合成锌掺杂纳米羟基磷灰石的精细结构

发布时间：2019-08-26 14:59

【摘要】：作为哺乳动物体内骨和牙釉质等矿化组织的主要无机成分，羟基磷灰石和掺杂了氟，镁，锌等其他元素的类磷灰石材料近年来被广泛研究。合成的羟基磷灰石被用作骨缺损的填充材料和金属骨的表面涂层材料已经在临床上得到实际应用。为了更进一步提高羟基磷灰石在骨修复过程中的适应性，通过离子掺杂的方法改善羟基磷灰石的物化性质和生物相容性已经成为生物材料研究中的重要领域。体内体外实验证明锌掺杂磷灰石（ZnHAp）具有促进骨矿化和抑制骨吸收的能力，在植入物中掺杂锌会提高植入部位周围的骨形成能力。本文从材料合成出发，运用多种仪器和方法对合成的锌掺杂磷灰石进行了表征和分析，对包括锌在内的几种二价阳离子（Mg~(2+)，Sr~(2+)，Zn~(2+)，Cd~(2+)）取代羟基磷灰石引起系统总能量和晶体结构畸变的趋势进行密度泛函理论计算。结合实验和理论计算的结果分析在低浓度（0.1mol.%）的锌掺杂时，ZnHAp中的锌的掺入过程和机理，以及存在于ZnHAp晶体中的锌的近邻原子分布情况。主要包括以下内容：在掺入低浓度梯度锌的情况下，用连续滴加法成功制备了一系列具有确定锌取代结构的ZnHAp，用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（Inductively CoupledPlasma Atomic Emission Spectrometer，，ICP-AES）确定了产物中锌的总含量是加入量的74～81%，用透射电镜（Transmission Electron Microscope，TEM）检测到合成产物是短棒状的长度约为100nm，宽度约为30nm的纳米颗粒，Zn的掺杂使羟基磷灰石多晶团聚性增强。X射线衍射谱（X-ray diffraction，XRD）检测到产物的主相与PDF标准卡片（PDF09-0432）吻合，XRD衍射数据计算结果表明晶胞体积随着锌含量的升高有减小的趋势：Zn~(2+)的浓度从0.1mol%～1mol%，单胞体积减小了0.38%。用基于密度泛函理论赝势平面波方法（PSeudopotentials Plane-Wave，PSPW）的NWChem软件包计算了一系列二价阳离子（Mg~(2+)、Sr~(2+)、Zn~(2+)、Cd~(2+)）取代羟基磷灰石中钙的位置的体系总能量和形成能，以及阳离子取代引起的晶格弛豫。锌掺杂羟基磷灰石的X射线吸收近边结构谱（X-ray Absorption Near EdgeStructure，XANES）和扩展边精细结构谱（Extended X-ray Absorption Fine Structure，EXAFS）结果表明对于本实验中的较高浓度（0.5mol.%～1mol.%）的样品，锌在产物样品中只有一种占优势地位的配位环境，而对于锌浓度较低的0.1mol.%的样品，锌以两种配位环境存在。结合PSPW计算结果表明Zn取代CaII位的形成能小于CaI位，并且与邻近三个磷酸的氧和一个羟基的氧形成锌氧四面体（Zn-O_4）的配位结构。用Artemis软件拟合EXAFS的结果表明锌在产物样品中的配位数约等于4。通过对样品EXAFS信号的傅里叶变换分析，表明在低浓度（0.1mol.%）的ZnHAp中，锌的存在除了锌氧四面体结构，同时还存在着锌插入两个羟基氧中间形成O-Zn-O结构的“搭桥式”配位结构。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R318.08

【参考文献】