载银羟基磷灰石的制备及吸附行为研究

载银羟基磷灰石的制备及吸附行为研究

1植入体表面感染长期以来，理想的生物材料不是一个自身的骨骼，而是一个多骨缺损的修复，一直是医学和材料学领域的研究重点。羟基磷灰石(Hydroxyapatite,简称HA)与自然骨的无机质成分相同,结构相似,因此具有良好的生物活性和生物相容性,已在临床上广泛用作骨缺损修复和骨填充整形材料。然而,植入材料界面引发的感染往往会引起植入体的过早松动和脱落,并引发邻近组织和器官感染甚至坏死,导致手术的失败,同时也给患者带来二次手术的痛苦和经济上的巨大负担。有研究发现,水溶液中的某些金属阳离子可吸附在HA上,其行为类似于水溶液中阳离子与磷灰石晶格中的Ca2+之间的交换反应,而不仅仅涉及表面吸附过程。近年来,Ag由于其优良的抗菌性和耐腐蚀性得到了广泛关注。一般认为,银化合物或银金属离子可通过阻碍微生物的呼吸、电子迁移,阻碍酶的合成、破坏蛋白质、损伤细胞膜,干扰DNA的结合等方式起到杀菌作用,相对于Cu2+、Zn2+等具有更好的抑制和杀灭细菌的效果。本实验的目的是通过Ag+和Ca2+的交换,在生物相容性良好的HA生物材料上载入Ag元素。利用Ag+本身的直接杀菌作用,使含有Ag+的HA具有抑菌功能,使其不仅具有置换与替代的功能,同时还具有抗菌消炎的作用。2复合材料载银率和抗菌性能的测定将自制HA粉末冷压成型后切成长条状,分别放入一定浓度的AgNO3溶液中在室温下进行反应3h制得Ag-HA,实验组分为未断烧、600℃煅烧30min和900℃煅烧30min三类。反应结束后,使用Fe(NO)3溶液作为指示剂,0.1mol/L的KSCN溶液作为滴定剂滴定反应溶液,得出反应后溶液中剩余的Ag+的量,再将反应前Ag+的量减去剩余银离子的量得出已经参加反应的银离子的量,计算复合材料载银率。通过RigakuD/MAX-VA-X-ray衍射仪确定物相组成;SEM观测在JEM-100CxⅡ上进行。Ag-HA块体的抗菌性用杀抑率表征。实验中接种菌种大肠杆菌(E.coliK-12MG1655)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)至LB固体培养基,连续传代3代,用0.03mol/L的磷酸盐缓冲液(PBS)洗下菌苔并稀释成含菌量为106-107cfu/mL的细菌悬浮液备用。将未煅烧的Ag-HA块体投入该悬浮液中于4℃放置24h后,计活菌数。3结果与讨论3.1煅烧前后的结晶程度表1是不同情况下HA的载银率。由结果可以看出,HA的载银率随着预煅烧温度的升高而递减,即未断烧的试样的载银率最高。研究表明,HA在煅烧前后的结晶程度会发生明显的变化,未煅烧的块体的结晶程度较差,而经900℃煅烧后的块体结晶形成度较好,晶型较好,600℃的块体结晶程度处于中间状态。煅烧时间长或煅烧温度高会使HA的比表面积减小,吸附性能变差。因此未煅烧的HA结晶程度小,比表面积大,具有较好的吸附性能,能更好的吸附Ag+。3.2晶体结构分析图1是未经煅烧的HA的X射线图,图2是不同条件下所得复合材料的X射线图,从图1和图2a的比较可以看出吸附Ag+后HA的特征峰仍然存在,因此其结构基本没有发生改变。从图2上可以看出煅烧前后的结晶度发生了明显变化。图2a中X射线峰宽而弱,且许多HA的衍射峰都没有出现,说明此时结晶的程度较差。图2b中的衍射峰较为尖锐,峰形较强,说明结晶程度较好。图2c中的衍射峰更为尖锐,强度更大,因此结晶程度较三者最好。HA通式为Ca10(PO4)6(OH)2,属六方晶系,P63/m空间群。OH-位于晶胞四个角上,10个Ca2+分别占据2种位置:4个Ca2+占据Ca(I)位置,该位置处于6个O组成的Ca-O八面体的中心;6个Ca2+处于Ca(II)位置,该位置处于3个O组成的三配位体中心。HA表面具有几种可能的表面状态,其中一种是当Ca2+位于晶体表面时,由于Ca(I)与6个带负电荷的O原子相连,当Ca(I)位置在某一瞬间空缺时,就在Ca(I)位置形成较强的吸附位置,能吸附阳离子,而在Ca(II)位置则形成一个较弱的吸附位置。本实验对载银率的测定结果与这一理论符合较好,由于未煅烧的HA块体的晶型较不完整,会有较多的Ca2+暴露于晶体表面,更利于表面吸附的发生。除上述的表面吸附外,一些金属阳离子还可直接取代Ca2+进入HA的晶格结构内。从HA的结构可以看出,Ca(I)位于上下两层的6个[PO4]四面体之间并与顶角O原子连接,这种连接使整个结构形成平行c轴的通道,OH-填充在通道中的63轴,与Ca(Ⅱ)三角面(m面)中心交汇。正因为HA在结晶结构上存在平行于c轴的通道,因此很容易吸附Ag+、Cu2+、Zn2+等金属离子,形成更为复杂的结构。这种理论在本实验中得到了进一步的验证。虽然从图1和图2a的比较可以推断载银前后HA的结构基本没有发生改变,但经过进一步计算和分析材料的晶格常数,发现复合材料晶格常数与纯HA有一定的差别。经过计算,未煅烧的Ag-HA的晶格常数:a=b=0.9068nm,c=0.6855nm,比起载银前的HA的晶格常数:a=b=0.9043nm,c=0.6851nm略大。Ca2+的离子半径为0.106nm,Ag+的离子半径随其在晶体中的配位数不同而不同,当其配位数为6或者更大时,离子半径为0.115nm。Ag+不管取代哪个位置的Ca2+,配位数均大于6,此时Ag+离子半径比Ca2+离子半径大,因此造成了取代后的HA的晶格发生一定的畸变,晶格常数a和c都增大了。另外,经查PDF卡片,发现Ag-HA所出现的新的衍射峰与Ag3PO4的衍射峰相吻合,说明该衍射峰对应的物质是Ag3PO4晶体,Ag3PO4是一种抗菌剂,具有良好的抗菌能力。且由于HA块体载银后呈淡黄色,因此推断Ag+并没有与HA中的OH-发生反应生成棕黑色的Ag2O沉淀。3.3ag3po4的表征图3是复合材料的SEM照片,从中可以看出,富银相呈颗粒状分布在HA基体上。这些小颗粒大小较为一致,且分布的比较密集、均匀。通过EDS进行成分分析,结果如图4所示,Ag元素的质量分数为42.2%。由于实验原因,引入了杂质Cl-,但含量较少,对分析基本不会造成的影响。纯HA的Ca与P的原子个数比:Ca/P为1.67,根据EDS分析计算得出Ag-HA的Ca/P为1.10,远远小于HA的钙磷原子个数比,这说明了一部分Ca2+已经被Ag+取代。然而计算Ag-HA的(Ca+Ag)/P为1.90,大于HA钙磷原子比,说明了Ag+并不是仅仅简单的取代了Ca2+在羟基磷石晶体中的位置,还形成了新的物质,即Ag3PO4。目前,对于Ag+的抗菌机理的研究并不成熟,由于实验条件有限,本实验仅对未煅烧的Ag-HA块体进行了抗菌实验,证明复合材料确实具有抗菌性,而并没有更加深入的研究Ag+的抗菌机理和Ag元素在HA基体中的存在形式与其抗菌性的关系,希望能够在今后就这一点做进一步研究。4复合材料的抑菌性能通过溶液离子交换法可以制备出载银羟基磷灰石复合材料,实验表明:复合材料载银率随煅烧温度的升高而降低,未煅烧的块体载银率最高,达到86.18%;分析认为,载银前后HA的结构基本没有发生改变,Ag+一部分吸附在HA表面或进入HA晶格,取代Ca2+,另一部分形成了Ag3PO4晶体。SEM观察证明富银相呈颗粒状均匀的分布在HA基体上。抗菌实验表明未煅烧的复合材料对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有很强的抗菌性能。复合材料抑菌结果如表2所示。从上述结果可以看出,未煅烧的Ag-HA块体分别与大肠杆菌和金黄色葡