4000 3000 20001000. 1 20080峰主要是C-0-C键的吸收峰，由图可知，当wave mmhePEG中加入钙离子后,在1050~1150cm-1区间图4纯PEG和含有Ca2+离子PEG的红C-0-C键的吸收峰明显向低波数移动，而且外光谱图吸收峰发生分裂、这表明C-0 _C键在该区间Fig. 4 FTIR spectra of PEGwithout Ca2+ (a)的不对称伸缩振动由于受Ca2+离子的影响，and with Ca2+ (b)其振动频率降低.这也说明了钙离子与聚乙二" The stretching vibration of the C-O C group醇分子中的氧原子形成络合结构(3,14.所以，加入PEG后，PEG 与Ca2+离子发生络合，形成PEG-Ca2+络合物.反应过程中，一部分Ca2+离子和PO3一离子发生式(1)的反应;另一部分PEG-Ca2+离子和PO;-离子发生式(3)的反应.在PEG分子链附近形成无定形磷酸钙的团簇，这些团簇再无规则地聚集就形成无定形磷酸钙沉淀.PEG-Ca2+ +PO2 (ag)→PEG - Ca - phosphate(amorphous, solid)(3)在本实验中，PEG 在形成无定形磷酸钙过程中有两种可能存在形式:一种是少量的PEG以PEGCa2+络合物的形式替代无定形磷酸钙Cao(POx)o团簇之间的结合水位置，另一种是大量的PEG吸附在刚形成无定形磷酸钙颗粒表面.加入PEG后，PEG正是从上述两个过程阻止无定形磷酸钙向晶态转变.替代无定形磷酸钙团簇之间结合水的PEG,可以有效地阻碍Caq(P04)6团簇中原子的自我排列和离子的迁移、交换，也就是阻止了磷灰石晶核的形成.吸附在无定形磷酸钙颗粒周围的PEG一定程度上影响无定形磷酸钙的溶解，也不利于无定形磷酸钙向晶态的转变，这说明PEG要有-定浓度和尺寸，才能起到稳定剂的作用.上述的转变过程可以很好地解释图2和3的实验结果.当PEG的加入量增大时(即.PEG:CaCl2配比变大),钙离子能与PEG形成较充分的络合,钙离子由于受到PEG大分子链的牵制、阻碍，很难能够自由地自我排列形成磷灰石晶核;同时由于溶液中粘度的增大,形.成晶核所需离子的迁移、交换也受到影响.当PEG的分子量增大时，溶液的粘度增大，减弱了形成晶核所需离子迁移、交换速率.本实验中PEG:CaCl2配比为1:1、PEG 分子量为10000时，可以很好地阻碍无定形磷酸钙向晶态转变，这说明PEG要有一定浓度和尺寸才能起到稳定剂的作用温度对形成无定形磷酸钙的影响很大.刚形成的Cag(PO4)e团簇很容易向晶态转变，但是一旦Cag(PO4)e团簇聚集形成沉淀颗粒并且有PEG存在于团簇之间时，这种转变趋势受到PEG的影响而变小。从热力学角度来说，在25°C下溶液的离子反应活性比较高，刚形成的Cao(PO4)6团簇还没有开始聚集便转变为晶态(图1b).在5°C时，则刚形成的Caq(PO4)e团簇无规则聚集形成无定形磷酸钙(图1c).中国煤化工MYHCNMHG238无机材料学报19卷5结论在溶液中PEG可以和Ca2+离子形成PEG-Ca2+络合物;加入PEG后，可以得到稳定的无定形磷酸钙，不同的PEG:CaCl2配比及不同分子量的PEG对无定形磷酸钙的稳定性均有较大影响、PEG 的添加量为PEG:CaC2=1:1和分子量为10000时是形成稳定无定形磷酸钙的最佳条件.参考文献[1] Yohji I, Aya F, Mariko w. 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The role of PEG in stabilizingACP in the aqueous solution is that PEG is easy to exist in the interstices between the ACPCag(PO4)6 clusters and adsorbed around ACP particles, and inhibits ACP transformations tocrystalline hydroxyapatite.Key words amorphous calcium phosphate; poly(ethylene glycol); biomaterials中国煤化工MYHCNMHG