載銀羥基磷灰石的制備及吸附行為研究

載銀羥基磷灰石的制備及吸附行為研究

1植入體表面感染長期以來，理想的生物材料不是一個自身的骨骼，而是一個多骨缺損的修復(fù)，一直是醫(yī)學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域的研究重點。羥基磷灰石(Hydroxyapatite,簡稱HA)與自然骨的無機質(zhì)成分相同,結(jié)構(gòu)相似,因此具有良好的生物活性和生物相容性,已在臨床上廣泛用作骨缺損修復(fù)和骨填充整形材料。然而,植入材料界面引發(fā)的感染往往會引起植入體的過早松動和脫落,并引發(fā)鄰近組織和器官感染甚至壞死,導(dǎo)致手術(shù)的失敗,同時也給患者帶來二次手術(shù)的痛苦和經(jīng)濟上的巨大負擔(dān)。有研究發(fā)現(xiàn),水溶液中的某些金屬陽離子可吸附在HA上,其行為類似于水溶液中陽離子與磷灰石晶格中的Ca2+之間的交換反應(yīng),而不僅僅涉及表面吸附過程。近年來,Ag由于其優(yōu)良的抗菌性和耐腐蝕性得到了廣泛關(guān)注。一般認為,銀化合物或銀金屬離子可通過阻礙微生物的呼吸、電子遷移,阻礙酶的合成、破壞蛋白質(zhì)、損傷細胞膜,干擾DNA的結(jié)合等方式起到殺菌作用,相對于Cu2+、Zn2+等具有更好的抑制和殺滅細菌的效果。本實驗的目的是通過Ag+和Ca2+的交換,在生物相容性良好的HA生物材料上載入Ag元素。利用Ag+本身的直接殺菌作用,使含有Ag+的HA具有抑菌功能,使其不僅具有置換與替代的功能,同時還具有抗菌消炎的作用。2復(fù)合材料載銀率和抗菌性能的測定將自制HA粉末冷壓成型后切成長條狀,分別放入一定濃度的AgNO3溶液中在室溫下進行反應(yīng)3h制得Ag-HA,實驗組分為未斷燒、600℃煅燒30min和900℃煅燒30min三類。反應(yīng)結(jié)束后,使用Fe(NO)3溶液作為指示劑,0.1mol/L的KSCN溶液作為滴定劑滴定反應(yīng)溶液,得出反應(yīng)后溶液中剩余的Ag+的量,再將反應(yīng)前Ag+的量減去剩余銀離子的量得出已經(jīng)參加反應(yīng)的銀離子的量,計算復(fù)合材料載銀率。通過RigakuD/MAX-VA-X-ray衍射儀確定物相組成;SEM觀測在JEM-100CxⅡ上進行。Ag-HA塊體的抗菌性用殺抑率表征。實驗中接種菌種大腸桿菌(E.coliK-12MG1655)和金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)至LB固體培養(yǎng)基,連續(xù)傳代3代,用0.03mol/L的磷酸鹽緩沖液(PBS)洗下菌苔并稀釋成含菌量為106-107cfu/mL的細菌懸浮液備用。將未煅燒的Ag-HA塊體投入該懸浮液中于4℃放置24h后,計活菌數(shù)。3結(jié)果與討論3.1煅燒前后的結(jié)晶程度表1是不同情況下HA的載銀率。由結(jié)果可以看出,HA的載銀率隨著預(yù)煅燒溫度的升高而遞減,即未斷燒的試樣的載銀率最高。研究表明,HA在煅燒前后的結(jié)晶程度會發(fā)生明顯的變化,未煅燒的塊體的結(jié)晶程度較差,而經(jīng)900℃煅燒后的塊體結(jié)晶形成度較好,晶型較好,600℃的塊體結(jié)晶程度處于中間狀態(tài)。煅燒時間長或煅燒溫度高會使HA的比表面積減小,吸附性能變差。因此未煅燒的HA結(jié)晶程度小,比表面積大,具有較好的吸附性能,能更好的吸附Ag+。3.2晶體結(jié)構(gòu)分析圖1是未經(jīng)煅燒的HA的X射線圖,圖2是不同條件下所得復(fù)合材料的X射線圖,從圖1和圖2a的比較可以看出吸附Ag+后HA的特征峰仍然存在,因此其結(jié)構(gòu)基本沒有發(fā)生改變。從圖2上可以看出煅燒前后的結(jié)晶度發(fā)生了明顯變化。圖2a中X射線峰寬而弱,且許多HA的衍射峰都沒有出現(xiàn),說明此時結(jié)晶的程度較差。圖2b中的衍射峰較為尖銳,峰形較強,說明結(jié)晶程度較好。圖2c中的衍射峰更為尖銳,強度更大,因此結(jié)晶程度較三者最好。HA通式為Ca10(PO4)6(OH)2,屬六方晶系,P63/m空間群。OH-位于晶胞四個角上,10個Ca2+分別占據(jù)2種位置:4個Ca2+占據(jù)Ca(I)位置,該位置處于6個O組成的Ca-O八面體的中心;6個Ca2+處于Ca(II)位置,該位置處于3個O組成的三配位體中心。HA表面具有幾種可能的表面狀態(tài),其中一種是當(dāng)Ca2+位于晶體表面時,由于Ca(I)與6個帶負電荷的O原子相連,當(dāng)Ca(I)位置在某一瞬間空缺時,就在Ca(I)位置形成較強的吸附位置,能吸附陽離子,而在Ca(II)位置則形成一個較弱的吸附位置。本實驗對載銀率的測定結(jié)果與這一理論符合較好,由于未煅燒的HA塊體的晶型較不完整,會有較多的Ca2+暴露于晶體表面,更利于表面吸附的發(fā)生。除上述的表面吸附外,一些金屬陽離子還可直接取代Ca2+進入HA的晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)。從HA的結(jié)構(gòu)可以看出,Ca(I)位于上下兩層的6個[PO4]四面體之間并與頂角O原子連接,這種連接使整個結(jié)構(gòu)形成平行c軸的通道,OH-填充在通道中的63軸,與Ca(Ⅱ)三角面(m面)中心交匯。正因為HA在結(jié)晶結(jié)構(gòu)上存在平行于c軸的通道,因此很容易吸附Ag+、Cu2+、Zn2+等金屬離子,形成更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。這種理論在本實驗中得到了進一步的驗證。雖然從圖1和圖2a的比較可以推斷載銀前后HA的結(jié)構(gòu)基本沒有發(fā)生改變,但經(jīng)過進一步計算和分析材料的晶格常數(shù),發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料晶格常數(shù)與純HA有一定的差別。經(jīng)過計算,未煅燒的Ag-HA的晶格常數(shù):a=b=0.9068nm,c=0.6855nm,比起載銀前的HA的晶格常數(shù):a=b=0.9043nm,c=0.6851nm略大。Ca2+的離子半徑為0.106nm,Ag+的離子半徑隨其在晶體中的配位數(shù)不同而不同,當(dāng)其配位數(shù)為6或者更大時,離子半徑為0.115nm。Ag+不管取代哪個位置的Ca2+,配位數(shù)均大于6,此時Ag+離子半徑比Ca2+離子半徑大,因此造成了取代后的HA的晶格發(fā)生一定的畸變,晶格常數(shù)a和c都增大了。另外,經(jīng)查PDF卡片,發(fā)現(xiàn)Ag-HA所出現(xiàn)的新的衍射峰與Ag3PO4的衍射峰相吻合,說明該衍射峰對應(yīng)的物質(zhì)是Ag3PO4晶體,Ag3PO4是一種抗菌劑,具有良好的抗菌能力。且由于HA塊體載銀后呈淡黃色,因此推斷Ag+并沒有與HA中的OH-發(fā)生反應(yīng)生成棕黑色的Ag2O沉淀。3.3ag3po4的表征圖3是復(fù)合材料的SEM照片,從中可以看出,富銀相呈顆粒狀分布在HA基體上。這些小顆粒大小較為一致,且分布的比較密集、均勻。通過EDS進行成分分析,結(jié)果如圖4所示,Ag元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42.2%。由于實驗原因,引入了雜質(zhì)Cl-,但含量較少,對分析基本不會造成的影響。純HA的Ca與P的原子個數(shù)比:Ca/P為1.67,根據(jù)EDS分析計算得出Ag-HA的Ca/P為1.10,遠遠小于HA的鈣磷原子個數(shù)比,這說明了一部分Ca2+已經(jīng)被Ag+取代。然而計算Ag-HA的(Ca+Ag)/P為1.90,大于HA鈣磷原子比,說明了Ag+并不是僅僅簡單的取代了Ca2+在羥基磷石晶體中的位置,還形成了新的物質(zhì),即Ag3PO4。目前,對于Ag+的抗菌機理的研究并不成熟,由于實驗條件有限,本實驗僅對未煅燒的Ag-HA塊體進行了抗菌實驗,證明復(fù)合材料確實具有抗菌性,而并沒有更加深入的研究Ag+的抗菌機理和Ag元素在HA基體中的存在形式與其抗菌性的關(guān)系,希望能夠在今后就這一點做進一步研究。4復(fù)合材料的抑菌性能通過溶液離子交換法可以制備出載銀羥基磷灰石復(fù)合材料,實驗表明:復(fù)合材料載銀率隨煅燒溫度的升高而降低,未煅燒的塊體載銀率最高,達到86.18%;分析認為,載銀前后HA的結(jié)構(gòu)基本沒有發(fā)生改變,Ag+一部分吸附在HA表面或進入HA晶格,取代Ca2+,另一部分形成了Ag3PO4晶體。SEM觀察證明富銀相呈顆粒狀均勻的分布在HA基體上?？咕鷮嶒灡砻魑挫褵膹?fù)合材料對于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均具有很強的抗菌性能。復(fù)合材料抑菌結(jié)果如表2所示。從上述結(jié)果可以看出,未煅燒的Ag-HA塊體分別與大腸桿菌和金黃色葡