β-环糊精/羟基磷灰石的制备与性能研究

Study on Preparation and Characterization of β-Cyclodextrin/Hydroxyapatite

摘要: 本研究分别以CaCl₂和H₃PO₄为钙源和磷源，NaOH为pH调节剂，成功制备了β-环糊精(β-CD)/羟基磷灰石(HAP)复合物。借助傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、热重分析(TG)和扫描电镜(SEM)对反应产物进行了表征，研究β-CD浓度对产物的组成、热稳定性、形貌等的影响。结果表明，β-CD可以影响产物组成和形貌，随着β-CD浓度的增大，产物由最初的无规团聚逐渐变成针状、棒状结构。结合β-CD的分子结构及其自组装性能，对β-CD与HAP的反应机理进行了初步探讨。

Abstract: β-cyclodextrin/hydroxyapatite was prepared by using calcium chloride (CaCl₂) and phosphate (H₃PO₄) as the resource of calcium and phosphorus, respectively. During the synthesis, NaOH was used as pH adjusting agent to control the pH of the solution. Fourier transform infrared spectros-cope (FT-IR), thermogravimetric analysis (TG) and scanning electron microscopy (SEM) were used to characterize the product. The effects of the concentration of β-cyclodextrin on the size, compo-sition and morphology of the product were investigated. The results showed that β-cyclodextrin could significantly influence the composition and morphology of the product. With the increasing of β-cyclodextrin concentration, the structure of the product grew from the initial random aggregation to needle-like and rodlike structures. The reaction mechanism between β-CD and HAP was discussed on the basis of the special molecular structure of β-CD and its self-assemble property.

1. 引言

羟基磷灰石(简称HAP)是人体和动物骨骼中的主要无机成分，是一种微溶于水的磷酸钙盐，化学式为Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，有良好的生物相容性和生物活性，能与骨形成很强的化学结合 [1] [2] ，是一种重要的生物医用材料 [3] [4] 。

制备HAP的方法有很多种，比如共沉淀 [5] 、溶胶凝胶 [6] 、水热法 [7] 等。随着科技的发展，人们发现较小尺寸的材料具有非常独特的物理和化学性质，所以如何制备分散均匀、颗粒尺寸较小的HAP成为了人们的研究方向。从20世纪30年代对β-环糊精(β-CD)的研究至今，发现β-CD由于具有特殊的筒结构能形成包埋复合物，β-CD能和许多无机、有机分子结合成主客体包合物，并能改变被包合物的化学和物理性质。有文献 [8] [9] 报道在羟基磷灰石的形成过程中，加入β-CD，利用大分子特殊的空间立体结构，诱导HAP的生长，使其具有特定的形貌，如棒状、球状，并且还能改善HAP的团聚现象。本文在制备HAP的过程中加入β-CD，分析讨论了两相间的作用机理，探究讨论了β-CD浓度对产物的组成、形貌和热稳定性的影响。

2. 实验部分

2.1. 实验药品

药品：β-环糊精(β-CD，分析纯)、CaCl₂ (分析纯)、H₃PO₄ (分析纯)、NaOH (分析纯)、无水乙醇(分析纯)。

2.2. 产物制备

按照Ca/P = 1.67的比例配制CaCl₂和H₃PO₄水溶液；用质量分数5%的NaOH溶液调节H₃PO₄水溶液的pH为13；将不同质量的β-CD (质量分数分别为0%，0.5%，1%，2%，5%)加入到上述H₃PO₄溶液中，搅拌溶解；将β-CD/H₃PO₄混合液转移至三口烧瓶中，放于恒温磁力搅拌器中，90℃条件下剧烈搅拌，用分液漏斗将CaCl₂溶液逐滴加入到上述混合液中，搅拌反应5 h。反应结束后抽滤，水洗，醇洗，在90℃下烘干24 h，研磨。

2.3. 产物表征

采用KBr压片法使用NLXUS-670型傅里叶变换红外光谱仪对不同条件下制备的产物进行红外测试，分辨率4 cm⁻¹，扫描次数32，波长范围4000 cm⁻¹~400 cm⁻¹；采用TG209 T1热重分析仪(德国NETZSCH公司)对产物进行TG测试，升温速率20℃/min，室温−900℃，氮气氛围，参比物为Al₂O₃；采用TM-1000型扫描电子显微镜观察产物的表面形貌。

3. 实验结果与分析

3.1. β-CD浓度对β-CD/HAP复合物组成的影响

由图1可以看出，所有谱图在563 cm⁻¹、604 cm⁻¹、960 cm⁻¹、1035 cm⁻¹、1090 cm⁻¹附近出现了的振动吸收峰 [10] [11] 。曲线a在3442.29 cm⁻¹存在-OH伸缩振动吸收峰，加入β-CD后，样品的特征峰位置虽未发生明显变化，但会随着β-CD浓度的增加而变宽变弱(曲线b、c) [9] 。曲线b和c在2922 cm⁻¹、1384 cm⁻¹、692 cm⁻¹出现了-CH₂-的振动峰；在871 cm⁻¹和816 cm⁻¹附近出现C-H键的面外弯曲振动峰；同时在2360 cm⁻¹左右出现新峰，这是β-CD分子C₆位上的-OH和Ca²⁺作用，C₆位上C-H键伸缩振动引起的 [10] ；β-CD中的-C-O-的伸缩振动峰由于反应连接了Ca²⁺而发生位移，由1230 cm⁻¹移动到1195 cm⁻¹处 [12] ；曲线a中630 cm⁻¹处出现的-OH的变形振动峰在曲线b和c中消失，这是加入β-CD后，β-CD的-OH和Ca²⁺发生反应形成HAP的成核位点，形成的狭小空间使得-OH振动受到空间阻碍的结果。曲线a、b、c在1399~1461 cm⁻¹出现较弱的特征谱带，是进入磷灰石结构的重要标志，说明合成的HAP部分被少量的取代，这是由于在HAP的形成过程中空气中的二氧化碳进入HAP的晶格中引起的 [11] ，制备的产物可能存在碳酸盐的副产物。从红外谱图中分析可以看出，当β-CD处于较高碱性条件下，C₆位置上去质子化的-OH更易与Ca²⁺结合，成为HAP的成核中心 [13] - [15] ，形成β-CD和HAP的复合物。

3.2. β-CD浓度对β-CD/HAP复合物热稳定性的影响

由图2可知，不加β-CD的产物(曲线a)在室温−100℃、100℃~300℃和700℃~800℃有三次明显失重，100℃以下是产物吸附水蒸发引起的，100℃~300℃是产物失去结晶水的失重，700℃~800℃的失重是HAP发生脱羟基作用失去晶格水分解成氧磷灰石所导致的 [16] 。图2中最终平衡时的产物(曲线b和c)的失重率比未加β-CD的产物(曲线a)分别高0.6%和1%，所以可以看出产物b和c中含有部分β-CD。由图3可以看出随着β-CD浓度的增大，产物(曲线b和c)在700℃~800℃由于HAP失去晶格水引起的失重率越来越小，当加入的β-CD增大到5%时，样品在700℃~800℃由于HAP晶格分解导致的失重率为0，说明β-CD的加入可以提高羟基磷灰石的热稳定性。

3.3. β-CD浓度对β-CD/HAP复合物表面形貌的影响

由图4可以看出，不加入β-CD时产物为无规团聚(a)，随着β-CD浓度的增加变成针状(b)，经历较团聚的短棒状(c，d)，再变成相对均一的棒状结构(e)。在不加入β-CD时，直接为沉淀法生成HAP，得到的产物是无规团聚的；0.5%的β-CD影响下形成的为针状结构，β-CD浓度为1%时针状和棒状结构同时存在；当增加到2%时，针状全部转为较不均匀的棒状结构；当增加到5%时，产物生长成均匀的棒状结构。这是由于碱性环境中β-CD分子上的C₆位置上的-OH首先结合Ca²⁺ [13] - [15] ，由于电荷的相互作用力，周围聚集大量的和OH⁻离子，使得β-CD分子的外壁的Ca²⁺、和OH⁻浓度达到局部饱和状态，HAP成核并且生长。当β-CD浓度增大时，β-CD分子在水溶液中可以通过分子之间的相互作用力在纵向上自组装成长链，然后HAP沿着β-CD分子长链纵向生长 [17] ，有利于针状形成，得到针状结构的产物；当β-CD浓度继续增加时，高浓度下的β-CD大分子通过C₆位置上螯合的Ca²⁺在横向上也发生组装行为，Ca²⁺和相邻两条平行的β-CD大分子链上的-OH结合形成HAP的成核位点，最终得到有规则棒状结构的β-CD/HAP复合物。

Figure 1. FT-IR spectra of the products with the existence of β-CD at different concentrations (From top to bottom: a: 0%, b: 1%, c: 5%)

图1. 不同β-CD浓度条件下制得产物的FT-IR谱图(从上到下依次为a: 0%，b: 1%，c: 5%)

Figure 2. TG image of the products with the existence of β-CD at different concentrations (a: 0%, b: 1%, c: 5%)

图2. 不同β-CD浓度条件下制得产物的TG图(a: 0%, b: 1%, c: 5%)

Figure 3. DTG image of the products with the existence of β-CD at different concentrations (a: 0%, b: 1%, c: 5%)

图3. 不同β-CD浓度条件下制得产物的DTG图(a: 0%, b: 1%, c: 5%)

(a) (b) (c) (d)(e)

Figure 4. SEM image of the products with the existence of β-CD at different concentrations (a: 0, b: 0.5%, c: 1%, d: 2%, e: 5%)

图4. 不同β-CD浓度条件下制得产物的SEM图(a: 0, b: 0.5%, c: 1%, d: 2%, e: 5%)

4. 结论

有机基质可以对HAP的形成有一定的控制作用，通过加入β-CD可以控制HAP晶体的生长过程，得到不同形貌的产物。通过红外测试、扫描电镜等测试结果可以说明β-CD在碱性条件下C₆位置上的-OH首先结合Ca²⁺，形成HAP的成核位点，然后HAP沿着β-CD自组装的分子长链继续生长，随着β-CD浓度的增大，制备的产物逐渐由无规团聚变成针状、棒状结构，所以β-CD分子的特殊结构和浓度对HAP的形成有一定的诱导作用。当加入5%的β-CD后，制得产物的热稳定性得到了一定的提高。