锶掺杂羟基磷灰石-石墨烯复合材料制备与表征

袁秋华，陈泽汇，万 磊，石 鑫，林松鑫，张自强，徐安平，邓立波，倪 卓

深圳大学化学与环境工程学院，广东深圳518060

由于生物材料特别是骨材料与人类健康有着紧密的联系，近年来一直是人们关注的热点.聚合物、陶瓷和金属合金3类材料通常被认为是基础骨科生物材料[1].其中，生物陶瓷材料羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA)在人骨材料中发挥着不可替代的作用．由于骨材料和HA具有相似的化学组成成分和结构，羟基磷灰石在骨材料方面得以广泛运用[2]．不同于其他生物材料，羟基磷灰石不仅具有良好的生物活性，而且有高生物相容性，是骨修复材料领域公认有实用价值的有效材料.然而，HA的性能不够完善，如机械性能较差、生物相容性不足和弯曲强度低等，因此不能够单独在临床中使用.要解决HA的这些问题，需要对HA材料进行改造，使其既满足生物活性要求，同时满足力学性能要求.例如，可使用诸如聚乳酸、石墨烯、氧化铝、壳聚糖和碳纳米材料等[3]作为第二相材料来增强HA力学性能，或者掺杂人体必需的微量元素如钠、 镁、 锰、 锶、 硅和铈等对HA的性能进行改造.

在碳纳米材料中，石墨烯(graphene, GP)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成，呈六角晶格型. 石墨烯纳米片由多层石墨烯组成，厚约100 nm，具有优异的电学、热学和力学特性，在材料学、能源特别是骨科生物材料方面具有重大应用前景[4].将GP与HA复合材料结合，发挥GP力学特性的优势，可提高HA复合材料的整体性能，具有广泛的应用前景.事实上，HA晶粒对石墨烯纳米片的包覆作用可以整体提高HA复合材料的力学性能，增强HA复合材料阻碍裂纹扩展的能力，使HA复合材料在生物医用材料方面具有广泛的应用前景[5].FAN等[6]在石墨烯纳米管外层表面通过原位生长法堆积羟基磷灰石，制备了HA质量分数为60%的石墨烯复合材料，该材料具有极强的力学性能，尤其在抗压力方面有着卓越的性能.文献[7]研究表明，将增韧相GP与基体HA结合的方法有很多，通常使用的有化学气相沉积法、静电纺丝法和原位合成法等.

锶(Sr)元素是一种微量元素，与镁、锰、硅和铈一样，在人体中发挥着重要作用，而且在矿泉水中广泛存在.人体中的无机成分包含各种微量元素，通过掺杂微量元素，可以使无机材料在人体中具有更高的生物相容性，所以对HA进行金属离子掺杂是对其改性的重要手段之一.YANG等[8]利用等离子喷涂法合成了Sr2+掺杂HA，并比较了成骨细胞在Sr2+掺杂HA和纯HA表面的生长情况．实验结果表明，Sr2+进入羟基磷灰石晶格后不会影响粉体的形貌，还可以显著提高成骨细胞在羟基磷灰石表面的生长及分化，并且在微量锶掺杂的情况下，具有较小的毒副作用.但是由于金属离子半径各不相同，在金属离子掺杂入HA晶格的过程中，会使HA晶格变形，影响结晶度，对HA复合材料其它方面可能会产生影响，目前对金属离子掺杂HA复合材料并与GP结合的报道还较少，需要进一步研究.JANKOVI等[9]通过电泳沉积法制备Ag掺杂HA-GP复合材料，研究发现，石墨烯能提高HA复合材料的整体力学性能，含Ag2+掺杂的石墨烯复合材料具有较好的生物相容性和抗菌性，是一种非常有潜力的生物医用材料，具有广泛的应用前景.BARADARAN等[10]通过原位合成法制备Ni掺杂HA-GP复合材料，对其力学性能和生物学性质进行了研究，发现复合材料中GP纳米片质量分数为1.5%时，成骨细胞生长和增殖存在最佳值.而针对Sr2+掺入HA-GP复合材料的相关研究截至目前尚未见报道.

本实验采用水热法制备Sr2+掺杂羟基磷灰石-石墨烯复合材料(Sr-HA-GP), 结合傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)、X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)仪、场发射扫描电子显微镜(field emissionscanning electron microscopy, FESEM)、透射电镜(transmission electron microscopy, TEM)、X射线能量色散仪(energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDX)和拉曼光谱仪(Raman spectroscopy, Raman)等仪器检测对复合材料进行表征分析，即通过对Sr-HA-GP复合材料物相组成、化学基团和表面形貌等进行分析表征，探讨Sr2+掺杂对复合材料组成、形貌及结构的影响.

1 实 验

1.1 试 剂

四水硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O)、磷酸氢二钠(Na2HPO4)、硝酸锶(Sr(NO3)2)购自上海阿拉丁试剂有限公司,均为分析纯； GP纳米片购自湖南丰化材料发展有限公司,规格在10～15层；NaOH购自天津百世化工有限公司；无水乙醇购自广州市东红化工厂；实验配置溶液所需溶剂使用去离子水.

图1 实验反应流程图Fig.1 The flow chart of the experiment

1.2 Sr2+掺杂HA-GP复合材料的制备

使用水热法合成Sr2+掺杂HA-GP复合材料．反应流程图如图1．具体步骤为：① 称取GP纳米片(由约30～50层GP单层重叠)50 mg，加入 60 mL去离子水，进行超声分散；② 向体系中加入相应的Ca(NO3)2·4H2O和Sr(NO3)2，使Sr2+的摩尔分数x(Sr)=n(Sr)/[n(Sr)+n(Ca)]分别为0(即纯HA)、1%、2%、5%和10%，放入超声波清洗机中超声分散10 min，将超声好的混合溶液倒入250 mL的三颈烧瓶中；③ 将三颈烧瓶放入集热式恒温加热磁力搅拌器中，转速200 r/min，在45 ℃下，通过电脑恒流泵，以2.5 mL/min的流速加入配置好的Na2HPO4溶液到三颈烧瓶中，同时滴入2 mol/L NaOH溶液，控制三颈烧瓶中溶液的pH值为10左右，持续搅拌；④ 待到反应结束后，将产物倒入反应釜中，在180 ℃条件下放置12 h；⑤ 水热反应结束后，移出反应釜，冷却，对样品抽滤洗涤，用去离子水和无水乙醇依次洗涤；⑥ 洗涤后刮下样品，放入烧杯中，套上保鲜膜，放入60 ℃的烘箱中烘干24 h；⑦ 再次取出样品加入研钵中研磨直至无固体小颗粒，装入样品袋中待检．

1.3测试和表征

采用德国Bruker公司生产的AXS-D-8 Advance型XRD对样品进行物相鉴定和结构分析，光栅狭缝为1 mm，衍射角2θ为10°～60°，管电流为40 mA，管电压为40 kV，扫描速度为4(°)/min；采用日本岛津IRAffinity-1型FTIR对样品进行检测，用KBr作背景样， 测试范围为400～4 000 cm-1； 采用日本日立公司生产的FJSM-7800型FESEM观察复合材料表面形貌，结合EDX对Sr2+掺杂HA-GP 复合材料进行元素分析；使用JEM-2100型TEM进一步观察样品表面形貌，在透射电子显微镜使用前，需要把样品分散在乙醇中，通过超声波进行超声分散，用吸管吸取超声处理后的悬浮液，加入到准备好的铜网支撑的碳膜里测试；使用InVia Reflex型激光显微共聚焦拉曼光谱仪(英国雷尼绍公共有限公司)进行拉曼分析，激发波长约为514.5 nm.

2 结果与讨论

2.1 样品XRD分析

采用XRD表征所制备样品(Sr-HA-GP复合材料)中的各相组成.图2是通过水热反应后得到的不同Sr2+掺杂比例样品的衍射图谱．其中，将x(Sr)为0、1%、2%、5%和10%的复合材料分别记作纯HA、1%Sr-HA-GP、2%Sr-HA-GP、5%Sr-HA-GP和10% Sr-HA-GP．由图2可见，样品的系列衍射峰与HA的JCPDS标准衍射峰(标准卡片PDF#09-0432-HA)大体一致，说明在水热过程中该复合材料里形成了HA[11]．经过Sr2+掺杂之后除HA系列衍射峰外并没有出现其他含Sr化合物的杂质峰，从侧面表明Sr2+可能取代部分Ca2+进入HA晶体中.同时，随着x(Sr)的增加，样品的主要衍射峰强度(如(300)峰)呈现逐渐减弱趋势，且峰形也逐渐宽化，这可能是由于Sr2+掺杂引起HA晶格扭曲，从而结晶度不断降低所致.此外，图2中没有显示明显的GP峰，是由于HA强峰的存在及GP相对含量较低.

图2 不同x(Sr)掺杂HA-GP复合材料的XRD图 Fig.2 XRD patterns of HA-GP composites doped with different molar fractions of Sr

2.2 样品的FTIR分析

图3为HA-GP复合材料的FTIR图谱.从图3纯HA的红外图谱中可以看到，963、 1 045和 1 093 cm-1处的吸收峰是P—O的伸缩振动峰，而在472、563和605 cm-1应是O—P—O的弯曲振动峰. 1 400～1 500 cm-1范围的吸收峰则是CO32-的峰，出现这些峰的原因可能是实验环境未控制好，比如样品吸收了空气里的CO2，使少量磷酸盐被碳酸盐替换，使样品出现CO32-的峰[12].图3中在3 000～3 500 cm-1和1 600～1 750 cm-1范围内吸收峰呈现偏移现象，这可能是由于复合材料中加入的石墨烯与羟基磷灰石间的相互作用所导致[13].

图3 HA-GP复合材料的FTIR图谱Fig.3 FTIR spectra of HA-GP

图4 不同x(Sr)的Sr-HA-GP复合材料FTIR图谱Fig.4 FTIR spectra of Sr-HA-GP composites with different molar fractions of doping Sr

2.3 样品的FESEM-EDX分析

图5是纯HA、5%Sr-HA-GP和10%Sr-HA-GP的FESEM图像. 图5(a)是通过水热法制备的纯HA，其晶粒呈棒状.从图5(b)可以清晰地看到，长约100 nm、直径约20 nm的棒状Sr掺入HA颗粒(Sr-HA)，且大多尺寸均匀，大量嵌入在石墨烯片层表面，将石墨烯很好包覆，进一步说明了Sr紧贴在石墨烯表面生长.图5(c)中，在10%Sr-HA-GP复合材料表面，其Sr-HA晶粒近似于球形，粒径约在20～80 nm，粒径尺寸分布不均匀[16]. LIU等[17]研究证明，GP表面和HA的(300)面之间存在较强且连续的界面键合作用，然而随着x(Sr)增大，Sr-HA-GP复合材料的FESEM图像有改变的倾向，附着在GP表面上的HA晶粒逐渐减少，这是由于生成更多的无定形相，其未发育完整的结构可能削弱Sr-HA和GP之间的界面相互作用. 出现无定形相的原因是因为Sr2+的半径与Ca2+的不同，高x(Sr)会引起HA晶格发生畸变，从而影响HA结晶度及其形貌, YUAN等[18]证明了Zn2+的掺杂也存在相同现象．

图5 不同x(Sr)复合材料Sr-HA-GP的FESEM图Fig.5 FESEM of Sr-HA-GP with different molar ratios of doping Sr

图6 EDX能谱图Fig.6 EDX spectra

通过FESEM搭载的EDX仪器，对5% Sr-HA-GP和10% Sr-HA-GP进行测试，结果如图6.从图6可见，该复合材料中存在C、Ca、O、P和Sr，符合实验预设，但在XRD表征中却不存在Sr及其化合物的衍射峰，没有形成其他杂质相，进一步证明了本次实验里Sr2+成功取代了部分Ca2+，进入到HA晶格内部.通过计算可得，复合材料中x(Sr)为5%和10%时， [n(Ca)+n(Sr)]/n(P)分别为1.62和1.66，与HA晶体中的钙磷理论比值(约为1.67)相近，符合实验设计的化学计量比要求，见图6.

2.4 样品的TEM表征分析

图7是不同x(Sr)掺杂HA-GP复合材料的TEM图像．由图7可见，长约100 nm的HA晶体沿着片层石墨烯进行展开和分散，呈短棒状[19].从透射电镜图中可以看到，GP片层呈薄纱状，且表面光滑均匀.在x(Sr)较低时(图7(a))，HA-GP晶体中Sr均匀分散在GP表面，晶体形貌明确，呈明显棒状结构.当x(Sr)增加时(图7(b))，Sr-HA晶粒的边缘逐渐模糊，晶体形貌出现不稳定现象.随着x(Sr)逐渐增加，当达到10%Sr-HA-GP时(图7(c))，GP表面的Sr-HA颗粒出现团聚现象，分布均匀度下降，且出现无定型相的晶粒，在图中表现为晶粒边缘消失，晶体结构模糊.由此可见，随着复合材料中x(Sr)的增加，Sr-HA粉体的结晶度降低，导致复合材料中出现团聚现象，分散效果变差,这是因为Sr的半径大于Ca的半径，进入HA晶格会引起晶格参数发生变化,同时YUAN等[20]也证明了Ag2+的掺入亦会引起羟基磷灰石发生相似团聚现象.这一结果与前述XRD及FESEM分析结果一致.

2.5 样品的Raman表征分析

图8是GP、HA-GP和10%Sr-HA-GP的拉曼光谱，由图8(a)可见，石墨烯有1 348 cm-1和1 581 cm-1两种振动峰，分别属于D振动峰和G振动峰，其中，D峰的出现是因为石墨烯有缺陷或其边缘部分较多.由于使用的石墨烯层数在20～30层，所以在2 700 cm-1附近没有尖锐的振动峰，这与文献

图7 Sr-HA-GP复合材料透射电镜图Fig.7 TEM micrographs of Sr-HA-GP

图8 GP、HA-GP和10%Sr-HA-GP拉曼光谱Fig.8 The Raman spectra of GP, HA-GP and 10%Sr-HA-GP

[21]的研究结果一致.通过(ID/IG)×100%计算D振动峰和G振动峰比值(其中，ID和IG分别为D和G振动峰的峰强度)，依据其振动比正比于缺陷密度程度，可以定性判断石墨烯的缺陷密度.图8中GP、HA-GP和10%Sr-HA-GP的ID/IG分别为85.26%、85.62%和83.42%，说明开始加入GP时，材料结构混乱度增加，加入10%的Sr能够降低石墨烯的缺陷密度，因此Sr2+进入HA晶体当中，可以改善石墨烯材料的缺陷[22]，在2 615 cm-1处出现振动吸收峰，与石墨烯的2D峰较接近. 2D峰又称作G峰，它与石墨烯的层数相关，振动峰在2 700 cm-1附近.这进一步证明在水热过程中Sr-HA与GP片层结构发生相互作用，Sr2+的掺杂能降低GP在HA复合材料中的缺陷，所以Sr-HA晶体并不是与GP纳米片物理性的结合在一起，而是彼此间的界面形成了某种键合作用，这种作用尚需进一步研究.

结 语

采用水热法成功制备Sr2+掺杂HA-GP复合材料，通过XRD、FTIR、TEM、Raman以及FESEM-EDX联用对样品进行表征，发现纳米HA为短棒状颗粒，Sr2+掺杂对HA晶体结构有影响.无掺杂的HA-GP复合材料中HA晶粒均匀分散在GP的褶皱片层结构上，将石墨烯很好地包覆.当掺杂的Sr2+摩尔分数较低时，复合材料整体形貌较好，Sr-HA颗粒沉积在石墨烯纳米片层上，随着Sr2+摩尔分数增加，GP表面的Sr-HA颗粒出现团聚现象，且出现无定型相的晶粒.Sr2+掺杂能降低GP在复合材料中的结构缺陷，说明Sr-HA与GP复合并非单纯的物理混合，而是发生了某种键合作用.