沉淀法制备硅酸钙及其体外生物活性的研究

廖晓明 尹光福 谢克难 朱宏扬

(1.四川大学材料科学与工程学院,成都,610041;2.四川大学化学工程学院,成都,610041)

沉淀法制备硅酸钙及其体外生物活性的研究

廖晓明1尹光福1谢克难2朱宏扬1

(1.四川大学材料科学与工程学院,成都,610041;2.四川大学化学工程学院,成都,610041)

采用沉淀法制备的硅酸钙粉体经成型,在1200℃下常压烧结,制备出高纯的硅酸钙陶瓷,通过模拟体液浸泡对其体外生物活性进行了研究。X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)的结果表明:在1200℃下烧结制得的硅酸钙陶瓷主晶相为β型硅酸钙(β-CS);在模拟体液中浸泡14d后其表面可见类骨羟基磷灰石生成,28d后生成大量羟基磷灰石。因此,沉淀法合成的硅酸钙具有良好的诱导类骨羟基磷灰石形成能力和体外生物活性。

硅酸钙 沉淀法 模拟体液 生物活性

1 引言

硅酸钙(CaSiO3)由于其独特的物理和化学性能及矿物学特征,被广泛应用于塑料、聚合物、耐火材料、化工、机械、电子等领域[1,2]。

大量研究证明[3-10],含Ca、Si元素的玻璃陶瓷及生物玻璃具有良好的力学性能和生物活性,在人体硬组织的修复上具有广阔的应用前景。近几年来,研究人员开始将视线投向硅灰石的生物活性、生物相容性及与其它材料复合的研究。研究表明硅酸钙与磷酸盐骨水泥混合,发现硅酸钙对骨水泥的凝结有明显促进作用[8],将硅酸钙喷涂至钛合金表面形成涂层,该涂层也具有良好的生物活性[9,10]。为证实该类材料在骨修复领域的应用性能,本文主要通过模拟体液浸泡对沉淀法制备的硅酸钙的体外生物活性进行了研究。

2 实验方法

2.1 硅酸钙粉体制备

将分析纯的硝酸钙和硅酸钠为原材料,按照化学计量比(1:1)称取硝酸钙和硅酸钠,用去离子水将二者分别溶解,调节浓度至0.5 mol/L。将质量分数0.5%的聚乙二醇作为分散剂加入硝酸钙溶液,边搅拌边滴加硅酸钠溶液。沉淀完全后,将所得沉淀物反复抽滤洗涤,再用无水乙醇洗涤三遍。80℃烘干,得到硅酸钙粉体。

2.2 硅酸钙陶瓷制备

称取适量的硅酸钙粉体,并添加少量的聚乙烯醇(5 w t%),混合均匀,在内径Φ10 mm的不锈钢模具中20 M Pa下保压2 min成型,在1200℃下烧结,保温 3h随炉冷却到室温。用 X-ray diffraction (XRD,Philips X’Pert Pro,Netherlands)测取样品的组成;Scanning electron microscopy(SEM,JSM-5900,Japan)观察样品表面形貌。

2.3 样品的模拟体液(SBF)浸泡实验

模拟体液(SBF)参考 Kokubo[11]的方法进行配制,其配方如表1,调节其p H值为7.4。

表1 模拟体液配方

将制备的陶瓷片每 4片一组,分别浸泡 7d、14d、21d、28d。浸泡结束后取出,用去离子水洗净,室温干燥,分别用于XRD、SEM测试。

3 实验结果及讨论

3.1 XRD表征

图1 1200℃下烧结沉淀法制备的硅酸钙样品XRD图

3.2 模拟体液浸泡实验结果表征

图2为1200℃烧结硅酸钙陶瓷样品在浸泡前及在模拟体液中浸泡14 d、28 d的试样SEM图,可以看出,浸泡前样品呈现明显的陶瓷相,表面成瓷完整,但是由于制备的粉体粒径较小,压片烧结体积收缩较为严重,导致陶瓷片孔洞较多。在浸泡14天以后,样品表面被一层沉积层所覆盖,随着浸泡时间的延长,至28天时,可以发现此沉积层厚度及致密度明显增加。

图3为1200℃烧结硅酸钙陶瓷在SBF中浸泡28 d的XRD图,可以看出,在浸泡28 d后,在2θ为31.7°处出现明显的羟基磷灰石(211)晶面特征衍射峰(JCPDS24-0033),且硅酸钙的特征峰有所减弱,这可能是因为经过浸泡以后,羟基磷灰石在硅酸钙表面大量生成而覆盖了硅酸钙陶瓷表面的缘故。由此可见,硅酸钙能较好的诱导类骨羟基磷灰石的生成。

硅酸钙在模拟体液中形成羟基磷灰石是由于:钙离子首先从硅酸钙中释放出来,这样就在材料表面形成富硅层,为羟基磷灰石成核提供了有效位置,因此,当周围体液中的羟基磷灰石超过了过饱和度时,在材料表面很快形成很多羟基磷灰石晶核,晶核与体液中的钙离子和磷酸根离子自发生长,体液中羟基磷灰石的过饱和度增加,最终析出沉积在样品表面[12]。

4 结论

(1)通过沉淀法制备的硅酸钙粉体经成型,在1200℃下烧结所制备的硅酸钙其主晶相为β-硅酸钙。

(2)模拟体液浸泡14 d后,硅酸钙陶瓷表面有羟基磷灰石生成,28 d后试样表面的羟基磷灰石层更加致密和均匀;表明硅酸钙能较好的诱导类骨羟基磷灰石的生成,具有良好的体外生物活性。

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Abstract:The high-purity calcium silicate ceramics were sintered at 1200℃under the atmospheric p ressure w ith the calcium silicate pow der synthesized by the p recipitation method.The in-vitro bioactivity of the p repared samp les w as evaluated by investigating their bone-like apatite-fo rmation ability in sim ulated body fluid(SBF).The calcium silicate ceramicswere characterized by X-ray diffraction(XRD)and scanning electron microscopy(SEM).The results show that the p repared samp le ismainly constituted by theβ-calcium silicate(β-CS).The bone-like hydroxyapatite(HAp)is fo rmed on the surface of the calcium silicate ceramics after 14-day soaking in SBF,and mo re bone-like HAp fo rmed after 28-day soaking,w hich indicate good in-vitro bioactivity.

Key words:calcium silicate;p recipitation method;SBF;bioactivity

In Vitro Bioactivity of Calcium Silicate Prepared by a Precipitation Method

L iao X iaom ing1,Yin Guangfu1,Xie Kenan2,Zhu Hongyang1
(1.College of M aterials Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610041; 2.School of Chem ical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610041)