非均相悬浮法制备多孔羟基磷灰石微球

王 萍，李国昌

(山东理工大学 材料科学与工程学院，山东 淄博 255049)

非均相悬浮法制备多孔羟基磷灰石微球

王 萍，李国昌

(山东理工大学 材料科学与工程学院，山东 淄博 255049)

为了获得具有吸附和生物学功能的多孔羟基磷灰石(HA)微球，以自制的纳米羟基磷灰石(HA)粉体为原料，用非均相悬浮法制备了HA/明胶微球,将微球在1 250 ℃下焙烧，成功制备了直径100～500 μm的多孔HA微球.采用光学显微镜、SEM分析、XRD分析和BET氮吸附法研究了微球形貌、尺寸、物相组成、比表面积和孔径，测定了微球对水中F-离子的吸附性能.结果表明：微球具有良好球形形貌和相互贯通的纳米微孔；尺寸比较均匀，分散性良好；微球的主要结晶相为羟基磷灰石；BET表面积为1.867 0～2.089 5 m2/g，孔径6.53～6.85 nm；对氟离子的平衡吸附容量为1.909～1.940 mg/g.通过控制m(HA)/m(明胶)比例、油温、搅拌速度和搅拌时间，可以在一定范围内控制微球直径和比表面积.关键词: 非均相悬浮法；明胶；浆料；多孔HA微球；吸附性能

多孔磷酸钙微球作为一种重要的新型材料，因具有较大的比表面积、较低的体积密度、良好的稳定性、流动性和表面渗透能力等特点，已经在吸附分离、组织工程、药物负载与缓释、催化及传感等方面得到应用，吸引了研究者越来越多的关注.目前，用于制备磷酸钙微球的方法主要有沉淀法[1-5]、微乳液法[6-7]、浆料法[8-10]、喷雾干燥法[11]、火焰喷雾热解法[12]、硬模板法[13-14]、气相扩散法[15]等.用上述方法获得的球形颗粒尺寸范围很宽.一般来说，通过沉淀法、微乳液法、气相扩散法、火焰喷雾热解法得到的球形颗粒，最大直径不超过100 μm；用硬模板法得到的球形颗粒，直径取决于所用的模版.以CaCO3微球为模版制备的HA微球，直径一般在5 μm以下；用硼酸盐玻璃微球为模版所制备的HA微球，直径在100 μm左右.浆料法生产的球形颗粒，直径在500～1 000 μm.即使可以通过不同方法得到不同的粒径，但是，要想获得100～500 μm粒径的颗粒，且产物具有良好的球形形貌和高产率，还是比较困难的.

本文使用安全、无毒的生物原料制备羟基磷灰石纳米粉体，采用非均相悬浮法成球，通过高温烧结制备直径100～500 μm的多孔HA微球.研究有机/无机原料的配比、油相温度、搅拌速度、搅拌时间对微球尺寸、形貌、比表面积和孔隙率的影响，测定微球对饮用水中F-的吸附性能.

1 实 验

1.1 羟基磷灰石粉末原料制备

鸡蛋壳的主要无机成分为CaCO3(质量分数99%)，不含对人体有害的成分.将鸡蛋壳洗净、烘干后置于陶瓷坩埚内，在高温炉中1 000 ℃下焙烧30 min，得到CaO.

采用文献[16]中的方法，将CaO加入去离子水充分搅拌成1 mol/L的Ca(OH)2悬浮液，将H3PO4加去离子水配制成0.6 mol/L的溶液，按照n(Ca)/n(P)(物质的量比)=1.67，在搅拌下将H3PO4溶液缓慢滴入等量Ca(OH)2悬浮液中.滴完后继续反应一定时间，将得到的沉淀过滤、洗涤、干燥，得到羟基磷灰石粉末原料.反应方程式如下：

1.2 成球

1) 将1 g明胶加9 mL蒸馏水，在70 ℃水浴中搅拌形成质量分数10%的明胶水溶液.然后加入4～6 g的HA粉末原料，搅拌形成HA/明胶混合浆料.

2)在锥形瓶中加入50 mL植物油，置于70～90 ℃的水浴中.将HA/明胶混合浆料逐滴加入到植物油中，使用螺旋桨式搅拌器搅拌.在搅拌剪切力和表面张力的共同作用下，浆料在植物油中分散并形成球形颗粒.搅拌速度200～600 r/min.搅拌时间5～15 min.

3)将锥形瓶放入冰箱内4 ℃的水中静置3 h，使形成的HA/明胶微球充分凝固，并由于重力作用沉淀于油层底部.将上层植物油倒出，用无水乙醇洗涤沉淀2～3次后抽滤，产物放入4 ℃冰箱中干燥.

1.3 烧结

将干燥后的微球装入陶瓷坩埚，置于马弗炉中烧结.从室温缓慢程序升温到1 250 ℃，保温30 min，然后自然冷却到室温.烧结是制备多孔HA微球至关重要的一步.烧结不仅可以使微球固化重结晶，而且可以去除明胶，留下的空间在微球内部和表面形成孔隙和贯穿性孔道.

1.4 F-的吸附性能实验

取100 mL塑料烧杯，分别加入 F-质量浓度为20 mg/L的氟化钠溶液和一定量的微球样品，在恒温下震荡，直到吸附平衡.溶液中F-质量浓度采用GB 7784—87中规定的离子选择电极法测定.用下式计算平衡吸附容量q(mg/g)和吸附率(A)：

q= (Co-C)V/W，

A=(Co-Ce)/Co×100%.

式中：Co、C分别为溶液中F-的初始质量浓度和吸附平衡后的质量浓度，mg/L；V为溶液体积，L；W为微球质量，g.

1.5 表征

采用麦克奥迪MOTIC POL-BA300型光学显微镜观察测定微球的尺寸和表面特征.形貌使用荷兰Sirion200型场发射扫描电子显微镜进行分析，分辨率1.5 nm，加速电压0.2～30 kV，铂金镀膜.XRD分析使用德国D8-ADVANCE型X射线粉末衍射仪，测量范围：2θ=2°～60°；测试条件：Cu-Kα辐射(λ= 0.154 nm)，电压40 kV，电流35 mA，扫描速度2 (°)/min.孔径和比表面积采用ASAP-2460系列多站扩展式全自动快速比表面与孔隙度分析仪测定.

2 结果与讨论

当一种液相(分散相)分散于另一种不相混溶的液相(连续相)中，与内部分子相比，相界面上的分子受力不均衡，具有更高的能量.同体积的液体，球体的表面积最小也最稳定，所以，自由液滴必然成为球形.本研究所使用的非均相悬浮法，就是利用互不混溶的液相之间的界面张力与搅拌剪切力的作用，使一种液相在另一种液相中悬浮分散形成微球.

明胶在热水中可以完全溶解，形成明胶水溶液.当温度降到35 ℃以下时，溶胶开始凝固，形成凝胶.本方法是基于明胶的溶解与胶凝特性以及液体的不相混溶性，在较高温度下形成HA/明胶浆料，然后将其分散于植物油中.HA/明胶浆料为分散相，植物油为连续相.HA/明胶浆料在植物油中借助于界面张力与搅拌剪切力的作用分散、悬浮并形成微球.随着环境温度的降低，明胶凝固形成HA/明胶微球.因此，HA/明胶比例、油温、搅拌速度、搅拌时间均可能影响微球尺寸、形貌、比表面积和孔径尺寸.本文主要研究上述因素对微球特征的影响.

2.1 微球的形貌与尺寸

2.1.1 质量比m(HA)/m(明胶比)

不同m(HA)/m(明胶)制备的微球样品在1 250 ℃烧结后的形貌如图1所示，可以看出，各样品均为分散良好的微球，而且随着m(HA)/m(明胶)的减少，球的直径变小.微球平均直径测量结果见表1.

图1 不同m(HA)/m(明胶)微球的形貌

Fig.1 Morphology of microspheres with differentm(HA)/m(gelatin): (a) 4∶1; (b) 3.5∶1; (c) 3∶1

表1 不同m(HA)/m(明胶)微球的平均直径

Table 1 Average diameter of microspheres with differentm(HA)/m(gelatin)

m(HA)/m(明胶)平均直径∗/μm4∶1464．63．5∶1361．83∶1127．3

*50个微球的直径平均值

影响微球大小的主要因素是分散相和连续相的粘度之比(η分散相/η连续相)[17].成球时油相温度一定时，随着m(HA)/m(明胶)降低，分散相(浆料)的粘度降低，更易于在剪切力作用下分散为更小的液滴，所形成的微球直径也更小.

2.1.2 油温

改变油温时所制备的样品在1 250 ℃烧结后的形貌如图2所示.微球直径测量结果见表2.油温70～80 ℃时，微球大小比较均匀，平均直径也较大，见图2(a)和2(b)；油温在90 ℃时，微球直径变小，形状不规则的颗粒较多.微球之间有粘结、团聚现象，见图2(c).不同油温下HA微球的平均直径(50个球平均)测量结果见表2.

图2 油温对微球形貌和尺寸的影响(m(HA)/m(明胶)=4∶1)

Fig.2 Effect of oil temperature on the particle size and morphology of microspheres: (a) 70 ℃；(b) 80 ℃; (c) 90 ℃

油温变化直接影响分散相和连续相的粘度.m(HA)/m(明胶)比例一定时，随着油温升高，连续相和分散相(浆料)的粘度均降低，使分散相更易于分散为更小的液滴，形成直径更小的微球.然而,如果油温过高，分散相(浆料)的粘度过低，微球会变形、粘连，形貌变差.

表2 不同油温下微球的平均直径

Table 2 Average diameter of microspheres at different oil temperatures

油温/℃平均直径∗/μm70487．380464．690291．6

2.1.3 搅拌速度

不同搅拌速度所制备样品在1 250 ℃烧结后的形貌如图3所示.搅拌速度200 r/min时，球的直径较大且直径相差比较悬殊，微球之间有粘连，非球形颗粒也较多，见图3(a)；随着搅拌速度增加，微球直径减小，大小趋于均匀，分散性好，见图3(b)和3(c).因为浆料是借助于搅拌剪切力的作用在油中分散形成小液滴，当分散相和连续相的黏度之比一定时，随着搅拌速度的增加，剪切力增大， 容易形成直径更小、大小更均匀、分散性更好的微球.不同搅拌速度所制备的微球直径的测量结果见表3.

图3 搅拌速度对微球形貌和尺寸的影响 (m(HA)/m(明胶)=3.5∶1，油温80 ℃)

Fig.3 Effect of stirring rate on the particle size and morphology of microspheres: (a) 200 r/min；(b) 400 r/min；(c) 600 r/min

表3 不同搅拌速度微球的平均直径

Table 3 Average diameter of microspheres at different stirring rate

搅拌速度/(r·min-1)平均直径∗/μm200385．0400364．6600157．4

2.1.4 搅拌时间

改变搅拌时间所制备的样品在1 250 ℃烧结后的形貌如图4所示.搅拌时间为5 min时，微球直径较大，且大小不均匀，有较多粘连团聚现象，见图4(a)；搅拌时间增加到10 min时，微球大小趋于均匀，直径减小，分散性增加，见图4(b).搅拌时间增加到15 min时，产物中出现较多直径低于100 μm的小球，见图4(c).随着搅拌时间的增加，微球直径有逐渐减小的趋势.改变搅拌时间所制备的样品的直径测量结果见表4.

图4 搅拌时间对微球形貌和尺寸的影响(m(HA)/m(明胶)=3.5∶1，油温80 ℃，搅拌速度400 r/min)

Fig.4 Effect of stirring time on the particle size and morphology of microspheres: (a) 5 min；(b) 10 min；(c) 15 min

综上所述，m(HA)/m(明胶)比例、油温、搅拌速度和搅拌时间均影响微球直径、形貌和分散性，通过控制这些因素，可以制备出合适尺寸、形貌和分散性良好的羟基磷灰石微米球.

表4 不同搅拌时间微球的平均直径

Table 4 Average diameter of microspheres at different stirring time

搅拌时间/min平均直径∗/μm5398．910364．615290．5

2.2 SEM分析

按照m(HA)/m(明胶)=3.5∶1、搅拌速度400 r/min、油温80 ℃、搅拌时间10 min制备HA/明胶微球，经程序升温制度，在1 250 ℃焙烧30 min后，所得多孔微球样品的SEM照片如图5所示.持续缓慢升温使明胶缓慢分解，微球烧结，不仅微球的形貌和分散性保存完好，见图5(a)，而且明胶分解后在微球表面和内部留下大量微孔隙，见图5(b)，形成多孔微球.

图5 微球样品的SEM照片

2.3 微球比表面积和孔径分析

微球比表面积和孔径分析结果见表5.随着m(HA)/m(明胶)比例的增加，微球的比表面积减小，但孔径变化不大.微球中明胶的比例增加，烧结后微球中的孔隙率增加，微球的比表面积也随着增加.

表5 微球的比表面积与孔径

Table 5 Specific surface area and pore size of microspheres

m(HA)/m(明胶)比表面积/(m2·g-1)平均孔径/nm3∶12．08956．853．5∶11．93916．824∶11．86706．53

2.4 微球的XRD分析

XRD分析结果显示，自制微球原料为低结晶度HA(图6(a))，其(002)面衍射峰清晰尖锐，但(211)、(112)和(300)峰合并为1个宽峰.在1 250 ℃焙烧30 min后，微球样品的XRD分析结果见图6(b)，可以看出，经过缓慢程序升温制度烧结以后，不仅微球的主要结晶相依然为HA，而且经过高温下的重结晶，原料中2θ=30°～35°的宽峰分离形成尖锐清晰的(211)、(112)和(300)3个衍射峰，显示微球主要是由结晶良好HA微晶组成.此外，XRD谱图分析还检测出少量的α-Ca3(PO4)2.

图6 原料和微球样品的XRD分析结果

2.5 对F-的吸附性能

当水中F-质量浓度为20 mg/L，吸附达到平衡时，微球对F-吸附容量达到1.9 mg/g以上(表6).因此较少的投放量即可以大大降低水中F的质量浓度，达到饮用水中F-含量的国家标准 (WHO的饮用水氟含量的建议值为1.5 mg/L，我国饮用水卫生标准规定为1.0 mg/L) .

表6 微球对F-的平衡吸附容量与去除率

Table 6 Equilibrium adsorption capacity and removal rate of F-by microspheres

m(HAp)/m(明胶)平衡质量浓度Ce/(mg·L-1)平衡吸附容量qe/(mg·g-1)吸附率/%4∶10．9101．90995．453．5∶10．7821．92296．093∶10．6031．94096．99

3 结 论

采用沉淀法制备纳米HA粉体；用非均相悬浮法制备 HA/明胶微球；然后通过焙烧除去明胶，形成平均直径约150～500 μm、具有良好球形形貌和分散性的多孔HA微球.结果表明，通过改变m(HA)/m(明胶)比例、油温、搅拌速度和搅拌时间，可以控制微球直径、比表面积和分散性.所制备的微球对水中的F-具有良好的吸附性能.

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(编辑 程利冬)

Preparation of porous hydroxyapatite microspheres by heterogeneous suspension method

WANG Ping, LI Guochang

(Department of Materials Science and Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049,China)

In order to obtain porous hydroxyapatite (HA) microspheres with adsorption and biological functions, HA/gelatin microspheres were prepared by heterogeneous suspension method using nano-hydroxyapatite (HA) powders as raw material. After 1 250 ℃ calcinations, the porous HA microspheres with diameters ranging 100～500 μm were successfully prepared. The morphology, size, phase composition, specific surface area and pore size of the microspheres were examined by optical microscope, scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD) and BET. The adsorption properties of the microspheres on F-ion in water were also studied. The results showed that the microspheres have excellent spherical morphology and interpenetrating nano-pores. The microspheres are homogeneous and well dispersed. The main crystalline phase of the microspheres is HA. The BET surface area of the microspheres, the pore size, and the equilibrium adsorption capacity of fluoride ion were 1.867 0～2.089 5 m2/g, 6.53～6.85 nm, 1.909～1.940 mg /g, respectively. The diameter and specific surface area of the microspheres can be finely controlled within a certain range by tuning the HA/gelatin ratio, oil temperature, and stirring speed and time. Keywords: heterogeneous suspension method; gelatin; paste; porous HA microspheres; adsorption

2016-08-31. 网络出版时间: 2017-03-22.

王 萍(1959—)，女，教授.

王 萍，E-mail:wangping-0616@sdut.edu.cn.

10.11951/j.issn.1005-0299.20160280

X523

A

1005-0299(2017)04-0057-06