基于正交设计的化学共沉淀法制备β-磷酸三钙

摘　要　采用正交设计，获得了化学共沉淀法制备β-磷酸三钙的最佳工艺条件。将产物分子中钙磷原子的摩尔比，即n(Ca)/n(P)作为控制指标，对影响该指标的四个要素（反应物钙磷源配比、pH值、反应温度、反应时间）在四个水平上进行考察，并对实验结果进行了直观分析。结果表明，化学共沉淀法制备β-磷酸三钙的最佳工艺条件为：反应物钙磷源配比为1.50、pH值为11、反应温度为25℃、反应时间为3h。其中反应物钙磷源配比、pH值是影响产物n(Ca)/n(P)的显著因子。在最佳工艺条件下制得了高纯度的β-磷酸三钙，并经化学分析及XRD测定进行了确证。

关键词　β-磷酸三钙，共沉淀法，正交设计，化学分析

1引言

磷酸三钙基生物陶瓷，因其在生理环境中可被逐步降解和吸收，并为新生组织所替代，在当今生物组织工程支架材料领域一直倍受关注。这类生物陶瓷包括磷酸三钙(α-TCP及β-TCP)、羟基磷灰石(HA)、磷酸四钙(C4P)及它们的混合物[1～2]。其中生物降解性能显著的是β-TCP。β-TCP（β-tricalcium phosphate）分子式为β-Ca3(PO4)2，组成与生物骨中的无机成分相似，不仅具有良好的生物相容性、生物活性、骨传导甚至骨诱导作用，而且植入机体后对人体无毒、无局部刺激性、不致溶血或凝血，也不致突变或癌变，因此β-TCP生物陶瓷在骨组织工程领域日益受到重视[3～4]。

1970年以来，对β-TCP生物降解陶瓷研究的热点主要集中在其制备过程中材料纯度、粒度和结晶的控制等，目的是使其降解速度与骨的再生速度相匹配[5]。β-TCP生物陶瓷的制备包括微粉合成、成形和烧结，其中高纯度β-TCP的合成是保证生物陶瓷质量的关键。目前，β-TCP的合成方法主要有湿法、干法、水热法以及醇化合物法[6]。其中湿法是通过溶液反应合成，制得细小晶粒或无定形微粉， 是合成β-TCP较为理想的工艺。化学共沉淀法[7]是湿法的一种，具有如下优点：装置简单、操作简便、原料易得、产物质量易于控制等。利用该法合成β-TCP虽已有报道，但缺乏基于正交设计对合成条件的系统优化研究。本研究通过正交设计寻求化学共沉淀法制备β-TCP的最佳工艺条件，评价反应物钙磷源配比、pH值、反应温度、反应时间等因素对产物n(Ca)/n(P)的影响。

2实验部分

2.1主要试剂

制备原料：Ca(NO3)2・4H2O、(NH4)2HPO4以及辅助试剂EDTA、氨水、喹啉和钼酸等，均为分析纯市售产品，使用前未作进一步纯化。

2.2 分析检测

（1） 元素分析：产物中钙元素含量用改进的EDTA容量法[8～9]测定, 磷元素含量测定采用磷钼酸喹啉重量法[10]。

（2） 物相分析：X-射线粉末衍射（XRD）分析测定。

2.3 正交实验设计

初步实验证实，采用化学共沉淀法合成β-TCP时，反应物配比、溶液pH值等因素能够显著影响产物的化学组成和物相。因此通过对比分析各种合成影响要素，将产物钙磷元素物质的量比，即n(Ca)/n(P)作为控制指标，采用正交设计原理，对反应物配比、pH值、反应温度、反应时间等因素在四个水平上进行考察，选择四因素四水平 （L16（45））正交表安排实验，并对实验结果进行直观分析。

2.4 β-TCP的合成

配制一定浓度的Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4水溶液，用恒温水浴控制反应体系的温度，磁力匀速搅拌。按照一定摩尔比的Ca(NO3)2・4H2O与(NH4)2HPO4，将(NH4)2HPO4溶液缓慢逐滴滴加到Ca(NO3)2溶液中，反应过程中用氨水调节溶液pH值为9～12。在一定温度下反应一段时间后，陈化、抽滤洗涤至中性，于90℃烘干24h，然后在900℃下焙烧2h，所得样品置于干燥器中备用。

3结果与讨论

3.1 化学分析法测产物钙、磷元素含量

3.1.1 改进的EDTA容量法测钙

由于溶液中含有大量的PO43-，使常规的EDTA法滴定Ca2+离子受到严重干扰。我们对此做了详细的前期研究[11]，通过加入复合钙指示剂等手段，成功消除了PO43-的影响，确保了分析结果的准确性。

称取上述合成的各组样品0.2g，精确至0.0002g，用1:1的盐酸溶解后定容于100mL容量瓶中。移取10.00mL溶液，置于250mL锥形瓶中，加水稀释至50mL，加3.6 mol・L-1的KOH溶液5mL，使溶液的pH值大于12，再加15mg复合钙指示剂，用EDTA标准溶液滴定，溶液由酒红色突变为纯蓝色，即为终点。为提高显色灵敏度，加入少量0.5%MgSO4溶液辅助显色。

3.1.2磷钼酸喹啉容量法测磷

将各组样品用1:1的盐酸、浓硝酸混合液加热溶解，加入适量柠檬酸－钼酸钠溶液，加热至沸腾，然后边搅拌边趁热滴加5%的喹啉溶液，继续加热至沸腾。沉淀后经冷却、过滤，以冷去离子水洗涤至无酸性，置于烧杯中，加入NaOH标准溶液至沉淀溶解，再加入适量混合指示剂，用HCl标准溶液滴定至蓝色褪去，并过量少许，再用NaOH标准溶液回滴至黄色变为蓝紫色，即为终点。

3.1.3计算产物n(Ca)/n(P)

根据上述化学法测定结果，计算出各组产物的n(Ca)/n(P)，结果如下表所示。

3.2 实验结果的直观分析

采用直观分析即极差分析法对实验结果进行分析[12]，表中K表示各因素下产物n(Ca)/n(P)对水平数的均值，R表示极差即各因素均值的最大值与最小值之差。

3.2.1因素的主次关系

极差R越大，则该因素对控制指标的影响越显著。由下表可知，第2列的极差为0.49，是所有极差中最大的一个，表明pH值为影响实验结果的主要因素；同理，反应物钙磷源配比为次主要因素，反应温度和反应时间为次要因素。因此，因素的主次关系，即它们的影响能力顺序为：pH值＞反应物钙磷源配比＞反应温度＞反应时间。

3.2.2最佳方案组合

根据K值的大小来确定各因素的最佳水平，确定的原则要根据对指标值的要求而定。本实验的控制指标为产物n(Ca)/n(P)，要求其与纯β-TCP的理论值（n(Ca)/ n(P)=1.50）越接近越好。因此最佳工艺条件为反应物钙磷源配比为1.50，pH值为11，反应温度为25℃，反应时间为3h。在此最佳工艺条件下本研究做了进一步的验证实验，经并行三次实验所得产物的化学分析得知，该条件下产物的n(Ca)/n(P)与纯β-TCP的比值极为接近。

3.2.3讨 论

分析发现：（1）随着溶液pH值增高, 产物的n(Ca)/ n(P)值增大，且影响非常显著。有研究表明[13]，酸性条件下，产物是以钙磷摩尔比相对较低的CaHPO4为主的化合物存在；在碱性条件下，产物则以钙磷摩尔比较高的 Ca3(PO4)2、Ca10(PO4)6(OH)2等物质为主。因此本实验中pH值控制在11为宜；（2）反应物钙磷源配比也是一个显著影响因子，Ca(NO3)2・4H2O和(NH4)2HPO4的摩尔比过高会生成羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2等杂相。二者的物质的量比保持在1.50时，结果比较理想；（3）反应时间与反应温度均不是显著影响因子，对产物影响不大。综合考虑，以反应温度为25℃，反应时间3h为宜。

3.3 X-射线衍射（XRD）分析

为了进一步验证最佳合成工艺条件下制得的样品的物相和组成，对该组产品进行了X-射线衍射(XRD)分析。将所得图谱与标准图谱对照，发现二者非常吻合，且图谱中基本无杂相峰存在，衍射峰强而尖锐，表明反应在该条件下进行得比较彻底，产物为纯度较高、晶态较好的β-TCP，如下图所示。

4结 论

本文以价廉易得的Ca(NO3)2•4H2O和(NH4)2HPO4为原料，利用湿法工艺制得了组成和晶相皆优的高纯β-TCP。同时，基于正交设计法对影响产物品质的各种因素进行对比分析，得出如下结论：控制反应物钙磷源配比为1.50、pH值为11、反应温度为25℃、反应时间为3h时，利用化学共沉淀法可制备出纯度较高、晶态较好的β-TCP，并经化学分析及XRD测定得到了确证。

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