磁性羟基磷灰石晶须的制备及其在磁场下的磁响应行为研究.pdf
《磁性羟基磷灰石晶须的制备及其在磁场下的磁响应行为研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《磁性羟基磷灰石晶须的制备及其在磁场下的磁响应行为研究.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 52 卷 第 8 期2023 年 8 月人工晶体学报JOURNALOFSYNTHETICCRYSTALSVol.52 No.8August,2023磁性羟基磷灰石晶须的制备及其在磁场下的磁响应行为研究钏定泽1,颜廷亭2,刘继涛1(1.云南白药集团健康产品有限公司,昆明 650217;2.昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明 650093)摘要:羟基磷灰石晶须(HAw)的定向是设计和开发生物陶瓷的关键之一。本研究采用水热法将磁性纳米粒子四氧化三铁(Fe3O4)负载到 HAw 表面,成功制备出具有优良磁响应特性的磁性 HAw 复合材料,系统研究了磁化 HAw 的理化性能、生物学性能并探究了其在
2、弱磁场中的取向行为。结果表明四氧化三铁(Fe3O4)纳米粒子被成功负载到 HAw 表面,所制备的磁化 HAw 在室温下具备超顺磁性,且具有良好的磁响应特性,仅通过常规的永磁体就可以实现操控。结合磁场诱导注浆成型技术,由外部磁场施加的对准方向被有效固定。CCK-8 实验结果表明磁化 HAw 不具有细胞毒性。关键词:羟基磷灰石;晶须;四氧化三铁;超顺磁性;定向;细胞毒性中图分类号:TQ174文献标志码:A文章编号:1000-985X(2023)08-1532-08Synthesis of Magnetized Hydroxyapatite Whisker and Its MagneticRespo
3、nse Behavior Under Magnetic FieldCHUAN Dingze1,YAN Tingting2,LIU Jitao1(1.Yunnan Baiyao Group Health Products Co.,Ltd.,Kunming 650217,China;2.Faculty of Materials Science and Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China)Abstract:The orientation of hydroxyapatite whis
4、kers(HAw)is one of key to design and develop bioactive ceramics for boneregeneraction.Guided behavior based on the construction of magnetic anisotropy.In this study,magnetic nanoparticles Fe3O4were loaded onto the surface of HAw by hydrothermal method,and magnetic HAw composites with excellent magne
5、tic responsecharacteristics were successfully prepared.The physicochemical properties and biological properties of magnetized HAw weresystematically studied,and its orientation behavior in weak magnetic field was explored.The results show that ferric oxide(Fe3O4)nanoparticles are successfully loaded
6、 onto the surface of HAw,and the magnetized HAw has superparamagnetism andgood magnetic response at room temperature,which can be manupulated by conventional permanent magnets.The alignmentdirection applied by the external magnetic field is effectively fixed by combining the magnetic field-induced g
7、routing moldingtechnology.The results of CCK-8 experiment show that magnetized HAw has no cytotoxicity.Key words:hydroxyapatite;whisker;ferroferric oxide;superparamagnetism;orientate;cytotoxicity 收稿日期:2023-02-03 基金项目:云南省杨雷院士专家工作站(202205AF15025)作者简介:钏定泽(1995),男,云南省人,助理工程师。E-mail:1647031301 通信作者:刘继涛,博
8、士,高级工程师。E-mail:0 引 言磁性羟基磷灰石(hydroxyapatite,HAp)由于其优异的生物学性能和磁性能而被广泛研究1。HAp 晶体的定向是设计和开发生物陶瓷的关键之一。制备具有晶体定向排列的羟基磷灰石陶瓷,有助于了解人体中骨骼和牙釉质的多尺度高度有序结构,开发高性能的骨和牙釉质修复材料。通过在 HAp 晶格中掺杂磁性离子(如 Fe2+/Fe3+、Mn2+、Gd3+等)获得超顺磁性类似物相,是制备磁性 HAp 最重要的途径之一2-9。制备磁 第 8 期钏定泽等:磁性羟基磷灰石晶须的制备及其在磁场下的磁响应行为研究1533性 HAp 的另一种途径是将四氧化三铁(Fe3O4)纳
9、米颗粒分散到具有不同形态的 HAp 表面形成 HAp/Fe3O4复合材料10-11。目前对磁性 HAp 的研究主要集中于材料的磁热性及肿瘤热疗的效果,关于磁性 HAp 纳米晶在磁场中的定向效果的探究还较少1。HAp 作为一种非磁性材料,需要极高的磁场才能定向(10 T)12。Akiyama 等12借助超导磁体技术对滑移铸造对象(HAp 晶体)施加10 T 静磁场,辅以模具旋转得到了具有 c 轴取向的大块样品。基于同样的方法,Iwai 等13探究了 HAp 晶体在磁场和模具旋转条件下的准直原理,结果表明在磁化率为 c a,b 的六边形晶体中,c 轴方向的排列无法用静态磁场来控制,因为 c 轴可以
10、在垂直于磁场方向的平面内旋转。需将高磁场和机械旋转同时施加在样品上,以使 HAp 晶体沿 c 轴排列。为了能进一步减小 HAp 晶体对准所需的磁场,王小龙等14通过共沉淀-水热法合成了 Fe 掺杂的磁性纳米晶,并研究其在单一方向外强磁场中的定向效果,结果表明在 5 T 的静磁场作用下 Fe 掺杂的磁性纳米晶具有一定的定向效果。从上述的研究结果可以了解到,对于磁性各向异性较小的晶体,很难采用这种方法对准,因为永磁体产生的磁场的最大量值在 1 T左右15。强磁场的构建依赖于超导磁技术,这限制了其大规模应用,因此需探究更合适的方法,以期能有效降低粒子对齐所需的外磁场。鉴于此,Erb 等16提出了一种
11、行之有效的方案,用超顺磁性纳米粒子包裹非磁性粒子,使它们对磁场更敏感,该方法可将对齐所需的磁场减小到 0.8 mT,显著降低了粒子对齐所需的磁场。通过在非磁性材料表面上负载超顺磁性 Fe3O4纳米颗粒,使其对外磁场更敏感,被认为是一种能有效增强非磁性材料磁响应的方法16-18。本研究通过在羟基磷灰石晶须(hydroxyapatite whiskers,HAw)表面涂敷超顺磁性 Fe3O4纳米颗粒,使其具有磁响应性。得益于其磁性响应特性,磁性 HAw 可以由常规的永磁铁操纵,利用外加磁场和场梯度控制材料的方向和分布,可实现磁性 HAw 的对准和定位。本文结合磁场诱导注浆成型技术实现了羟基磷灰石晶
12、须在大尺寸块体材料中的定向排列,该方法在硬组织缺损修复等生物医学领域具有广阔的应用前景。1 实 验1.1 实验原料和制备方法四水合硝酸钙(Ca(NO3)24H2O)、浓硝酸(HNO3)、尿素(H2NCONH2)、山梨醇(C6H14O6)、磷酸氢二铵(NH4)2HPO4)、油酸钠(C17H33CO2Na)、正己烷(C6H14)、六水三氯化铁(FeCl36H2O)、油酸(C18H34O2)、1-十八烯(C18H36)、无水乙醇均购置于国药集团化学试剂有限公司,分析纯。羟基磷灰石籽晶为实验室自制。1.1.1 均相沉淀法合成 HAw称量原料 Ca(NO3)24H2O、(NH4)2HPO4、沉淀剂 H2
13、NCONH2,以及模板剂 C6H14O6,依次加入持续搅拌的 400 mL 去离子水中,确保 Ca 源浓度为 0.15 mol/L,Ca/P 原子比为 1.67,H2NCONH2添加量为 24 g,C6H14O6为 Ca(NO3)24H2O 添加量的 1%。反应溶液搅拌 10 min 后,滴加浓 HNO3至 pH 降为 2.5(宏观上溶液澄清),随后将溶液转移至细口密封瓶中,并置于 95 恒温箱中保温 24 h,待反应结束后,反复清洗至溶液呈中性后抽滤,滤饼经冷冻干燥后得到终产物19。1.1.2 油酸铁的合成根据 Jongnam 等20报道的方法合成油酸铁,过程如下:将 2.6 g 六水三氯化
14、铁溶解于 4 mL 超纯水中,7.3 g油酸钠溶解于 12 mL 超纯水和 16 mL 无水乙醇的混合液中,将上述两种溶液同时转移到 100 mL 的三口烧瓶中,同时加入 32 mL 正己烷,磁力搅拌混合均匀后通入氮气,除氧。在氮气保护的条件下将上述悬浊液加热到70 保温4 h。静置,待溶液冷却至室温分层后,用分液漏斗将漂浮的油酸铁和溶剂分离。用超纯水多次冲洗油酸铁去除剩余的无机离子,真空干燥,得到呈棕褐色、蜡状固体的油酸铁样品。以备后续使用。1.1.3 磁性 HAw 的合成取1.1.2 小节中制备的油酸铁5.385 g,称量油酸2.6 mL 溶解于90 mL 1-十八烯中,超声分散30 mi
15、n 混合均匀后,称取适量 1.1.1 小节中制备的 HAw 分散于上述溶液中。分散完成后将溶液转移至 150 mL 聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热反应釜中,密封,220 保温 12 h。待产物自然冷却至室温,将产物离心清洗,重复三遍。最后将产物在 60 真空干燥20。1534研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷1.1.4 磁性 HAw 在磁场中的注浆成型取 1.5 g 1.1.3 小节中制备的磁性 HAw 加入到3 g 含有0.05 g 乙二胺四乙酸二钠和0.15 g 乙烯基吡咯烷酮(PVP)的超纯水中配置成浆料,在永磁铁形成的磁场中注浆成型16。1.2 性能测试与表征借助粉末 X 射线衍
16、射仪(XRD),测试了样品的晶体结构,仪器型号为 D/max-220 型 X 射线粉末衍射仪,靶材为 Cu 靶,光源 Cu K(=0.154 178 nm),管压电流 36 kV/20 mA,石墨滤波片,扫描速度4()/min,范围为 10 80;采用扫描电子显微镜(SEM)观察样品形貌,仪器型号为 Quanta200(philips,Holland);采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)观察样品的红外图谱,仪器型号为德国 EQUINOX55,采用 KBr 晶体压片法;采用热重分析仪(TG)对样品进行热重/差热(TG/DSC)分析,仪器型号为 STA 409/PC,氩气保护,升温速率为10
17、min-1,温度的测量范围为30 900;采用 Quantum Design 公司生产的物理性质测量系统检测样品的磁学性能,测量时首先将样品由室温冷至5 K,在50 Oe 外场下将样品升温到室温,记录该过程样品磁化强度的变化。该过程采用的最大磁场强度为 5 T。1.3 体外细胞毒性实验本细胞实验采用的细胞模型为猴骨髓间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs),用于评价磁性羟基磷灰石晶须的体外细胞毒性7。用培养基培养分离自猴骨髓的 MSCs。培养条件为:置于 37、5%CO2饱和湿度的恒温培养箱。两天传一次代,取第 4 代的 MSCs 用于细胞毒性实验。分别称取 0.
18、75、1.50、2.25、3.00 mg 的磁性 HAw 置于离心管中,紫外辐射灭菌,每管加入培养基 5 mL,配制浸提液。采用 CCK-8 检测MSCs 的细胞毒性。用酶标仪检测材料在 450 nm 处的吸光度(optical density,OD)。相对细胞活性(relativecell viability,RCV)按公式(1)计算7RCV=(ODTEST-ODB)(ODC-ODB)100%(1)式中:ODTEST为实验孔吸光度(含细胞、浸提液、CCK-8),ODC为对照孔吸光度(含细胞、培养基、CCK-8),ODB为空白孔吸光度(含培养基、CCK-8)。2 结果与讨论2.1 磁性 HAw
19、 的物相及 FT-IR 分析采用 XRD 对磁性 HAw 的物相进行分析,结果如图1 所示。从图中可以看出,磁性HAw 的XRD 图谱共显示8 个特征峰,2 为26、32、34、46、54处的峰对应于 HAw 的特征峰,与 HAp 的标准卡片一致(JCPDS#09-0432),但衍射峰的面积明显减小,这可能是由于 HAw 的表面被 Fe3O4纳米粒子覆盖,HAp 晶体的衍射减弱10。2 为30.1、35.4和 57.0分别对应于 Fe3O4的(220)、(311)和(511)晶面(JCPDS#19-0629)10。结果表明,反应对 HAw 的晶体结构无较大影响。没有发现其他杂质相的衍射峰,表明
20、反应得到的是由 HAw 和 Fe3O4组成的复合物。图 1 磁性 HAw 的 XRD 图谱Fig.1 XRD patterns of magnetized HAw图 2 HAw 与磁性 HAw 的 FT-IR 谱Fig.2 FT-IR spectra of HAw and magnetized HAw 第 8 期钏定泽等:磁性羟基磷灰石晶须的制备及其在磁场下的磁响应行为研究1535 图 2 为 HAw 与磁性 HAw 的 FT-IR 图谱。其中 473、563、603、962、1 031 和 1 095 cm-1处的吸收峰为PO3-4的特征波段20;在 3 442 和 1 637 cm-1处的
21、峰值为吸收水的弯曲模式20;在 3 570 和 633 cm-1处的峰是 HAp 的特征 OH-带;磁性 HAw 的光谱出现了几个新的谱带,分别属于纯油酸的特征吸附峰,2 930 cm-1波段是由于存在 CH,1 560 cm-1波段是由于在油酸钠中存在COO-。而 Fe3O4的 FeO 带在575 cm-1处的特征峰与 PO3-4基团的吸收峰重叠,很难与 HAw 的 FTIR 光谱区分10。图 3 磁性 HAw 的 TGA/DSC 曲线Fig.3 TG/DSC curves of magnetized HAw2.2 磁性 HAw 的热重-差热分析对磁性 HAw 样品进行了热重/差热(TG/D
22、SC)分析,结果如图 3 所示。由图可知,样品 TG 曲线在升温范围内主要有两个明显的失重台阶。35 716 重量的损失可归因于样品中包含的吸附水、自由水、乙醇等小分子和油酸、1-十八烯等大分子有机物的挥发与碳化,该温度范围内样品的总失重约为 19.42%21。该失重结果表明磁性HAw 样品中包含大量的有机物,这些有机物的存在可能会引起产物的聚集,导致产物分散性变差,这也进一步印证了 FT-IR 的结果,表明油酸等有机物被引入21。结合DSC 曲线分析可知,DSC 曲线在 720 处有一尖锐的放热峰,该峰对应于 Fe3O4在该体系内转变为-Fe2O3的相变温度,印证了样品的成分包含 Fe3O4
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 磁性 羟基 磷灰石 制备 及其 磁场 响应 行为 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。