不同结构羟基磷灰石微球的制备及相关机理分析

李海波等：Co0.8Zn0.2Fe2O4/SiO2纳米复合材料的结构和磁性· 897 ·第39卷第6期不同结构羟基磷灰石微球的制备及相关机理分析王爱娟1，吕宇鹏2，李均明1，蒋百灵1(1. 西安理工大学材料科学与工程学院，西安 710048；2. 山东大学材料科学与工程学院，济南 250061)摘要：利用喷雾干燥法成功制备具有实心、多孔和空心结构的羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)微球，简要分析不同结构HA微球的形成机理。

用扫描电镜观察产物的微观结构和表面形貌发现：将HA料浆直接喷雾干燥可以获得形状规则的实心微球；向料浆中加入明胶溶液后再喷雾干燥，随后经高温煅烧可以获得孔隙率较高的多孔微球；向料浆中加入碳酸氢铵后喷雾干燥可以获得空心微球。

此外还指出不同制备工艺存在的不足，为以后利用喷雾干燥法制备不同结构的HA微球型材料提供理论依据。

关键词：羟基磷灰石；喷雾干燥；实心微球；多孔微球；空心微球中图分类号：TB321 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2011)06–0897–06Fabrication of Hydroxyapatite Microspheres with Different Structure and RelatedMechanism AnalysisWANG Aijuan1，LÜ Yupeng2，LI Junming1，JIANG Bailing1(1. School of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048; 2. School of MaterialsScience and Engineering, Shandong University, Ji’nan 250061, China)Abstract: Several hydroxyapatite (HA) microspheres with different structures, including solid, porous and hollow, were fabricated by the spray drying method, and the microsphere formation mechanism was introduced simply. The scanning electron microscopy was used to observe microstructure and surface morphology of the microspheres. Results show that solid HA microspheres are obtained by spraying the as-received HA slurry instantly; porous microspheres are prepared by adding a glutin solution into the slurry, and hollow microspheres are fabricated by adding ammonium acid carbonate solution before spraying. In addition, limits of these methods are pointed out, and thus further research should be carried out in order to overcome the difficulties that are identified in the spray drying method.Key words: hydroxyapatite; spray drying; solid microsphere; porous microsphere; hollow microsphere作为最有代表性的生物活性陶瓷材料，羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2，hydroxyapatite，HA]在近代生物医学领域一直受到人们的密切关注。

最初使用的颗粒状HA材料大多是将块状HA破碎后筛分获得的，具有不规则的外形，易引起组织感染，使新骨生长缓慢等问题[1–2]。

与具有不规则形貌的颗粒相比，微球型HA因具有较好的流变性能、较高的力学性能和较大的比表面积而成为近几年来研究热点[3]，目前已广泛应用于生物学、化学以及医学等众多领域。

Paul等[4]用化学合成及后处理工艺制备球状多孔HA颗粒，以白蛋白为模型药物探讨聚乳酸包覆多孔HA颗粒作为药物缓释载体材料的可行性，结果发现：经聚乳酸处理的HA具有良好的缓释特性且未观察到明显的突释现象。

Barroug等[5]用HA微球作为色谱填料从蛋清中提取溶解的酵素蛋白，并用磷酸盐缓冲溶液洗脱，结果发现：缓冲溶液的浓度和pH值影响目标蛋白与HA的结合，利用此性质可以控制目标蛋白的吸附与洗脱。

显然，不同的应用领域对HA微球的结构和性能的要求各不相同，有的需要微球具有较好的力学性能(色谱填料)，收稿日期：2010–10–03。

修改稿收到日期：2010–11–08。

第一作者：王爱娟(1981—)，女，博士，讲师。

通信作者：吕宇鹏(1970—)，男，博士，教授。

Received date:2010–10–03. Approved date: 2010–11–08. First author: WANG Aijuan (1981–), female, Doctor, lecture.E-mail: ajwmxl@Correspondent author: LÜ Yupeng (1970–), male, Doctor, professor. E-mail: biosdu@第39卷第6期2011年6月硅酸盐学报JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYVol. 39，No. 6J u n e，2011硅酸盐学报· 898 ·2011年有的则需要其具有较高的降解速率(药物载体材料)，这些性能均与HA微球的制备工艺密切相关。

常用制备微球的方法主要有喷雾干燥法、微乳液合成法及高温熔融法等，其中喷雾干燥法具有设备简单、过程易于控制及适合于工业化生产等诸多优点而被用来制备HA微球[6]。

在喷雾干燥过程中，HA液态料浆经雾化装置雾化后进入温度较高的干燥介质中，在高温介质作用下，液态料浆转变成HA 微球。

采用该法制备微球型结构材料时发现：用不同参数的制备工艺(仪器参数和料浆性能)获得产物的形貌和结构也各不相同，原始料浆性能(浓度、黏度和原始颗粒大小等)和喷雾干燥机的仪器参数(入口温度、排风速度和喷嘴直径等)对产物形貌、尺寸和结构等都有很大影响。

目前，已有研究[6]发现：利用喷雾干燥法制备HA微球的过程中，产物除了微球型材料外还出现了少量的不规则颗粒。

研究[7–10]表明：利用该法制备微球型材料时，产物中除了形貌规则的球形颗粒之外，还经常出现团状、环形及破碎的片状等形貌不规则的颗粒。

文献[11]中详细介绍了HA料浆性能和仪器参数等因素对HA微球性能的影响规律。

由此可见，控制制备工艺参数有可能获得多种形态的HA微球。

基于上述研究成果，为进一步拓宽HA微球的应用领域，利用喷雾干燥法，通过调节HA料浆性能来制备实心、多孔及空心结构的HA微球，并通过扫描电镜(scanning electron microscopy，SEM)和X-ray射线衍射(X-ray diffraction，XRD)仪观察产物的微观结构、形貌及相组成。

1 实验以Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)2HPO4为原料，利用液相沉淀法合成HA料浆，调节料浆的浓度，采用微型喷雾干燥机对所制备HA料浆分别按如下3种方案(见图1)进行喷雾干燥，以制备具有不同结构的HA微球：1) 将调节浓度后的HA料浆在磁力搅拌作用下直接进行喷雾干燥，即获得实心HA微球；2) 配置一定浓度的明胶水溶液，然后按一定体积比例加入稀释后的HA料浆内，混合搅拌均匀后进行喷雾干燥，获得HA与明胶的复合微球，然后高温煅烧除去明胶，即获得多孔HA微球；3) 向稀释后HA料浆中加入一定量的碳酸氢铵(NH4HCO3)，混合搅拌均匀后进行喷雾干燥，并借助碳酸氢铵分解产生的气体填充在HA微球内部，即获得空心HA微球。

2 结果与分析2.1 实心HA微球图2为将HA料浆直接喷雾干燥获得的HA微球的SEM照片，可以看出：大部分HA微球具有接近理想的球型结构。

提高放大倍数观察(见图2b)微球表面形貌可以看出微球表面比较光滑，球形结构明显好于Kweh等[12]和Patel等[13]制备的HA微球的，分析认为，可能是由于入口温度较低(170℃)，HA溶质均匀析出，因此可以形成较理想球形结构。

研究[11–14]表明：入口温度直接影响制备颗粒的形貌。

一般来说，入口温度过高，液滴表面溶剂迅速图1 不同结构HA微球的制备工艺流程Fig.1 The fabricating process flow of hydroxyapatite(HA) microspheres with different structures王爱娟等：不同结构羟基磷灰石微球的制备及相关机理分析· 899 ·第39卷第6期图2 实心HA微球的SEM照片Fig.2 Scanning electronic microscopy (SEM) photographs of HA microspheres with a solid structure蒸发，液滴内部溶液还来不及扩散，溶质在表层析出并固化成壳，可以形成空心球形颗粒，甚至颗粒破碎成碎片的趋势增加，颗粒平均密度下降；入口温度低，液滴周围空气的蒸气饱和度下降，通过气体流动过程中带走的水蒸气减少，液滴干燥慢，液滴内部有较长的扩散时间，液滴慢慢收缩最后形成实心球形颗粒；入口温度太低，液滴干燥不彻底，会发生粘壁现象[11,14]：可见入口温度对HA微球的形貌有很大关系，在170℃干燥、制备的HA微球基本具有较为理想的实心球形结构。

有关HA料浆性能和仪器参数对实心HA微球性能的影响规律在参考文献[11]中有详细介绍。

2.2 多孔HA微球图3为向HA料浆加入一定量明胶溶液后进行喷雾干燥所得的HA颗粒及其在1000℃煅烧后所得的HA微球的SEM照片，可以看出：煅烧前，与未加入明胶溶液的HA微球相比，产物的球形度降低，其表面出现局部突起现象(见图3a)，很可能是由于干燥过程中，明胶黏度较大且从溶液中析出的速率较快，导致产生这种不规则的形貌结构。