聚丙烯酸對(duì)Eu3+摻雜納米羥基磷灰石的表面改性研究

廖麗璇，張小君，韓穎超

(1.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

0 引 言

羥基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2,HAP)是人體骨骼和牙齒的主要無(wú)機(jī)成分，具有良好的生物相容性和生物活性，已經(jīng)以陶瓷體、涂層、顆粒、復(fù)合材料等形式用于骨修復(fù)[1-4]。而且，納米羥基磷灰石(nHAP)對(duì)藥物、基因和蛋白質(zhì)具有高親和力[5]，晶體結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)光離子具有良好的適用性[6]，因此可以應(yīng)用于藥物裝載和生物成像。但是，粒子的尺寸、分散性、表面化學(xué)性能等非常重要，會(huì)對(duì)其生物學(xué)應(yīng)用產(chǎn)生顯著影響，而nHAP在水溶液中極易聚集沉淀[7]，因此對(duì)nHAP進(jìn)行表面改性處理，獲得穩(wěn)定分散懸浮體系是其生物學(xué)應(yīng)用的必要前提。

聚丙烯酸(PAA)是一種水溶性聚合物，可以通過(guò)官能團(tuán)與顆粒表面的靜電相互作用調(diào)節(jié)顆粒形貌[8-9]。而且，PAA的大量羧基官能團(tuán)可以提供親水表面，從而得到具有優(yōu)異水溶性和生物活性的納米顆粒[10-11]。此外，PAA長(zhǎng)分子鏈中的大量羧基可以更有效地保護(hù)晶體的發(fā)光核心不受水的輻射松弛[12]。目前，已經(jīng)有一些研究小組通過(guò)PAA進(jìn)行表面處理并且得到了具有生物應(yīng)用的良好的水溶性的納米顆粒。例如，Wang等[13]使用PAA作為表面活性劑，通過(guò)水熱法合成了平均直徑為50 nm的YF3:Yb3+/Er3+熒光納米顆粒；Shao等[10]通過(guò)PAA輔助水熱法，制備出平均直徑為70 nm的球狀α-NaYF4:Yb3+,Er3+顆粒。

本文為了促進(jìn)Eu3+摻雜納米羥基磷灰石(Eu-nHAP)在生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用，以PAA為分散劑，結(jié)合超聲技術(shù)，改善其在水相體系中的分散懸浮性能，獲得了一種分散性、穩(wěn)定性良好的Eu-nHAP懸浮液。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要試劑

四水硝酸鈣(Ca(NO3)2·4H2O)、磷酸氫二銨((NH4)2HPO4)、氨水，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；聚丙烯酸(PAA)、六水硝酸銪(Eu(NO3)3·6H2O)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。所用試劑均為分析純。

1.2 PAA對(duì)Eu-nHAP的表面改性方法

首先采用共沉淀法合成Eu-nHAP。稱取一定量的Ca(NO3)2·4H2O和Eu(NO3)3·6H2O配制成40 mL的0.033 4 mol/L的(Ca2++Eu3+)混合水溶液，其中Eu3+/(Ca2++Eu3+)=0.02。然后，在80 ℃磁力攪拌條件下，將40 mL的0.02 mol/L的(NH4)2HPO4溶液迅速倒入(Ca2++Eu3+)混合溶液中，并用氨水調(diào)節(jié)pH值至10。80 ℃保溫1 h后，通過(guò)離心分離沉淀、用蒸餾水洗滌3次后得到沉淀物。最后將沉淀物重新加入到80 mL的PAA水溶液中用高能超聲探頭(XO-900D，南京先歐儀器制造有限公司)超聲處理4 min，得到分散的Eu-nHAP懸浮液。

1.3 表征分析

用激光粒度分析儀(Mastersizer2000型，英國(guó)馬爾文儀器有限公司)對(duì)樣品粒徑分布進(jìn)行檢測(cè)；用透射電子顯微鏡(HRTEM，JEM-2100F STEM/EDS，日本電子株式會(huì)社)和掃描電子顯微鏡(SEM,JSM-5610LV，日本電子株式會(huì)社)觀測(cè)樣品的形貌；用傅立葉變換紅外光譜儀(Nexus，美國(guó)熱電尼高力公司)檢測(cè)樣品組分；用X射線衍射儀(D8 Advance，德國(guó)Bruker公司)檢測(cè)樣品晶相組成；用熒光分光光度計(jì)(970CRT，上海三科儀器有限公司)分析樣品熒光性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 粒徑分析

圖1為經(jīng)不同濃度PAA進(jìn)行表面改性的Eu-nHAP懸浮液的動(dòng)態(tài)光散射(Dynamic Light Scattering，DLS)粒徑分布圖。結(jié)果表明，未經(jīng)PAA表面改性的Eu-nHAP會(huì)在溶液中聚集，產(chǎn)生沉淀，團(tuán)聚體的尺寸為1 028.9 nm。而當(dāng)用PAA對(duì)Eu-nHAP表面改性后，避免了團(tuán)聚沉淀現(xiàn)象，顆粒尺寸明顯變小。當(dāng)PAA的濃度為0.3～0.7 mg/mL時(shí)，Eu-nHAP懸浮液的平均粒徑(ZAve)均在150 nm以下，多分散指數(shù)(Polydispersity Index,PDI) 均在0.079～0.130之間，這表明Eu-nHAP可經(jīng)PAA表面改性、獲得分散性良好的水相懸浮液。對(duì)比5組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PAA濃度在0.3～0.7 mg/mL時(shí)，PAA濃度對(duì)Eu-nHAP的粒徑分布沒(méi)有顯著影響。

對(duì)經(jīng)不同濃度PAA改性的Eu-nHAP懸浮液進(jìn)行7 d的粒徑分析，結(jié)果如圖2所示。當(dāng)PAA濃度在0.3～0.7 mg/mL之間時(shí)，3 d內(nèi)Eu-nHAP懸浮液的平均粒徑和PDI值無(wú)明顯變化，穩(wěn)定性良好。但是，到第7 d時(shí)，Eu-nHAP懸浮液的平均粒徑和PDI值顯著增大，說(shuō)明Eu-nHAP懸浮液變得不穩(wěn)定，顆粒出現(xiàn)了團(tuán)聚。

2.2 形貌分析

圖3為沒(méi)有經(jīng)PAA表性改性的Eu-nHAP的SEM照片，結(jié)果顯示，未經(jīng)PAA表面改性的Eu-nHAP呈短棒狀聚集在一起。圖4為不同PAA濃度改性Eu-nHAP的SEM照片。結(jié)果顯示，不同PAA濃度改性的Eu-nHAP均呈現(xiàn)短棒狀。進(jìn)一步對(duì)0.3 mg/mL的PAA表面改性的Eu-nHAP進(jìn)行TEM檢測(cè)，結(jié)果如圖5。從圖中也可以看出，PAA的表面改性使得原本長(zhǎng)80～120 nm、寬8～10 nm的短棒狀Eu-nHAP納米顆粒聚集成了長(zhǎng)380～460 nm、寬120～180 nm的短棒狀團(tuán)聚體。

圖1 0～0.7 mg/mL的PAA改性Eu-nHAP懸浮液的粒徑分布圖
Fig.1 Particle size distribution of Eu-nHAP suspension modified by PAA with concentration of 0-0.7 mg/mL

圖2 0.3～0.7 mg/mL的PAA改性Eu-nHAP懸浮液7 d內(nèi)的DLS結(jié)果
Fig.2 DLS results within 7 d of Eu-nHAP suspension modified by PAA with concentration of 0.3-0.7 mg/mL

圖3 未經(jīng)PAA表面改性的Eu-nHAP SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM image of Eu-nHAP without PAA surface modification

2.3 FTIR分析

圖4 不同濃度PAA表面改性的Eu-nHAP SEM照片
Fig.4 SEM images of Eu-nHAP surface modified by PAA with different concentrations

圖5 0.3 mg/mL的PAA表面改性的Eu-nHAP TEM照片
Fig.5 TEM images of Eu-nHAP surface modified by 0.3 mg/mL PAA

圖6 PAA和不同濃度PAA表面改性Eu-nHAP樣品的紅外光譜
Fig.6 Infrared absorption spectra of PAA and Eu-nHAP samples surface modified by PAA with different concentrations

2.4 XRD分析

圖7 不同濃度PAA表面改性Eu-nHAP的XRD譜Fig.7 XRD patterns of Eu-nHAP surface modified by PAA with different concentrations

圖7為不同濃度PAA表面改性Eu-nHAP樣品的XRD譜。對(duì)比HAP標(biāo)準(zhǔn)卡片(PDF 74-0566)可知，衍射峰均屬于HAP；樣品衍射峰寬化，用Scherrer公式計(jì)算晶粒的(002)和(300)晶面尺寸D，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，(002)和(300)晶面分別代表HAP長(zhǎng)軸方向和橫截面方向，D(002)在22.7～29.2 nm之間，D(300)在8.3～11.8 nm之間，表明樣品為短棒狀納米晶體。結(jié)果說(shuō)明，不同濃度PAA表面改性沒(méi)有對(duì)樣品的晶相組成和晶粒尺寸產(chǎn)生明顯影響。

2.5 熒光性能分析

由于未經(jīng)PAA表面改性的Eu-nHAP顆粒在水中易團(tuán)聚沉淀，加之表面吸附水會(huì)造成熒光淬滅，因此對(duì)于其在水中的分散樣品未測(cè)出熒光信號(hào)，此處所展示的熒光光譜為其粉末狀樣品測(cè)得。對(duì)于PAA表面改性Eu-nHAP顆粒的穩(wěn)定懸浮液，在水相中檢測(cè)到了熒光信號(hào)。粉末狀Eu-nHAP樣品和PAA最高、最低濃度改性Eu-nHAP懸浮液樣品的熒光光譜如圖8所示。在394 nm波長(zhǎng)激發(fā)下，PAA表面改性樣品在618 nm和700 nm處檢測(cè)到發(fā)射光譜，分別對(duì)應(yīng)于Eu3+的5D0能級(jí)分別到7F2和7F4的電子轉(zhuǎn)移[16]，這與粉末狀Eu-nHAP樣品的熒光光譜一致，說(shuō)明PAA表面改性沒(méi)有影響Eu-nHAP內(nèi)在的熒光特征。但是，粉末狀Eu-nHAP樣品的熒光強(qiáng)度顯著強(qiáng)于水相懸浮液樣品，這是因?yàn)榉勰顦悠凡淮嬖谒銣缧?yīng)。未經(jīng)PAA表面改性的Eu-nHAP顆粒在水中的分散樣品由于團(tuán)聚沉淀以及水淬滅效應(yīng)，未檢測(cè)到熒光信號(hào)，但是經(jīng)PAA表面改性的水相懸浮液樣品，測(cè)得了熒光信號(hào)，這可以歸因于PAA對(duì)Eu-nHAP顆粒的穩(wěn)定分散作用以及對(duì)水淬滅效應(yīng)的抑制。

表1 不同濃度PAA改性Eu-nHAP的晶粒尺寸Table 1 Grain size of different concentrations of PAA modified Eu-nHAP /nm

圖8 不同濃度PAA表面改性的熒光激發(fā)光譜Fig.8 Fluorescence excitation spectra of PAA surface modification with different concentrations

2.6 PAA表面改性Eu-nHAP機(jī)制分析

圖9為PAA表面改性Eu-nHAP的機(jī)制圖。在Eu-nHAP溶液中施加超聲場(chǎng)時(shí)，溶液中的微小氣泡會(huì)發(fā)生振蕩、擴(kuò)大、收縮、崩潰等一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程，即空化效應(yīng)，當(dāng)瞬態(tài)空化氣泡崩毀時(shí)，形成具有2 000 ℃以上的高溫和幾十萬(wàn)千帕高壓的局部熱點(diǎn)，并伴生強(qiáng)烈的沖擊波和高速微射流[17-18]。這種巨大沖擊波和微射流使得溶液中的Eu-nHAP團(tuán)聚顆粒逐漸打開(kāi)，表面的Ca2+暴露出來(lái)；同時(shí)，PAA大多數(shù)的-COOH官能團(tuán)被電離，形成-COO基團(tuán)。當(dāng)PAA的-COO基團(tuán)與Eu-nHAP表面的Ca2+接觸時(shí)，兩者發(fā)生靜電相互作用，使得PAA分子結(jié)合到Eu-nHAP顆粒表面。當(dāng)越來(lái)越多的PAA分子通過(guò)靜電相互作用結(jié)合到Eu-nHAP表面時(shí)，合成的Eu-nHAP顆粒被PAA所覆蓋，PAA分子間產(chǎn)生交聯(lián)，在Eu-nHAP周圍形成PAA基質(zhì)，從而將Eu-nHAP組裝成一個(gè)個(gè)分散性良好的短棒狀聚集體。PAA的空間位阻效應(yīng)和羧基的親水性使Eu-nHAP良好地分散懸浮在水相中，從而形成穩(wěn)定的Eu-nHAP懸浮液。

圖9 PAA表面改性Eu-nHAP機(jī)制圖
Fig.9 Mechanism diagram of Eu-nHAP surface modified by PAA

3 結(jié) 論

(1)PAA可以通過(guò)羧基官能團(tuán)與Eu-nHAP表面的Ca2+發(fā)生靜電相互作用從而吸附在Eu-nHAP表面，PAA的交聯(lián)作用將Eu-nHAP組裝成長(zhǎng)380～460 nm、寬120～180 nm的短棒狀聚集體。

(2)使用PAA對(duì)Eu-nHAP進(jìn)行表面改性時(shí)，PAA上的羧基可以提供親水基團(tuán)，從而使得Eu-nHAP穩(wěn)定的分散在水相體系中。

(3)經(jīng)PAA改性處理后的Eu-nHAP的熒光性能不受影響。