钙磷类生物陶瓷与人体骨组织无机成分具有相似的组成和结构以及良好的生物相容性, 被广泛用于骨组织修复领域, 如羟基磷灰石(HA)、三磷酸钙(TCP)、两相磷酸钙[ 1]、生物活性玻璃(BG)等. 但是, HA在体内几乎不降解; TCP、BG降解过快、无法调控降解速率, 且力学强度低, 一般作为增强相与可降解高分子复合[ 2, 3, 4].

聚磷酸钙(CPP)是一种特殊的钙磷类生物陶瓷, 其结构随 n(Ca)/ n(P)的降低, 可形成三维笼状结构(超磷酸盐)、环状结构[ 5](偏磷酸盐)和直链结构[ 6, 7, 8] (聚磷酸盐). 通常情况下, 只有链状结构被称为聚磷酸钙, 常被称为无机聚合物, 其 n(Ca)/ n(P)=0.5, 分子式为[Ca(PO3)2] n, 其主链是通过四面体结构的[PO4]-共用一个氧原子形成的螺旋结构. 聚磷酸钙陶瓷的性能, 如力学强度和降解速率均受聚合度的影响, 因此通过调整聚合度[ 7, 8]并优化其它影响因素(如晶型[ 9, 10]、粒度、孔隙率等), 聚磷酸钙陶瓷可以满足不同的临床需求.

聚磷酸钙一般由磷酸二氢钙通过分子间缩聚生成, 制备聚磷酸钙多数采用两步法[ 6, 7, 8, 9, 10], 即首先将磷酸二氢钙在500℃下缩聚5~10 h, 然后在1100~1200℃下将产物熔融后淬火, 得到无定形聚磷酸钙. Qiu等[ 7]研究了500℃下聚合时间对聚合度的影响, 结果表明延长聚合时间有利于聚合度的提高, 压缩强度随聚合度的提高而增大, 而体外降解速率则反之. Ding等[ 8]讨论了聚合度对聚磷酸钙陶瓷微观结构的影响, 对聚磷酸钙体外降解速率随聚合度提高而减小做出了合理的解释. 但是聚合温度对聚合度的影响未见文献报道, 磷酸二氢钙的缩聚反应为平衡缩聚, 适当提高聚合温度应该有利于聚合度的提高. 因为随着聚合温度的升高, 反应体系的粘度降低, 有利于反应生成的水挥发, 进而促进缩聚反应的进行.

本工作以磷酸二氢钙作为原料, 通过熔融缩聚制备聚磷酸钙, 考察不同聚合温度对聚合度及结构的影响. 采用31P核磁共振波谱(31P-NMR)测定聚磷酸钙的聚合度, 评价聚合温度对聚合度及结构的影响, 结合磷酸二氢钙差示扫描量热-热失重分析(DSC-TGA)的结果, 提出磷酸二氢钙高温下缩聚反应的机理.

磷酸二氢钙(MCP), A.R., 天津市光复精细化工研究所生产; 刚玉坩埚(Al2O3≥99%), 北京皮尔美特科技有限公司制造.

取适量磷酸二氢钙放入刚玉坩埚(300 mL)中, 放入马弗炉中500℃下煅烧5 h. 煅烧产物分别在500℃、800℃、1000℃和1200℃下保温一定时间, 然后升温至1200℃并保温1 h, 此时将熔融产物倒入去离子水中淬火, 再用无水乙醇洗涤3次, 90℃下烘干10 h以上, 得到无色玻璃状产物, 上述过程中发生如下(图1)反应得到CPP, 记为CPP T-h(其中, T为反应温度, h为反应时间, 如CPP800-20).

将CPP在陶瓷研钵中研磨, 过筛(~178 μm), 然后转移至玛瑙球磨罐中, 以 V/ m=1.5加入无水乙醇, 以320 r/min球磨10 h, 用G3砂芯漏斗抽滤后在 90℃下烘干5 h, φ96 μm筛子分级后得到CPP粉末.

首先配制0.25 mol/L的Na2-EDTA重水溶液, 用氢氧化钠调节溶液pH=9~10, 准确称量0.0113 g CPP粉末溶于上述溶液, 使EDTA/Ca2+=2.2, 45 min后取大约0.2 mL上层清液放入核磁测试管中, 在Bruker AV300核磁共振仪上进行31P-NMR分析.

准确称量7.321 mg磷酸二氢钙, 在NETZSCH STA449C上进行DSC-TGA分析, 以氮气作为保护气体, 升温速率为10 ℃/min, 温度范围为30~1500℃.

图2是聚磷酸钙的31P-NMR图谱. 图2中仅列出部分图谱, 并在图中注明了化学位移的归属. 如图1所示, Q0为正磷酸中磷原子的化学位移, 0代表此时没有共用氧原子, 以此类推Q1为链端磷原子的化学位移, Q2为直链结构中磷原子的化学位 移[ 8, 11, 12, 13, 14], 图2中Q2*为环状结构(偏磷酸钙)中磷原子的化学位移[ 12, 15]. 如图2所示, 多数图谱都没有Q0的化学位移, 表明磷酸二氢钙完全反应, 这体现了其逐步聚合的特点. 通过这些化学位移的峰面积可以计算聚磷酸钙的聚合度(公式(1))[ 8]和偏磷酸钙的含量(公式(2)):

采用公式(1)计算可以得出聚合度, 并对聚合时间及聚合温度作图, 结果如图3所示. 由图3可以看出, 聚合温度为500℃, 800℃和1000℃时聚合度随聚合时间的变化趋势一致, 都是先增大后减小, 只有1200℃时单调减小, 这与Ding等[ 8]的研究结果不同. 聚合温度由500℃升高到800℃有利于聚合度的增大, 800℃下反应20h聚合度最大达到40, 这是由于800℃时反应体系转变为液态, 有利于生成的水挥发, 促进缩聚反应的进行.当聚合温度高于1000℃时, 聚合度总体开始减小, 特别是1200℃时, 聚合度已低于10, 这是由于随着温度的升高, 聚磷酸钙的降解反应加剧, 由CPP1200-5的图谱中Q2*明显增强, 表明聚合温度的升高还有利于生成偏磷酸钙, 这也是造成聚合度减小的一个重要原因. 可见, 适当升高聚合温度有利于缩聚反应的进行[ 9, 16], 但温度高于1000℃时, 副反应的加剧会导致聚合度减小.

采用公式(2)计算得出偏磷酸钙的含量, 并对聚合温度作图, 结果如图4所示. 由图4可以看出, 聚合温度为500℃、800℃时偏磷酸钙的含量并无差别, 聚合温度升高到1000℃时略有增大, 然而1200℃时偏磷酸钙的含量明显大于前三者, 最高可达到39.2%, 可见升高温度对生成偏磷酸钙的副反应有促进作用, 进而导致聚合度减小, 特别是当温度高于1000℃以后. 升高温度不仅促进偏磷酸钙的生成, 还引起31P-NMR的其它变化, 1200℃下制备的聚磷酸钙的31P-NMR如图5所示.

对比图2和图5, 可以发现当聚合温度升高到1200℃时, 聚磷酸钙的图谱发生了变化, 在Q2和Q2*的附近出现了一些新的化学位移(图5中箭头所示), 随着聚合时间的延长, 这种变化也越来越明显, 这可能是高温下刚玉坩埚中的Al3+进入反应体系, 引起反应体系组分的变化造成的[ 11]. 另外可以发现CPP1200-20的图谱中出现了Q0的化学位移, 这是由于随着温度的升高聚磷酸钙的降解反应加剧造成的.

图6为磷酸二氢钙的DSC-TGA曲线. 由图6可以看出, 随着温度的升高, 磷酸二氢钙经历了多次失重过程, DSC曲线显示出这些地方的热焓变化, 表明在140℃和261℃附近发生了分解反应, 并在TG曲线中表现出显著的失重, 前者由磷酸二氢钙失去结晶水引起, 后者可能是发生缩聚反应引起[ 7]. 350℃以后, DSC曲线的基线向吸热方向偏移, 至845℃附近趋于平衡, TG曲线在这一阶段出现了两次不同的失重过程, 350~560℃之间的失重较明显, 560~630℃之间未表现出失重现象, 630~845℃之间又发生一次较弱的失重. 由此可见, 基线的偏移是由聚合反应的进行水分不断挥发造成的, 实验中发现800℃下反应体系为液态, 因此造成基线偏移的另一个原因可能是体系内部低聚合度产物的熔融. 随后在961℃附近出现一次显著的吸热过程, 可能是生成的低聚合度产物熔融, TG曲线中并未表现出显著的失重证实了这种猜测. 在1142℃附近出现一次吸热过程, TG曲线中未表现出显著的失重, 可能是发生聚磷酸钙向偏磷酸钙转变引起的.

由此可见, 磷酸二氢钙的缩聚具有逐步聚合的特性, 首先在260℃附近发生一次缩聚而且伴随着显著的失重过程, 表明这一阶段磷酸二氢钙迅速生成二聚体或者低聚物; 350~845℃时低聚物继续聚合生成高聚合度的产物, 不过这一阶段并没有伴随着显著的失重, 特别是在560~600℃几乎没有失重发生, 表明聚合反应趋于平衡, 进一步提高温度则聚合反应继续进行, DSC曲线的基线在845℃附近趋于平衡表明反应体系趋于平衡, 继续升温则副反应加剧导致聚合度降低. 综上, 采用分步法进行聚合更有利于提高聚磷酸钙的聚合度.

结合以上的讨论, 可以推测磷酸二氢钙缩聚过程的机理如图7所示. 磷酸二氢钙缩聚过程可以分为四个阶段:1)磷酸二氢钙失去结晶水生成无水磷酸二氢钙, 这一过程与TG在140℃附近的分解反应对应.

2)无水磷酸二氢钙分子内的-OH发生缩合生成CaH2P2O7, 这一个过程与热失重曲线在261℃附近的分解反应对应, 此时TG曲线中表现出明显的失重, 表明磷酸二氢钙在此温度下迅速生成二聚体. Trommer等[ 17]将磷酸二氢钙在200~250℃保温12 h以上得到CaH2P2O7, 并通过XRD证实了其晶体结构, 而Lauren等[ 18]将磷酸(85%)和碳酸钙混合, 在250℃下保温24 h则形成了γ-CPP, 可见部分二聚体会进一步缩聚生成低聚合度产物.

3)随着聚合温度的升高, 低聚合度产物分子间继续缩合生成链状低聚物, 然而反应体系仍为固态, 体系内部生成的水不容易扩散出来, 聚合反应将达到平衡, 这与TG曲线中350~630℃之间的失重过程对应, 特别是560~630℃之间几乎没有失重表明聚合反应趋于平衡, 此时体系内部的水分反而容易造成聚磷酸钙的降解.

4)随着聚合温度的升高, 反应体系由固态转变为液态, 此时水分容易扩散出反应体系, 聚合度随缩聚反应的继续进行而增大, 产物为CPP800-20.

反应(5)为聚磷酸钙向偏磷酸钙转变的副反应, 随着聚合温度的升高, 反应(5)加剧导致大量偏磷酸钙生成且造成聚磷酸钙的聚合度降低, 此外(2)~(4)每个阶段的缩合反应均为可逆反应, 逆反应为聚磷酸钙的降解反应. 可见高温下磷酸二氢钙的缩聚过程受到聚磷酸钙的降解生成低聚物的反应和向偏磷酸钙转变的副反应的影响.

实验研究了聚合温度对聚磷酸钙聚合度及结构的影响, 得出如下结论:1) 磷酸二氢钙缩聚产物以聚磷酸钙为主, 当聚合温度低于1000℃时, 升高聚合温度有利于聚合度的增大, 1000℃以上则反之, 800℃下反应20 h为最佳聚合条件, 聚合度最大可达40;2) 升高聚合温度促进环状结构的偏磷酸钙生成, 其含量随聚合温度的升高而增大, 且1000℃以上增幅较大.