羟基磷灰石-聚乳酸复合膜的制备与表征

袁秋华，巫剑波，秦草坪，郭志威，刘家裕，

林松鑫1，柯善明2，张培新1

1)深圳大学化学与环境工程学院，广东深圳 518060；2)深圳大学材料学院，广东深圳 518060



Received：2015-09-06；Accepted：2015-10-27

Foundation：National Natural Science Foundation of China (21471102, 20971088);Shenzhen Science and Technology Basic Research Foundation(JCYJ20150525092941007)

† Corresponding author：Associate professor Yuan Qiuhua．E-mail: yuanqiuh@szu.edu.cn

Citation：Yuan Qiuhua, Wu Jianbo, Qin Caoping, et al. Preparation and characterization of hydroxyapatite-polylactic acid HA-PLA composite film[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2016, 33(1): 10-17.(in Chinese)

【化学与化工 / Chemistry and Chemical Engineering】

羟基磷灰石-聚乳酸复合膜的制备与表征

袁秋华1，巫剑波1，秦草坪1，郭志威1，刘家裕1，

林松鑫1，柯善明2，张培新1

1)深圳大学化学与环境工程学院，广东深圳 518060；2)深圳大学材料学院，广东深圳 518060

摘要：采用化学沉淀法制备羟基磷灰石粉体，通过溶液共混、磁力搅拌的方法制备羟基磷灰石-聚乳酸(hydroxyapatite-polylactic acid, HA-PLA)悬浮液，在不锈钢304基体表面采用旋涂法涂覆HA-PLA复合膜．研究在300 ℃(空气)、600 ℃(空气)、300 ℃(氮气)和800 ℃(氮气)等不同热处理条件对HA-PLA复合膜组成和形貌的影响．所制备的复合膜通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜、X射线能量色散仪、热重-差热分析和X射线光电子能谱等测试手段进行表征．结果表明，所制备的HA-PLA复合膜结晶度好、纯度较高、不存在杂质相；600 ℃(空气)热处理后的HA-PLA复合膜能达到黏结致密、无裂缝效果，且无需置于无氧及800 ℃高温条件下处理，在600 ℃温度条件下PLA分解残留的碳残片可有效阻止HA分解成其他杂质.

关键词：生物材料学；羟基磷灰石；聚乳酸；旋涂法；复合膜；热处理

Preparation and characterization of hydroxyapatite-

羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA) 分子式为Ca10(PO4)6(OH)2，具有与人体类骨磷灰石相似的组成和结构，且具有良好的生物相容性和活性，植入人体不会引起排斥反应，能与人骨形成很强的化学结合，所以羟基磷灰石被广泛用于硬组织替代材料[1]．但纯HA由于力学性能差、脆性大、强度较低和易断裂等缺点限制了其临床应用．人工合成的生物高分子材料聚乳酸(polylactic acid, PLA)具有良好的理化性能、力学性能和加工性能，在生物体内的最终降解产物是二氧化碳和水，对人体无害，是当前医学上应用较多的可生物降解材料，但是，由于PLA的亲水性和机械强度等缺陷单独作为骨材料还显不足，将PLA与HA复合，结合PLA的韧性和HA的刚性，可望增强复合膜的黏结性能，形成具有综合使用性能的骨修复材料．

HA-PLA复合材料可被涂覆在金属表面制成薄膜植入人体组织，随着PLA的降解吸收，HA在体内逐渐转化为自然骨组织，从而提高金属植入物的结合能力．HA-PLA复合膜必须有特别的物理化学性质以维持植入物在组织内的成功生长，其中，保持与自然骨的钙磷比一致显得非常重要，如果比例不平衡会导致生成杂质相[2-3]． 因此，HA膜应具有较高的结晶度、适当的化学计量和与基底较好的黏结度[4]．HA膜另一个重要的要求是多孔性，因为人体成骨细胞和破骨细胞以及蛋白流入孔内有助于新骨的生成．制备HA薄膜方法有很多，包括电化学沉积法[5]、溶胶-凝胶法[6-7]、电泳沉积法[8-9]和等离子喷涂法[10]等，而新型涂膜技术旋涂法由于设备简单、 涂膜效果好、 工艺条件温和、 操作控制简易等独特优势，被广泛用于多种材料的涂膜制作．

本研究采用化学沉淀法合成羟基磷灰石粉体，用旋涂法在不锈钢304基体表面涂覆羟基磷灰石-聚乳酸(HA-PLA)复合膜，并分析不同烧结条件对HA-PLA复合膜组成和形貌的影响进行．

1实验

1.1主要试剂

二水氯化钙(CaCl2·2H2O)、磷酸氢二钠(Na2HPO4)和乙醇胺均购自阿拉丁试剂(上海)有限公司；相对分子质量为3×104的外消旋PLA购自成都迪康中科生物医学材料有限公司；氢氧化钠和二氯甲烷购自天津百世化工有限公司；无水乙醇、丙酮购自广州市东红化工厂．上述试剂均为分析纯．

1.2HA粉体的制备

采用化学沉淀法制备羟基磷灰石粉体[11]．首先，分别配制0.5 mol/L的CaCl2·2H2O和Na2HPO4溶液，n(Ca)∶n(P)=5∶3， 使用恒流滴定泵将一定量的Na2HPO4以2 mL/min的速度滴加到高速搅拌的CaCl2·2H2O溶液中，搅拌速度为350 r/min，用0.5 mol/L NaOH溶液调节pH值维持在10.5，加入少量的乙醇胺作为分散剂，滴加完毕后继续搅拌2 h，静置陈化24 h．将沉淀用去离子水洗涤、真空抽滤，重复操作3次，完全除去残留的可溶性杂质(PO43-和Ca2+离子等)，再用无水乙醇洗涤抽滤，至滤液pH呈中性．将滤饼放在90 ℃干燥箱中烘干12 h，得到HA前驱体．干燥的样品用玛瑙研磨钵研磨成粉，置于700 ℃马弗炉灼烧2 h，得到HA粉体．HA制备反应方程式为

Ca10(PO4)6(OH)2+14NaNO3+20H2O+6HCl

(1)

1.3基材预处理

基材选用不锈钢304．首先将钢材切割为10 mm×10 mm×1 mm的长方体，依次用220#、600#、2000#和5000# 的SiC水砂纸打磨表面；然后将打磨过的试样依次用丙酮、无水乙醇和蒸馏水在KH3200E型超声清洗机中清洗各10 min，清洗后放入真空干燥箱中60 ℃下恒温干燥2 h．

1.4羟基磷灰石-聚乳酸复合膜制备

称取一定量的PLA，将其在室温下溶解于二氯甲烷中，搅拌2 h至PLA完全溶解，将200目筛子筛过的HA粉体加入到PLA溶液中(PLA与HA质量比为1∶10)，室温下磁力搅拌24 h.采用旋涂法在不锈钢表面制备HA-PLA复合膜，把不锈钢板吸附到SC-1B型匀胶台上，室温下将之前配好的HA-PLA悬浮液滴加在基片表面，以3 000 r/min 的旋涂转速转动30 s，重复涂膜3次，以得到厚度适中的复合膜，然后放入管式炉中，分别在300 ℃(空气)、600 ℃(空气)、300 ℃(氮气)和800 ℃(氮气)条件下热处理1 h，经自然冷却，得到烧结的HA-PLA复合膜．复合膜制备流程如图1．

图1　HA-PLA复合膜的制备流程Fig.1　Flow chart for preparation of HA-PLA composite films

1.5测试和表征

采用德国耐驰公司生产的STA 409PC型同步热分析仪，对热处理前的HA粉体进行热重-差热分析(thermogravimetric analysis-differential thermal analysis, TG-DTA)；采用德国Bruker AXS-D-8 Advance型X射线衍射仪(X-ray diffraction, XRD)，对试样进行物相鉴定和晶体结构分析，测定条件为铜靶Cu-Kα 辐射(λ=1.540 6×10-10m)，光阑狭缝为1 mm，管电流为40 mA，管电压为40 kV，扫描速率为3(°)/min，测量范围为16°～60°；红外光谱分析采用日本岛津IRAffinity-1傅立叶变换红外光谱分析仪(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)，测定HA粉体的化学组成，以KBr作背景样，测试范围为400～4 000 cm-1；采用日本日立公司生产的S-3400N(II)型扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM)观测复合膜的表面及断面形貌，并结合EDX-能谱仪对HA-PLA复合膜进行成分分析；采用Microlab-350型X射线光电子能谱仪(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)，对HA化学组成和状态进行表征，X射线源为Al-Kα辐射(1 486.6 eV)，谱图能量校正以污染碳(C(1s)的结合能为284.6 eV)作参比.

2结果与讨论

2.1热处理前HA的热分析(TG-DTA)

图2为90 ℃条件下HA样品干燥12 h后的TG-DTA分析曲线．由图2的TG曲线可见：从室温到600 ℃质量损失为3.56%，600 ℃以后质量变化不大，合成的HA具有较高的热稳定性．DTA曲线中353.25 ℃和676.95 ℃的吸热谷可能是HA样品中残余有机物的挥发和反应物的分解；522.45 ℃的放热峰是有机物的进一步燃烧，723.51 ℃和801.75 ℃的放热峰是HA晶化所致．根据TG-DTA分析，所制备的HA粉体具有较高的热稳定性.

图2　烧结前HA的TG-DTA分析曲线Fig.2　TG-DTA curves of HA powders before sintering

2.2样品的XRD分析

图3是羟基磷灰石粉体的谱图，图中出现了HA的系列衍射峰，如(002)、 (102)、 (210)、 (211)、 (112)、 (300)、 (202)、 (310)、 (222)、 (213)和(004)等， 其中， (211)、 (112)和(300)是3条最强的衍射线，即HA的3个特征衍射峰，与HA的标准粉末衍射数据(JCPDS #09-0432)一致，未发现有其他杂质相的存在，表明通过化学沉淀法制备的起始原料是高纯羟基磷灰石粉末．峰形尖锐、清晰，峰高而窄，表明所制备的HA粉体结晶度较高，晶体发育较完整．

图3　HA粉体的XRD图Fig.3　XRD patterns of HA powders

图4　不同热处理条件下HA-PLA复合膜的XRD图Fig.4　XRD patterns of HA-PLA composite films under different heat treatment conditions

图4是不同热处理条件下HA-PLA复合膜的XRD图．图4(a)是未经过热处理HA-PLA复合膜，HA的特征峰都存在，表明PLA的引入对复合膜的物相组成基本没有影响．据文献[12]报道，纯HA粉体制备的复合膜在空气条件下热处理后，金属底物在空气条件下氧化进而催化复合膜中的HA分解为磷酸三钙(tricalcium phosphate, TCP)及其他物质，在富氧条件下会与HA膜直接进行反应诱导HA分解，而PLA的加入可防止HA的催化分解反应[13]．图4(b)和(c)分别为空气和氮气条件下300 ℃热处理1 h后的HA-PLA复合膜谱图，从图4(b)和(c)可见，两者都具有HA特征峰，但未出现TCP或其他杂质相，这是因为PLA在330 ℃时其酯键开始热解[14]，所以在300 ℃时PLA依然完整地存在于复合膜上，阻碍金属底物催化分解HA．通常在较高的温度时金属基片会与HA膜发生反应诱导HA分解，而纯HA膜(无PLA)在空气氛围中经600 ℃热处理后如图4(d)明显出现TCP杂质相，是因为金属底物在空气条件下氧化进而催化膜中的HA分解为TCP[13-14]．HA复合膜在600 ℃(空气)、 800 ℃(氮气)条件下热处理1 h后，没有发现杂质相的存在，如图4(e)和(f). 推测在600 ℃(空气)时仅占HA-PLA复合膜质量分数10%的PLA虽然已完全降解，但降解生成的碳残片还残留在复合膜中钝化基材表面，因而抑制底物氧化保护HA不被催化分解，此外，无氧条件下烧结也具有同样的效果，在氮气条件下金属底物无法进行氧化从而阻断了催化HA分解的途径．

2.3样品的FTIR分析

图5　HA粉体和HA-PLA复合膜的FTIR图Fig.5　FTIR spectra of HA powders and HA-PLA composite films

2.4样品的SEM-EDX分析

图6(a)是热处理前的HA-PLA复合膜表面形貌，从图6(a)中可看出，与其他经过不同条件热处理的复合膜相比，未热处理的复合膜较紧密． PLA在复合膜中具有增加黏结性能的作用，未添加PLA的HA膜经600 ℃(空气)热处理如图6(b)后其表面较疏松，颗粒与颗粒之间黏结较差，且存在细微的裂纹，凸显出PLA在膜中的作用． 300 ℃(氮气)如图6(c)和300 ℃(空气)如图6(d)条件下热处理的复合膜表面形貌相似，均呈现出比较清晰的表面颗粒形貌，根据XRD和FTIR分析，此时PLA还未开始分解，而复合膜出现一些孔隙，这可能是由于升温引起复合膜上的结晶水的挥发导致颗粒黏结更紧密．经过600 ℃(空气)热处理后如图6(e)的复合膜总体上呈现出晶粒结合致密、无裂缝的表面形貌，复合膜由颗粒相互重叠、黏结而成，并生长联结成片，同时出现孔径10～20 μm左右的微孔，这是由于聚乳酸在600 ℃之前就已经完全分解所留下的空隙，事实上粗糙的表面和适量的微孔的存在有利于诱导人体组织的生长[15]，从而使不锈钢材料植入生物体后能够通过HA膜的生物活性和骨传导作用实现骨组织的恢复和重建．图6(f)为800 ℃(氮气)热处理复合膜形貌，除了与600 ℃(空气)热处理后的复合膜具有相似的形貌之外，其表面局部存在微裂纹，这是烧结和冷却过程中由于膜和基板之间的热膨胀系数不匹配引起，高温烧结时产生裂纹的现象文献[16]已有报道．图6(g)是600 ℃(空气)烧结HA-PLA复合膜断面形貌，复合膜与金属界面间没有裂纹，膜层内部与金属基材结合紧密，其厚度约为72 μm．HA-PLA复合膜经不同热处理条件的物相结构和形貌特征如表1所示，经比较，600 ℃(空气)热处理后的HA-PLA复合膜即能达到致密、无裂缝效果，无需采用800 ℃(氮气)热处理条件．

图6　不同条件热处理后HA膜的SEM图Fig.6　SEM images of HA films under different heat treatment conditions

通过EDX能谱仪得到HA-PLA复合膜元素组成，根据HA的分子式 (Ca10(PO4)6(OH)2，n(Ca)∶n(P)=5∶3)， 理论上n(Ca)∶n(P)=1.67， 600 ℃(空气)热处理后(图7) 的HA复合膜主要由Ca、P和O等元素组成，这进一步证实了由红外光谱检测出的化学基团的存在，其n(Ca)∶n(P)= 1.61，接近于人皮质骨磷灰石中的钙磷摩尔比，符合实验设计时钙磷理论比值的要求.

表1　HA-PLA复合膜经不同热处理条件的

图7　600 ℃(空气)热处理后HA-PLA复合膜的EDX图Fig.7　EDX figure of HA-PLA composite film under heat treatment at 600 ℃ in air

2.5样品的XPS分析

图8　600 ℃(空气)HA-PLA复合膜的XPS能谱图Fig.8　XPS spectra of HA-PLA composite film at 600 ℃ in air

结语

通过化学沉淀法制备出羟基磷灰石晶体，并用旋涂法在304不锈钢基体表面成功涂覆羟基磷灰石-聚乳酸复合膜，利用XRD、FTIR、SEM-EDX、XPS和TG-DTA等方法进行分析测试，结果表明，羟基磷灰石薄膜中引入聚乳酸不改变复合膜的物相组成，热处理后也未有杂质相生成，复合膜中的PLA可防止高温热处理时引起的HA分解；HA-PLA复合膜经600 ℃(空气)热处理后呈现出黏结较好、致密、无裂缝的形貌，且无需采用800 ℃无氧(如氮气中)热处理条件.

引文：袁秋华，巫剑波，秦草坪，等．羟基磷灰石-聚乳酸复合膜的制备与表征[J]. 深圳大学学报理工版，2016，33(1)：10-17.

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【中文责编：晨兮；英文责编：新谷】

polylactic acid HA-PLA composite film

Yuan Qiuhua1†, Wu Jianbo1, Qin Caoping1, Guo Zhiwei1, Liu Jiayu1,

Lin Songxin1, Ke Shanming2, and Zhang Peixin1

1) College of Chemistry and Environmental Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, Guangdong Province, P.R.China

2) College of Materials Science and Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, Guangdong Province, P.R.China

Abstract：Hydroxyapatite powders were synthesized by chemical precipitation method. Hydroxyapatite-polylactic acid (HA-PLA) composite films were coated on 304-type stainless steel substrates by HA-PLA suspension, which was prepared via solution blending and magnetic stirring, with spin coating technique. The effects of heat treatment under air atmosphere at 300 ℃, 600 ℃ and nitrogen atmosphere at 300 ℃, 800 ℃ on the composition and morphology of HA-PLA composite films were studied. The composite films were characterized by means of X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM) coupled with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), thermogravimetric analysis-differential thermal analysis (TG-DTA), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results show the prepared HA-PLA composite films exhibit high crystallinity and purity, and through the heat treatment under air atmosphere at 600 ℃ instead of nitrogen atmosphere at 800 ℃, dense adhesion and crack-free composite coatings can be finally achieved. Under this condition (heat treatment at 600 ℃), PLA is decomposed into char residues which function as inhibiting further decomposition of HA into other impurities.

Key words：biomaterials science; hydroxyapatite; polylactic acid; spin-coating technique; composite film; heat treatment

作者简介：袁秋华(1967—)，男，深圳大学副教授、博士. 研究方向：无机仿生材料．E-mail: yuanqiuh@szu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金资助项目(21471102，20971088)；深圳市科技基础研究计划资助项目(JCYJ201505250929 41007)

中图分类号：R 318.08

文献标志码：A

doi：10.3724/SP.J.1249.2016.01010