均相沉积法制备磁性羟基磷灰石 Fabrication of Magnetic Hydroxyapatite by a Homogeneous Precipitation Method

doi:10.12677/MS.2016.64028

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Material Sciences 材料科学, 2016, 6(4), 223-229

Published Online July 2016 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/ms

http://dx.doi.org/10.12677/ms.2016.64028

文章引用: 闫艳, 张熠, 左奕, 李玉宝, 李吉东. 均相沉积法制备磁性羟基磷灰石[J]. 材料科学, 2016, 6(4): 223-229.

http://dx.doi.org/10.12677/ms.2016.64028

Fabrication of Magnetic Hydroxyapatite by a

Homogeneous Precipitation Method

Yan Yan, Yi Zhang, Yi Zuo, Yubao Li, Jidong Li*

Department of Research Center for Nano-Biomaterial, Analytical & Testing Center, Sichuan University,

Chengdu Sichuan

Received: May 24th, 2016; accepted: Jun. 27th, 2016; published: Jun. 30th, 2016

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Abstract

A core-shell nano-iron oxide/hydroxyapatite (Fe3O4/HA) composite was synthesized by using a

homogeneous precipitation method. Fe3O4 nano-particles synthesized by chemical precipitation

were dispersed and used as substrate in Ca, P solution to deposit HA on the Fe3O4 spheres through

slowly increase of pH by decomposition of urea using urease as the catalytic. The influence of Ca/P

molar ratio and varying dosages of dispersing agent (ammonium citrate) on the composition,

structure and particle diameter of fabricated Fe3O4/HA was investigated. The obtained samples

were characterized by X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and scan-

ning electron microscopy (SEM). The results showed that a spherical core-shell Fe3O4/HA compo-

site with magnetic properties, and smaller particle size were obtained under Ca/P molar ratio of

5:3 and ammonium citrate concentration of 1.5 - 3.0 g/500ml.

Keywords

Hydroxy apatite, Ferroferric Oxide, Magnetism, Ammonium Citrate

均相沉积法制备磁性羟基磷灰石

闫艳，张熠，左奕，李玉宝，李吉东*

四川大学分析测试中心，纳米生物材料研究中心，四川成都

收稿日期：2016年5月24日；录用日期：2016年6月27日；发布日期：2016年6月30日

*通讯作者。

闫艳等

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摘要

本文将Fe3O4纳米颗粒分散在Ca、P溶液中，通过尿素酶催化水解尿素提高Ca、P溶液PH值，以纳米Fe3O4

为成核位点，通过均相沉积法制备具有核–壳结构的Fe 3O4/HA磁性复合物。通过X射线衍射 (XRD )、透

射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)等分析手段分析探讨了C a/P摩尔比和分散剂柠檬酸铵用量对磁性羟基磷

灰石复合颗粒组成、结构和颗粒尺寸的影响。结果表明当溶液中Ca/P摩尔比为5:3，分散剂柠檬酸铵用

量为1.5~3.0 g/500ml，Fe3O4磁性粒子基本完全被沉积的羟基磷灰石包覆，可制得颗粒尺寸较小的球状

核壳结构磁性Fe3O4/HA复合物。

关键词

羟基磷灰石，四氧化三铁，磁性，柠檬酸铵

1. 前言

随着全球范围内人口老龄化趋势加剧，骨质疏松症的发病率随之不断增加，由此导致的骨缺损日益

增多[1]。此外因交通事故、运动、创伤、肿瘤切除等原因造成的骨缺损也越来越普遍。尽管天然骨具备

优异的力学性能和缺损自愈合能力，但当骨缺损的面积超过骨自愈合限度时，必须进行外科手术进行治

疗，才能达到骨修复的目的[2] [3]。因此，如何安全有效的治疗骨缺损已成为一个重大而长期性的研究课

题。其中在骨缺损修复重建过程中提供有效地应力刺激，促进骨再生修复已成为研究热点[4]。

磁性粒子例如 Fe3O4、γ-Fe2O3等具有较好的超顺磁性，且矫顽力小、饱和磁化强度高[5]-[7]。利用

Fe3O4的磁性刺激可以加速骨的愈合过程和新骨生成[8] [9]，但无法完成较大骨缺损连接。磷酸钙类骨修

复材料，如羟基磷灰石(HA)、磷酸三钙等均具有良好的生物相容性和生物活性，已用于填充较大的骨缺

损[10]，但该类材料无法提供有效的应力刺激新骨形成。据此，一些学者将磁性氧化铁和磷酸钙类材料复

合，形成新型的骨修复材料[11]-[15]，兼具良好的生物相容性和诱导、磁力刺激新骨形成的作用[8] [16]。

曾晓波[17]等采用共混–真空烧结方法将 Fe3O4复合到磷酸钙多孔陶瓷中，制备了一系列超顺磁性磷酸钙

复合支架，经过体内和体外实验证明这种磁性支架能显著地促进成骨细胞的增殖、分化和新骨的形成。

鲍志伟[16]等采用共沉淀法，在室温下合成了粒径在 30 nm 左右、分散均匀的球形 γ-Fe2O3/HA复合粒子，

但其饱和磁化强度较低。徐晓虹[18]等研制了具有磁性的多孔陶瓷人工骨，实验结果表明此人工骨材料理

化与生物学性能良好，在体内能激发骨形成，加速骨修复。Li [19]等采用超声辅助共沉淀法制备了 HA

涂层的 Fe3O4磁性颗粒，体外细胞实验发现其能很好地诱导骨髓间质干细胞成骨分化。由于铁磁粒子具

有低稳定性以及粒径分布混杂的致命缺陷，其应用受到限制[20]。因此，避免Fe3O4的团聚现象，制备出

成分纯净且粒径均匀的磁性羟基磷灰石颗粒为广泛应用该类材料开辟了新途径。本文以纳米四氧化三铁

悬浊液为底物，通过尿素酶催化水解尿素缓慢升高 Ca，P溶液 pH 值，从而使得 HA逐渐在 Fe3O4上沉积，

形成具有一定紧密结构的磁性羟基磷灰石复合颗粒，其原理图如图 1所示。

在化学沉积法制备磁性羟基磷灰石的过程中，溶液的离子强度、Ca/P 摩尔比、表面活性剂柠檬酸铵

的量等因素均对复合物颗粒的结构、形貌、大小及分布有一定的影响。课题组前期的研究已表明向溶液

体系中加入质量浓度为 20 g/500ml的NaCl调节离子强度利于形成完整的“核–壳”结构磁性 HA复合物

[21]。本文进一步研究溶液中 Ca/P 摩尔比、表面活性剂柠檬酸铵的量对 Fe3O4/HA 复合物颗粒的组成、

形貌、颗粒大小的影响。

闫艳等

225

Figure 1. The schematic of the formation of core-shell Fe3O4/HA particles

图1. 核壳式磁性羟基磷灰石颗粒形成示意图

2. 材料与方法

2.1. 原料

氯化亚铁(FeCl2∙4H2O)，天津大茂化学试剂厂；氯化铁(FeCl3∙6H2O)、浓氨水 (wt: 25%)、氯化钠 (NaCl)、

柠檬酸铵(C6H17N3O7)，成都科龙化工试剂厂；氯化钙(CaCl2)、磷酸氢二钠(Na2HPO4)、尿素，SIGMA 公

司；尿素酶(SIGMA type Ш)，Jack Beans公司。上述试剂均为分析纯。

2.2. 样品制备

2.2.1. 纳米四氧化三铁浆液的制备

按文献方法制备纳米四氧化三铁悬浊液[21]。即将氯化亚铁(FeCl2∙4H2O)和三氯化铁(FeCl3∙6H2O)按

2:3 的摩尔比溶于去离子水中，移入 500 ml三颈瓶中，加入一定量的浓氨水(25 wt%)，在氮气保护下于

70℃水浴中快速搅拌反应0.5 h。待反应结束后，用磁铁吸引迁移作用分离悬浊液中磁性颗粒，用去离子

水反复洗涤至中性，再将纳米四氧化三铁分散于水中，超声 30 min，即制得所需黑色纳米级四氧化三铁

悬液，备用。

2.2.2. Fe3O4纳米粒子的改性

以柠檬酸铵为分散剂，取上述黑色四氧化三悬浊液加入到已进行通氮除氧的 500 mL质量浓度分别为

1 g/L、3 g/L、6 g/L 的柠檬酸铵溶液中，超声20 min，使四氧化三铁纳米颗粒充分分散，获得均匀的四

氧化三铁的悬浮液。

2.2.3. 不同 Ca、P比溶液中制备磁性磷灰石

将一定量的氯化钙(CaCl2)、磷酸氢二钠(Na2HPO4)、尿素和氯化钠(NaCl)分别按 Ca，P原子比 1:2、

5:3、10:3 配成 400 ml Ca，P溶液，用稀盐酸调节 PH至5，加入均匀分散的纳米四氧化三铁悬浊液，混

合均匀，将该混合浆液放入 37℃水浴中，匀速搅拌 30 min，加入相应量的尿素酶，反应 72 h。反应停止

后，用去离子水洗涤至中性，冷冻干燥 48 h，得到磁性羟基磷灰石复合物。

不加入纳米四氧化三铁悬浮液，在上述 Ca、P溶液条件下自然沉积即得到纯羟基磷灰石。

2.3. 材料表征

表征方法：通过 XRD (DX-2500 型，中国丹东方圆公司) (0.2˚/min，2θ范围为 10˚~70˚)表征材料的组

成及结晶结构；采用 SEM (JSM-6510LV，日本电子株式会社)和TEM (JEM 100CX П 型，日本电子株式

会社)观察样品形貌。将制备的磁性 HA浆料置于玻璃瓶中，在一侧放置磁铁，数码相机记录材料的磁响

应行为。

particle

Ca、P/ur ea s o lut i o n

Low P H

Urease

High PH

particle

闫艳等

226

3. 结果与讨论

3.1. Ca、P摩尔比对复合物颗粒的影响

羟基磷灰石的生成依赖于 Ca、P溶液的 PH 值，本文将尿素溶解于含有 Fe3O4纳米颗粒的 Ca、P溶

液中，采用尿素酶催化水解尿素所生成的氨气使 Ca、P溶液体系的 pH 逐渐升高的均相沉积法制备磁性

HA 复合颗粒。图2为不同Ca/P摩尔比条件下制备的 Fe3O4/HA 复合物的 XRD 图谱。图中2θ分别为 35.5˚、

53.6˚、62.7˚与Fe3O4标准 JCPDS 卡片的(311)、(422)、(440)晶面衍射相对应，表明所得产物并没有改变

Fe3O4的立方晶型结构，复合物的磁性得以维系。2θ分别为 25.9˚、31.8˚、39.7˚的特征峰与 HA 标准 JCPDS

卡片的(002)、(211)、(310)晶面特征衍射峰对应[22] [23]，表明该方法成功合成了 HA。图 2( a) 中可同时观

察到 Fe3O4和HA较强的特征峰，表明当溶液中 Ca/P 为1:2 时，尽管可以形成 HA，但生成的 HA不能完

全包覆纳米Fe3O4颗粒，仍可观察到较强的Fe3O4特征衍射峰。而图2(b)中HA 的特征峰完整且尖锐，Fe3O4

特征峰与图 2(a)相比明显减弱，说明 Ca/P 摩尔比为 5:3 时，HA 很好地沉积包覆 Fe3O4，形成了稳定的核

壳结构复合物。图2(c)中除了 Fe3O4和HA 的特征峰以外，在2θ = 29.4˚还存在较强的CaCO3特征衍射峰，

说明当 Ca/P摩尔比为10:3时，由于溶液中 Ca2+过量，当尿素水解产生CO2与过量的Ca2+反应，生成CaCO3。

因此 Ca/P 摩尔比 5:3 为该体系制备核壳结构磁性 Fe3O4/HA 的最佳配比。

3.2. TEM分析

图3为制备的纯 HA、Fe3O4纳米颗粒和 Fe3O4/HA复合物的 TEM 照片。图 3(a)为Ca/P 摩尔比为 5:3

制备的 HA 的TEM 照片，由图可看出纯羟基磷灰石呈针状晶体；图 3(b)显示制备的纳米四氧化三铁颗粒

呈圆球状；图 3(c)为本实验运用均相化学沉积法合成的 Fe3O4/HA 复合物的 TEM图像，可以看出复合物

呈球状，尺寸较纯 Fe3O4大了近 3~4 倍，没有观察到呈针状的羟基磷灰石晶体，说明该方法所制备的复

合物为球状核壳结构颗粒。比较图 3(a)和图 3(c)可知，在此反应条件下，Ca、P溶液中不加入 Fe3O4纳米

颗粒，反应得到典型的针状HA 晶体，表明均相沉淀反应生成的 HA仍为向 C轴择优生长的趋势。当在

Ca、P溶液中加入纳米 Fe3O4悬浊液，纳米 Fe3O4颗粒作为成核位点，HA 在纳米Fe3O4表面沉积，形成

了核壳结构的复合颗粒。

3.3. 磁性羟基磷灰石复合物磁相应行为

为了验证制得的 Fe3O4/HA复合物的磁响应性，我们利用简单的磁铁吸引来做初步验证。如图4所示，

Fe3O4/HA 复合物悬浮液在磁铁的吸引下，悬浮颗粒迅速的移向磁铁一边，左侧液体变得较为澄清，表明

用该方法所制备的 Fe3O4/HA复合物具有明显的磁相应行为。

3.4. 柠檬酸铵分散剂对磁性羟基磷灰石颗粒的影响

图5为本实验在不同的柠檬酸铵质量浓度(每500 ml 溶液中所含柠檬酸铵的质量)下所制备的 Fe3O4/HA

复合物的SEM 图片。图5(a)为悬浊液中不加柠檬酸铵制备的 Fe3O4/HA 复合物，由图中可看出复合物为

规则的球形颗粒，尺寸约为 30 μm，而初始模板 Fe3O4颗粒尺寸仅约为 20 nm，说明在沉积过程中，HA

内部包含多个或团聚的 Fe3O4颗粒，导致最终形成复合物尺寸较大。图 5(b)、图 5(c)、图 5(d)分别为 Ca、

P溶液中加入不同浓度的柠檬酸铵制备的 Fe3O4/HA复合物，对比图(a)可看出，复合物尺寸明显减小，说

明在沉积过程中，柠檬酸铵作为分散剂，一定程度上减弱了 Fe3O4的团聚，从而导致最终形成的 Fe3O4/HA

复合物颗粒变小。

分散剂的最佳用量与具体的制备工艺和基液性质密切相关。柠檬酸铵用量过低时，纳米粒子包覆不

完全，会导致磁性液体稳定性较低，团聚现象严重，形成的复合物结构较为混乱。随着柠檬酸铵用量的

闫艳等

227

Figure 2. XRD patterns of Fe3O4/HA composites fabricated at different Ca/P molar ratio: (a)

Ca/P = 1:2, (b) Ca/P = 5:3, (c) Ca/P = 10:3

图2. 不同Ca/P 摩尔比制备的 Fe3O4/HA 复合物的 XRD 图谱：(a) Ca/P = 1:2，(b) Ca/P =

5:3，(c) Ca/P = 10:3

Figure 3. TEM images of (a) pure HA, (b) Fe3O4 nano-particle and (c) Fe3O4/HA composite

图3. (a) 纯HA，(b) Fe3O4纳米颗粒和(c) Fe3O4/HA 复合物的 TEM照片

Figure 4. Digital images of (a) Fe3O4/HA composite suspension and (b) suspension near a magnet

图4. (a) Fe3O4/HA 复合物悬浮液和(b)悬浊液靠近磁铁后的数码照片

2θ/˚

10 20 30 40 50 60 70

Intensity/a.u.

(b) Ca/P = 5:3

(a) Ca/P = 1:2

CaCO

闫艳等

228

Figure 5. SEM images of Fe3O4/HA composites with different mass concentration of ammonium citrate:

(a) 0 g, (b) 0.5 g/500ml, (c) 1.5 g/500ml and (d) 3 g/500ml

图5. 不同柠檬酸铵质量浓度下制备的 Fe3O4/HA 复合物的SEM 图像：(a) 0 g，(b) 0.5 g/500ml，(c)

1.5 g/500ml和(d) 3 g/500ml

增加，磁性液体稳定性逐步增大，到达一定值后，纳米粒子包覆较为完全，分散作用最好。继续增大柠

檬酸铵的用量，由于会形成多层吸附，从而磁性液体稳定性又开始降低。从图中可看出，在本实验中，

当柠檬酸铵的质量浓度为 1.5~3.0 g/500ml (图5(c)和图 5(d))时，复合物呈现球状结构且尺寸较小。

综合 XRD、TEM 和SEM 的分析可知，选择合适的 Ca/P 摩尔比和分散剂用量，能够制得具有相对

稳定核壳结构的磁性羟基磷灰石颗粒。这种复合结构中，内核可能是单个或多个 Fe3O4磁性粒子，完全

被羟基磷灰石包埋形成典型的核壳结构。

4. 结论

以柠檬酸铵为分散剂改性 Fe3O4获得的高分散纳米 Fe3O4颗粒为核，以尿素为均相沉淀剂，通过尿素

酶催化水解尿素改变 Ca、P溶液 PH值，均相沉积羟基磷灰石包覆纳米 Fe3O4颗粒，成功制得核壳结构

的磁性 Fe3O4/HA 复合颗粒，并探究了工艺条件对复合颗粒组成、结构和颗粒尺寸的影响。实验发现当溶

液中 Ca/P 摩尔比为 5:3，分散剂柠檬酸铵用量为 1.5~3.0 g/500ml 时，Fe3O4磁性粒子基本完全被沉积的羟

基磷灰石包覆，可制得颗粒尺寸较小的球状核壳结构磁性 Fe3O4/HA 复合物。该方法简便易行，可用于宏

量制备磁性 Fe3O4/HA 复合颗粒。

基金项目

国家高技术研究发展计划项目(863 计划) (2013AA032203 )；四川大学优秀青年学者基金

(2014SCU04A20)。

(a) (b)

SEI 30 kV x500 50μm

SEI 20 kV x10,000 1μmSEI 30 kV x6000 2μm

30 kV x 1000 10μm

闫艳等

229

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