连续流动合成多孔硅酸钙镁及其生物活性研究

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白云石是一种储量丰富的天然碳酸盐矿物,且理想组成的白云石中钙镁元素的比例约为1:1,为钙镁衍生类产品的生产提供了充沛的原材料。但是白云石衍生工业产品大多为低附加值类产品,如作为吸附剂,添加剂或阻燃剂。此类转化的加工过程能耗高,因此期望以白云石作为原料通过更环保节能的反应方式制备高附加值的材料。其中硅酸盐类生物陶瓷是一类通过高温煅烧制备的可应用于骨修复的生物活性材料,考虑将轻烧白云石通过一种清洁快速的方式合成硅酸钙镁生物活性材料,以实现其高附加值的转化,同时降低合成此类骨修复材料的成本。本研究中以轻烧白云石酸解液作为钙镁源,水玻璃作为硅源,P123为模板剂,通过溶胶-凝胶法和连续流动法两种方式合成硅酸钙镁材料。因为连续流动法具有高的传热和传质、准确的控制反应参数、缩短反应时间的优势,所以本实验中利用蠕动泵搭建连续流动双通道进料设备,同时选用毫米级的玻璃弯管作为反应器。在溶胶-凝胶法合成中改变原料液的钙镁比,结果证明轻烧白云石酸解液(钙镁比为1:1.2)作为钙镁源可以制得介孔硅酸钙镁材料。所以连续流动法中以同样的原料配比,考察了进样速率和反应器的内径尺寸对合成的硅酸钙镁材料颗粒尺寸和孔结构的影响。最后对连续流动法合成的多孔硅酸钙镁材料的吸水性、体外降解和体外生物活性进行研究,并提出了多孔硅酸钙镁材料合成的反应机理。本文采用连续流动法合成多孔硅酸钙镁材料,利用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重-微分热重(TG-DTG)、N 2吸附/脱附等温线,扫描电镜(SEM)等手段对该材料进行结构表征分析。结果表明在内径为2 mm玻璃弯管,进样速率在2.5 m L/min的连续流动合成条件制备了孔结构丰富的多孔硅酸钙镁(p-CMS-C-2.5)。其比表面积约为443.13 m2/g,且具有主要为10 nm左右的介孔结构以及少量的大孔结构。体外生物性能测试中,其吸水率达到58.30%,且在Tris-HCl溶液中降解率高达42.50%。材料在SBF模拟体液中浸泡3d其表面即可生成大量的羟基磷酸钙,表现出良好的生物活性。本实验通过绿色高效的连续流合成方法将白云石转化为附加值较高的多孔硅酸钙镁生物活性材料,为骨修复基底材料的开发和研究提供了新思路。
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