無機(jī)生物材料實(shí)驗(yàn)講義
實(shí)驗(yàn)一 羥基磷灰石陶瓷的制備
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆樟u基磷灰石生物陶瓷的理化性質(zhì)、制備方法、組成元素的化學(xué)定量分析方法以及陶瓷制備工藝。
羥基磷灰石生物陶瓷屬磷酸鹽系無機(jī)非金屬材料，熔點(diǎn)為1650oC，燒結(jié)溫度在1100-1200oC之間。羥基磷灰石陶瓷的制備實(shí)驗(yàn)主要包括三部分內(nèi)容：1. 羥基磷灰石陶瓷原粉的合成；2. 羥基磷灰石陶瓷原粉鈣、磷含量的化學(xué)分析；3. 羥基磷灰石陶瓷制品的成型與燒結(jié)。
1. 羥基磷灰石陶瓷原粉的合成
1.1 實(shí)驗(yàn)原理：
羥基磷灰石(Hydroxyapatite)是一種鈣磷化合物，屬六方晶系，化學(xué)式為Ca5(PO4)3(OH)，通常寫為Ca10(PO4)6(OH)2，分子量502.31，密度為3.16g·cm-3，是生物體骨組織的主要無機(jī)組成，具有很好的生物相容性。目前生物陶瓷的絕大部分研究都直接或間接與它有關(guān)。羥
基磷灰石陶瓷原粉的制備主要采用體外人工合成的方法，目前合成方法有很多種，包括沉淀法、高溫固相法、水熱法、電化學(xué)沉積法等。這里采用的是實(shí)驗(yàn)室中較常用的鈣磷沉淀法。
本實(shí)驗(yàn)采用硝酸鈣和磷酸氫二銨為原料，按Ca/P=5/3的配比進(jìn)行反應(yīng)，用氨水調(diào)節(jié)反應(yīng)體系pH值在11~12之間，反應(yīng)方程式如下：
(NH4)2HPO4 + NH3·H2O = (NH4)3PO4 + H2O
3(NH4)3PO4 + NH3·H2O = (NH4)10(PO4)3(OH)
(NH4)10(PO4)3(OH) + 5Ca(NO3)2 = Ca5(PO4)3(OH) +10NH4NO3
反應(yīng)在室溫?cái)嚢柘逻M(jìn)行，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)液滴加速度來控制反應(yīng)速度。羥基磷灰石晶體的鈣磷比為1.67，因此在沉淀反應(yīng)中，必須控制原料的鈣磷比不低于該值；同時，由于羥基磷灰石在酸性和弱堿性條件下不穩(wěn)定，還必須保證反應(yīng)體系的pH值始終>11。
1.2 試劑和儀器
試劑：Ca(NO3)2·4H2O，(NH4)2HPO4，濃NH3·H2O，去離子水
儀器：500mL和1000mL燒杯，250mL或500mL滴液漏斗，10mL和250mL量筒，玻璃棒，pH廣泛試紙，電子天平，不銹鋼藥匙，電動或磁力攪拌器，鐵架臺，臺式離心機(jī)（4000轉(zhuǎn)），烘箱，馬弗爐
1.3 實(shí)驗(yàn)步驟
稱取(NH4)2HPO4 13.20g，Ca(NO3)2·4H2O 39.36g，分別加一定量的去離子水溶解，然后將Ca(NO3)2溶液用濃NH3·H2O調(diào)pH至11~12（約加入4.2mL），并稀釋到300mL；將（NH4）2HPO4溶液用濃NH3·H2O調(diào)pH至11~12（約加入125mL），并稀釋到533mL。兩種溶液最終pH值應(yīng)不小于11，且沒有沉淀產(chǎn)生。
將裝有(NH4)2HPO4溶液的燒杯置于攪拌器上，Ca(NO3)2溶液裝入滴液漏斗，固定在鐵架臺上。調(diào)節(jié)Ca(NO3)2溶液的滴加速度（約2~3滴/s，呈連續(xù)點(diǎn)滴狀），同時不斷攪拌，反應(yīng)2~3h。
吸取10mL懸濁液移入小藥瓶中（分組進(jìn)行，如1～5組反應(yīng)30min取樣，6-10組1h，11-15
組3h等），采用顯微鏡或粒度分析儀分析沉淀粒度大小和分布（該部分用于醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)）。
反應(yīng)產(chǎn)物放置陳化24h，去掉上清液后用去離子水洗滌、離心，重復(fù)操作直至上清液呈中性為止。
將洗凈的反應(yīng)沉淀物轉(zhuǎn)入坩堝，放入80oC烘箱中干燥，得到疏松塊樣，然后放入馬弗爐中于800oC下保溫3h，冷卻后粉碎，過200目篩裝瓶備用，所得產(chǎn)物即為羥基磷灰石陶瓷原粉。
2. 羥基磷灰石陶瓷原粉的鈣、磷含量化學(xué)分析
2.1 實(shí)驗(yàn)原理
羥基磷灰石陶瓷原粉的鈣、磷含量，直接影響陶瓷材料的力學(xué)性能以及生物相容性。理論上，所得到的羥基磷灰石原粉的鈣、磷摩爾比應(yīng)為1.67，而事實(shí)上，由于雜質(zhì)、非化學(xué)計(jì)量比化合物和晶體缺陷等因素的存在，導(dǎo)致其化學(xué)比偏離此數(shù)值。因此需通過元素分析來確定所得產(chǎn)物的鈣、磷含量，以判斷所得到物質(zhì)的化學(xué)組成。本實(shí)驗(yàn)所采用的鈣、磷元素
定量分析手段為化學(xué)分析，其中磷含量的測定采用重量分析法，鈣含量的測定采用絡(luò)合滴定法。
2.1.1 磷鉬酸喹啉重量法測定羥基磷灰石的磷含量
采用強(qiáng)酸將原粉試樣中的磷酸根轉(zhuǎn)化為磷酸，磷酸和喹鉬檸酮試劑生成黃色磷鉬酸喹啉沉淀（分子量為2212.74），沉淀產(chǎn)物經(jīng)干燥后準(zhǔn)確稱重，由所得重量計(jì)算出P2O5的含量。沉淀反應(yīng)的方程式為：
Ca5(PO4)3(OH) +10HCl = 5CaCl2 + 3H3PO4 +H2O
H3PO4 + 3C9H7N +12Na2MoO4 +24HNO3 = (C9H7N)3·H3PO4·12MoO3↓+24NaNO3 +12H2O
2.1.2 絡(luò)合滴定法測定羥基磷灰石的鈣含量
在堿性條件下，采用K-B指示劑，用EDTA與鈣絡(luò)合滴定的方法確定鈣離子濃度。
2.2 試劑和儀器
2.2.1磷鉬酸喹啉重量法測定羥基磷灰石的磷含量
試劑：1：1鹽酸溶液（1體積濃鹽酸加1體積水），1：1硝酸溶液，鉬酸鈉，喹啉，檸檬酸，去離子水
儀器：100mL和300mL燒杯，250mL容量瓶，10mL或25mL移液管，50mL或100mL量筒，表面皿，玻棒，坩鍋，電子天平，烘箱，電爐，干燥器
2.2.2 絡(luò)合滴定法測定羥基磷灰石的鈣含量
試劑：
1）EDTA溶液（0.03M），稱取6g乙二胺四乙酸二鈉鹽于250mL燒杯中，用水溶解后稀釋至500mL，如溶液需保存，則儲存于乙烯塑料瓶中。
2）NH3-NH4Cl緩沖液，pH=10，稱取67g氯化銨，溶于少量水中，加500mL濃氨水，用試紙檢查，再用濃氨水或鹽酸調(diào)節(jié)至pH值為10，用水稀釋至1L。
3）K-B指示劑：稱取0.2g酸性鉻藍(lán)K和0.4g萘酚綠B，于小燒杯中，加水溶解后稀釋至100
mL。
4）CaCO3基準(zhǔn)物：將基準(zhǔn)CaCO3置于120oC烘箱中干燥2h，稍冷后置于干燥器中，冷卻至室溫備用。
2.3 實(shí)驗(yàn)步驟
2.3.1 羥基磷灰石試樣溶液的配制
準(zhǔn)確稱取1.5g羥基磷灰石陶瓷原粉樣品，在燒杯中以1：1鹽酸溶液溶解，移至250mL容量瓶中，稀釋至刻度。
2.3.2磷鉬酸喹啉重量法測定羥基磷灰石的磷含量
1）喹鉬檸酮試劑（1000mL）配制
溶解70g鉬酸鈉于150mL水中，得到溶液A；溶解60g檸檬酸于85mL硝酸/150mL水的混合液中，冷卻，得到溶液B；在不斷攪拌下，緩緩把A加到B中，得到溶液C；溶解5mL喹啉于35mL硝酸/100mL水的混合液中，得到溶液D；將D慢慢倒入溶液C中，混合后放置24h，
過濾，加280mL丙酮, 用水稀釋至1000mL，搖勻，儲存于聚乙烯瓶中。
2）磷鉬酸喹啉沉淀反應(yīng)
用移液管從裝有羥基磷灰石試樣溶液的容量瓶中吸取10mL溶液于300mL燒杯中，加入10mL 1：1硝酸溶液，加80mL水，蓋上表面皿，加熱至近沸。
加入50mL喹鉬檸酮試劑，繼續(xù)加熱煮沸1min，然后冷卻至室溫。先將上層清液濾完，然后用傾瀉法以水洗沉淀2次（浮在水面上的黃色膜引起的質(zhì)量誤差很小，可忽略不計(jì)），每次約25mL，將沉淀移入預(yù)先干燥至恒重并準(zhǔn)確稱重的坩堝中，繼續(xù)以水洗滌，約140mL水，將坩堝連同沉淀放入烘箱中，于180oC烘45min，取出放入干燥器中，冷卻至室溫，準(zhǔn)確稱重。
2.3.3 絡(luò)合滴定法測定羥基磷灰石的鈣含量
1）EDTA溶液的標(biāo)定
稱取基準(zhǔn)CaCO30.35-0.4g，于250mL燒杯中，先用少量水潤濕，蓋上表面皿，緩慢加入1：1鹽酸10-20mL，加熱溶解，轉(zhuǎn)入250mL容量瓶中，稀釋至刻度。
用移液管吸取鈣標(biāo)準(zhǔn)液25mL轉(zhuǎn)入錐形瓶中，加入20mL氯化銨緩沖溶液和2-3滴K-B指示劑，用EDTA滴定至溶液由紫紅色變?yōu)樗{(lán)綠色。
2）試樣分析
準(zhǔn)確吸取25mLEDTA標(biāo)準(zhǔn)液于錐形瓶中，把羥基磷灰石試樣溶液加入滴定管內(nèi)，于錐形瓶中加入10毫升緩沖液和2-3滴指示劑，滴定溶液由藍(lán)綠色變至紫紅色。
3. 羥基磷灰石陶瓷的成型與燒結(jié)
3.1 試劑和儀器
試劑：羥基磷灰石陶瓷原粉，5% PVA溶液，雙氧水，球型樹脂
儀器：方形石膏或鋁箔模具，塑料薄膜，海綿，砂紙
3.2 實(shí)驗(yàn)步驟
本實(shí)驗(yàn)分兩類成型（任選一類），一是方形（致密和多孔試樣，需要樣品較多），一是球
形多孔試樣（眼球假體）。首先將羥基磷灰石陶瓷原粉加粘結(jié)劑劑PVA混合成均勻漿料，PVA溶液約占粉料重量的30%。若想得到多孔陶瓷，則要混入2-3%雙氧水或球型樹脂進(jìn)行致孔。
方形試樣：將漿料注入方形石膏或鋁箔模具中（原坯體測定長、寬，用塑料薄膜為脫模物），室溫下晾干8h，然后在馬弗爐中于180oC恒溫1h除水分（和雙氧水），400oC恒溫2h除粘結(jié)劑，然后升溫至1100oC保持4h進(jìn)行燒結(jié)，得到致密或多孔羥基磷灰石陶瓷成品試樣。致密試樣測定燒結(jié)后的長、寬，計(jì)算收縮率（即燒結(jié)前后尺寸的變化率）。試樣經(jīng)打磨后（先用200目砂紙、然后用600目砂紙打磨拋光），觀察表面形態(tài)和孔徑分布（見醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)），并測試顯微硬度。
球形試樣：用剪刀將海綿剪成直徑約2.5厘米的球狀，將漿料灌注在海綿中，燒結(jié)工序按方形試樣操作，觀察試樣的孔徑大小和孔結(jié)構(gòu)。
思考題：
1. 制備羥基磷灰石時如果原料的鈣磷比低于1.67，可能出現(xiàn)什么產(chǎn)物？在羥基磷灰石制備過程中，如果pH值低于10，可能出現(xiàn)什么產(chǎn)物？
2. 測定羥基磷灰石的磷含量和鈣含量時，哪些操作和因素會引起測定誤差？分析結(jié)果的有效數(shù)字分別是幾位？
3. 什么是燒結(jié)？羥基磷灰石的顆粒大小對燒結(jié)有什么影響？
實(shí)驗(yàn)二 生物玻璃及制品的制備
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私馍锊ＡУ奶匦院椭苽浞椒ǎ莆杖廴凇⒋慊稹Y(jié)的概念。
實(shí)驗(yàn)原理：生物玻璃根據(jù)其降解性可分為兩類：一是非降解型生物玻璃，一是降解型生物玻璃。非降解型生物玻璃的代表為Hench教授在1971年研制成功的生物活性玻璃45S5，是一種含有Ca、P元素的高Si玻璃，合成配方如1）所示。生物活性玻璃的生物相容性很好，但由于Si元素的存在，在生物體內(nèi)無法降解。降解型生物玻璃的代表是偏磷酸鈣生物玻璃，為無Si的高P玻璃。降解型生物玻璃保持了生物玻璃的生物活性，同時由于玻璃網(wǎng)絡(luò)主要由P-O鍵構(gòu)成，反應(yīng)活性增大，容易發(fā)生降解。降解型生物玻璃的合成配方如2）～5）所示，其中高含量Ca、P構(gòu)成生物玻璃的主體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，目的是使玻璃產(chǎn)生生物相容性和可降解性，Al、F和Mg元素的引入是為了提高玻璃的穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度，添加Ti是為了進(jìn)
一步提高玻璃的生物活性和整體穩(wěn)定性。本實(shí)驗(yàn)選擇配方2），并通過生物玻璃粉與陶瓷原粉混合燒結(jié)，制備生物玻璃陶瓷制品。
