镁掺杂羟基磷灰石的制备及其生物活性研究

35卷第22017年4月

期

陕西科技大学学裉

Journal of Shaanxi University of Science & Technology

Vol. 35 No. 2 八 pr.2017

*

文章编号：1000-5811 (2017)02-0061-05

镁掺杂羟基磷灰石的制备及其生物活性研究

赵雪妮，王婉英，王旭东，张靖，张黎，何富珍，杨建军

(陕西科技大学机电工程学院，陕

西西安

710021)

摘要：采用水热合成法制备了锾掺杂羟基磷灰石，研究了不同Mg掺杂含量对羟基磷灰石生 物活性的影响.对锾掺杂羟基嶙灰石的物相成分、元素组成、官能团以及SBF浸泡后的形貌进 行了表征.结果表明，锾的掺杂可以极大地提高羟基磷灰石的生物活性，当钙锾的理论原子比 达到1 :1时，样品表面生成了大量的磷灰石，随着锾含量的增大，锾掺杂羟基磷灰石的生物活 性随之提高.锾掺杂羟基磷灰石的研究为人工骨材料的临床应用奠定理论和应用基础.关键词：掺杂；锾；纳米羟基磷灰石；生物活性陶瓷材料；生物活性 中图分类号：TQ174.1 文献标志码：A

Study on preparation and bioactivity of

magnesium doped hydroxyapatite

ZHAO Xue-ni，WANG Wan-ying，WANG Xu-dong，ZHANG Jing，

ZHANGLi，HEFu-zhen，YANGJian-un

(College of Mechanical and Electrical Engineering， Shaanxi University of Science & Technology， Xi’ an710021 China)

Abstract：Magnesium doped hydroxyapatite was prepared by hydrothermal synthesis method， and the effect of doping different content of magnesium on the hydroxyapatite biological ac­tivity was studied . The phase composition, element composition, functional group and mor­phology after SBF soaked of magnesium doped hydroxyapatite were characterized . The re­sults show that magnesium doping can greatly improve the biological activity of hytite .When the theory of calcium and magnesium atom ratio reached 1:1,a large amouapatite was formed on the sample surface, and with the increase of magnerium content, the biological activity of magnesium doped hydroxyapatite is improved . The study of Mg doped hydroxyapatite build the foundation of theory and application for the clinical application of artiticial bone materials.Key words： doped； magnesium； nanohydroxyapatite； bioactive ceramic materials； bioactivity *

*收稿日期=2016-12-17

基金项目：国家自然科学基金项目（51072107)；陕西省科技厅自然科学基金项目（2014JM6233)；陕西省大学生创新创业训练计划

项目（1349)；陕西科技大学学术骨干培育计划项目（XSGP 201208)；陕西科技大学博士科研启动基金项目（BJ13-09)；陕 西科技大学校级大学生创新创业训练计划项目（25)

作者筒介:赵雪妮（1974 —），女，陕西西安人，教授，博士，研究方向：生物复合材料

• 62 •

陕西科技大学学根

(N03)2 • 6氏

第35卷

〇引言

羟基磷灰石（0&1。^

0溶液缓慢倒人Ca(N03)2 • 4氏0

溶液中，搅拌15 m

04)6(0出2，只八）是人体 (NH4)节

in后，再加人。.1 mol/L的

HP04溶液搅拌30min，而后采用氨水调

硬组织的主要无机成分，是由氟离子、碳酸根离子 部分取代羟基和钠、镁、钙等金属离子形成的固溶

体.HA具有优良的生物相容性和生物活性，植人 人体后在短时间内能诱导骨组织在其表面生长，并 与骨组织形成良好的化学键合，是一种有巨大利用 潜质的生物材料，在生物医用材料产业中占有重要 pH = 10•将混合溶液转移至四氟乙烯内衬的不

锈钢反应釜，在16(TC下保温24h，冷却至室温后，

将溶液抽滤，并用去离子水和乙醇反复清洗沉淀产 物，然后在80C的烘箱中干燥4同掺杂含量的Mg-H

h，研磨后得到不

A粉体•将粉体进行压坯处

理，而后进行体外模拟体液浸泡实验.

的地位[1，2].但纯H

A的性能并不能完全匹配人骨

的性能，在临床应用时受到一定的限制.通过不同 离子对HA进行掺杂改性，可以在一定程度上影 响

HA的生物活性、热稳定性及烧结性能^9].

镁（Mg)是一种具有生物磷灰石伴生的元素.

如果骨骼代谢时镁元素缺乏，则会导致骨生长停 止M、g成骨细胞活性下降，造成骨量减少及骨脆性.将

离子掺人HA会对其晶体结构、生物活性等造 成改变.Kim等[1。]制备的Si-Mg共同掺杂的HA 与纯HA相比，表现出了更好的生物活性.Arul 等[11]采用湿化学法制备了 Mg掺杂HA，增强了材

料的体外生物活性，有利于植人人体时成骨细胞的 增殖.根据近年来的研究表明，M

g的掺杂对于羟

基磷灰石的生物活性有明显的提高作用.

本研究以磷酸氢二铵、四水合硝酸钙、六水合 硝酸镁和氨水等为原料，通过水热合成法制备Mg 掺杂HA(Mg-HA)，同时研究了掺杂Mg离子，以 及不同Mg的掺杂含量对HA生物活性的影响.1

实验部分1. 1

原料

四水合硝酸钙（Ca(N〇3)2 • 4H2〇，AR)，磷酸 氢二铵（（NH4 )2HP04，AR)，六水合硝酸镁（Mg (NO3) • 6H2〇，AR)，氨水（NH40H，AR)国药

集团化学试剂有限公司.

1.2

制备方法

采用水热合成法制备Mg-HA，配制浓度为

。.1 mol/Lmol/L 的 Mg(N03)2 • 6H20 溶液，0• 167

的 Ca(N〇3)2 • 4凡0 溶液，和。1 mol/L

的(NH4)HP04溶液•假定Mg离子取代HA晶 格中的Ca离子，以（Ca+Mg)/P= 1. 667,以及 Ca。—为基本，x分别取。5、1、2、 的比例，计算各原料用量，并命名为0.5皿邑- HA、1 Mg-HA、2 Mg-HA、5 Mg-HA•将 Mg

体外模拟体液浸泡实验可以分析和评价HA 在模拟人体条件下的性能• SBF的原理是人工合 成的材料在植人人体后能够通过在表层形成磷灰 石层来与骨骼连接，从而模拟天然骨组织的形成过 程[12] •模拟体液组成配制如表1所示•将样品浸泡 于定量SBF液中，密封后放置于37 C的恒温箱 中，每天更换SBF溶液，分别于1、3、7天取样•

Na表1

模拟体液的离子浓度（mmolIIP/L)

+ K:+ Mg2+ Ca2+ Cl-HC0a-042-S042-142 5

1. 5 2!. 5 147. 8

4 2

1

0• 5

1.3 样品性能表征

采用RgakuX射线衍射仪（D/max2200/PC，日本

公司）对所制备的样品进行物相分析，采用

能谱仪进行样品成分的测定，采用傅里叶变换红外

光谱仪（EQUIN0X-5 5，德国布鲁克Bruker公司） 进行化学基团的分析，采用扫描电镜（JSM-646。， 日本JE0L公司）观察样品微观形貌•采用体外模 拟体液浸泡的方式来验证样品的生物活性•2

结果与讨论

2. 1

Mg-HA 的 XRD 分析

图1为通过水热合成法合成制备的的HAMg-

的 XRD 图•从图 1 中 XRD 的衍射峰可以看 出，HA的特征衍射峰均出现，依次出现以下晶面：

(100)、（002)、（102)、（210)、（211)、（112) (300)、 (202)、（310)、（222)、（312)、（213)和（004)•与纯

HA 衍射峰比较（PDFNo. 09-0432)，Mg-HA 的晶 M面衍射峰位向大角度方向偏移，g其原因可能是由于

离子半径小于Ca离子半径，掺杂后引起晶格 畸变，引起面间距变小，根据布拉格方程A = 2dsin0，当X射线的波长不变的时候变小，则0

会变大，从而造成了衍射角向大角度偏移•2. 2

Mg-HA 的 EDS 分析

采用EDS对样品的元素及其摩尔比进行测试

第2期赵雪妮等:镁掺杂羟基磷灰石的制备及其生物活性研究

• 63 •

与计算，图2和表2为测试与计算结果.从图2可 以发现，HA中所具有的元素在结果中均存在，同 时又有Mg元素出现.这表明Mg离子成功地通过 水热合成法掺杂进入了 H

A中.表2为样品Mg-

HA的相关元素的摩尔比，与HA中的钙磷比接 近，但Ca元素含量较天然羟基磷灰石仍偏少，属

于缺钙羟基磷灰石.

o

图1

Mg-HA的XRD图

表2

Mg-HA的元素摩尔比

样品

Mg-HAMg/(CCa/P a+Mmolar g) molar ratio

ratio1.352 0.219 84(Mg+Ca)/P molar ratio

1.381 8

2.3

Mg-HA 的 F丁IR 分析

对Mg-HA进行红外分析，图3为测试结果. 从图 3 可以看出，在 566 cm—:、771 cm—:、1 035 cm-1处为P043-的特征吸收峰，在3 419 cmcm-1为 OH-1的特征吸收峰[8]•而在1 641 -1为COOH 的特征吸收峰，这可能是由于在制备过程中CO2

的进入造成了碳酸羟基磷灰石的形成[13].这些结 果说明，与纯HA相比，在掺杂Mg离子后对于制 备的样品成分没有发生根本性的改变.

图4为Mg掺杂HA在

SBF中浸泡1天和7

天后的SEM图.在图4中，（a)、（b)为在SBF中浸 泡(e1天的纯HA，SBF（c)、（d)为浸泡7天的c纯HA; )、（f)为在 中浸泡 1 天的 Mg-HA，（g)、（h) 为浸泡7天的Mg-HA.通过对比可以发现，纯HA 表面有少量的白色小颗粒沉淀物，而Mg-HA表面

则有大量的白色小颗粒沉淀均匀分布在样品表面， 并且表面更为平整致密，晶粒尺寸均匀.对比Ami 等[11]采用微波合成法制备的Mg掺杂HA，同等掺 杂量下本文中制备的Mg-HA表面有更多磷灰石 的沉积生成.

()一SBFHA 中X浸10 泡000 1天的（b) — SBFHA 中X 30 浸泡000

1天的

()一SBFHA 中X浸10 泡000 7天的（d) — SBFHAX中30 浸泡000

7天的

()一Mg-HA SBF中浸X泡10 1000 天的（)Mg-HA 一SBF中浸X 30 泡1000

天的

(g) — SBFMg-HA 中浸X泡10 7000 天的（h) — SBFMg-HA 中浸X 30 泡7000

天的 图4 Mg掺杂nHA在SBF浸泡后的SEM图

• 64 •

陕西科技大学学裉

第35卷

SBF浸泡的Mg- HA样品表面，相较于纯HA(图4(c)、（d))可以发

现，在其表面形成了一层致密均匀的磷灰石，同时 形貌更加规则，晶粒大小均匀，可能是由于随着时 间的延长其结晶性得到了提高.这表明通过水热合 成法在HA中掺杂Mg离子，可以使HA的生物 活性得到提高，更有效地诱导其表面成骨，从而获 得更好的生物相容性.

2.5 不同Mg掺杂含量对生物活性的影响

图5为不同Mg掺杂含量的HA在着

在图4(g)、（h)中，经过7天时间内沉积的越来越多.通过观察图5(a)〜（）、

(d)〜（f)、（g)〜（i)、（）〜（1)中相同掺杂含量、不

同浸泡时间的样品可以发现，在SBF中浸泡的第1

天内样品表面形成了很多磷灰石晶核，随着时间的 延长，磷灰石成核点逐渐长大，形成晶粒细小均匀 且致密的磷灰石，完全附着满了样品表面.这些现 象可能是由于Mg离子在样品表面溶解度增大，

HA表面的负离子基团增多，如PO43—和0H-，从

而可以吸引更多的正离子来形成磷酸钙，形成更多 磷灰石的成核点，促进其生成，从而提高其生物活 性

SBF中分

别浸泡1、3、7天后的SEM图.从图5可以发现，随

Mg掺杂含量的提高，样品表面的磷灰石在相同

(a)0.5Mg-HA 在 SBF 中 1 天（b)0.5Mg-HA 在 SBF 中 3 天（c)0.5Mg-HA 在 SBF 中 7 天

(d)1Mg-HA 在 SBF 中 1 天（e)1Mg-HA 在 SBF 中 3 天（f) 1Mg-HA 在 SBF 中 7 天

(g)2Mg-HA 在 SBF 中 1 天（h)2Mg-HA 在 SBF 中 3 天（i)2Mg-HA 在 SBF 中 7 天

(j)5Mg-HA 在 SBF 中 1 天（k)5Mg-HA 在 SBF 中 3 天 15Mg-HA 在 SBF 中 7 天

图5 不同Mg掺杂含量的HA在SBF浸泡后的SEM

在SBF中浸泡沉积1天的2Mg-HA(图5(g)) 与沉积7天的0. 5Mg-HA(图5(c))相似，形成了 致密均匀的磷灰石层；而沉积1天的5Mg-HA(图 5())与其他文献中沉积14天的HA情况相近，表

面有较多的磷灰石晶核生成，同时又已经沉积了一 定结晶性较好的磷灰石[5].观察不同掺杂含量、相

同浸泡天数的样品，发现随着M g掺杂含量的提 升，样品表面的白色颗粒沉淀逐渐增多变大，这说

第2期赵雪妮等:镁掺杂羟基磷灰石的制备及其生物活性研究• 65 •

nal of the European Ceramic Society2009,29(14) ：2 969­

2 978.

品表面的形核.随着时间的增加，磷灰石晶核长大

[4] Laurencin Danielle, Almora Barrios Neyvis，Leeuw Nora

同时又有新的晶核生成，在经过7天SBF浸泡的

H. D E,et al Magnesium incorporation into hydroxyapa-

不同Mg含量的样品均呈现出了致密平整的磷灰 tite[J]. Biomaterials,2011,32(7) ： 1 826-1 837.石层，特别是5Mg-HA出现了鳞片状的磷灰石形 [5] Kim Tae Wan,Lee Hyeong Shin,Kim Dong Hyun,et al

In situ synthesis of magnesium-substituted biphasic calci­貌，表明在其表面形成了结晶性优良的磷灰石，能

um phosphate and in vitro biodegradation [J]. Materials 使植人体获得更好的生物相容性.由此可以说明，

ResearchBulletin，2012，47(9) : 2 5062 512.

随着Mg掺杂含量的提升，可以促进HA诱导磷灰

[6] AlshemaryAmmar Z，Akram Muhammed，GohYi Fan，et

石生成的能力，提高HA的生物活性，从而改善在 al Synthesis^characterization»in vitro bioactivity and anti­明Mg掺杂量的增多可以极大地促进磷灰石在样

植人时出现的排异现象，使人工骨植人体更好地与 人体相结合.

3结论(1) 采用水热合成法制备了 Mg-HA，Mg的掺杂引起了 HA晶格发生了畸变，同时降低了 HA 的结晶度.

(2) 相较于纯HA，Mg-HA的生物活性得到了提高.并且Mg-HA的生物活性随着Mg掺杂含量

的增加而越高.参考文献

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