第2章 纳米生物材料的制备与表征

2.1 纳米生物材料的制备

随着纳米技术的不断发展，纳米材料已经被广泛地用于热学、力学、电学、光学、磁学和生命科学等诸多领域[1,2]。研究工作者发现，并不是所有纳米尺寸的材料都能够发挥作用，纳米材料的尺寸也不是越小越好，纳米材料的形貌和结构也会对其作用造成影响，只有具有特定均一尺寸的纳米材料才能够在特定的领域发挥作用。由于纳米材料的尺寸、形貌及结构取决于纳米材料的制备方法，为了得到具有应用价值的纳米材料，如何制备超细、高纯、均匀的纳米材料显得尤为重要。

纳米材料的制备方法有许多种，按照构筑纳米材料的方式，主要可分为两大类，第一类为物理方法，主要是指通过机械粉碎等物理方式使粒子达到纳米尺寸，是一个“自上而下”逐步分解的过程；第二类为化学方法，它是一种“自下而上”的构筑方式，以原子、分子为基本单元，通过某种化学反应，根据人们的意愿进行设计、组装，从而构筑成具有特定功能的产品，其中主要利用化学和生物学技术[3～5]。

2.1.1 物理方法

物理方法是最早采用的纳米材料制备方法，是采用高能耗的方式，“强制”材料“细化”，得到纳米材料[6,7]。常用的物理方法包括真空冷凝法、物理粉碎法和机械球磨法等。其优点是产品纯度高，缺点是设备投入大、产量低。

2.1.1.1 真空冷凝法

真空冷凝法是指在真空蒸发室内充入低压惰性气体，通过蒸发源（高频感应、电阻加热、等离子体、电子束、激光、电弧感应等）的加热作用使原料气化或形成等离子体，然后在惰性气体介质中骤冷形成高纯度的纳米材料。所得纳米材料的粒径可以通过调节惰性气体的种类、压力、蒸发速率等控制，粒径能够达到1～100nm。1984年，德国科学家H. Gleiter等首次采用这种方法成功制备了具有清洁表面的铁纳米微粒。随后研究工作者们利用这种方法得到了镁、钴、铁、钨、铜、镉、锌、铋、锰、铝、铅、金、银等多种金属纳米微粒，从而使这种方法在金属纳米微粒的制备中得到广泛应用。此外，利用这种方法还可以制备各种合金、碳化物、氧化物等多种超微粒子。这种方法的特点是制得的纳米材料纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。

2.1.1.2 物理粉碎法

物理粉碎是指通过机械粉碎、电火花爆炸等方法制备纳米粒子的过程。其原理是利用介质和物料间的相互研磨和冲击达到微粒的超细化。这种方法的优点是操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布也不均匀，粒径很难小于100nm。常用的物理粉碎法主要包括低温粉碎法、超声波粉碎法、爆炸法等。低温粉碎法是指将冷却到脆化点温度的物质在外力作用下破碎成粒径较小的颗粒或粉体的过程。一些脆性材料，如TiC、SiC、ZrB2等适合在液氮温度（–196℃）下粉碎制备纳米微粒。超声波粉碎法是指用超声能量局部撞击材料，从而使材料粉碎成较小的颗粒或粉体的过程。一些脆性金属化合物，如MoSi2、WC、ZrC、TiC、TiB4、ZrB4等能够用此法制备成纳米微粒。这种方法的特点是可以准确地控制产品粒度。爆炸法是指将金属或化合物与火药混在一起，放入容器内，经过高压电火花使之爆炸，在瞬间高温下形成微粒的方法。据报道，研究工作者们已经利用这种方法制备出Cu、Ti、Mo、金刚石等的纳米微粒。

2.1.1.3 机械球磨法

机械球磨法是一种无须从外界供给热能，通过外部机械力的作用（即通过研磨球、研磨罐和颗粒的频繁碰撞）使材料之间发生界面反应，使大晶粒变为小晶粒，从而得到纳米材料的方法。1988年日本京都大学的Shingn等首先报道了这种方法，并用这种方法成功制备出纳米Al-Fe合金。采用机械球磨法控制适当的条件能够得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点是操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。

2.1.2 化学方法

化学方法是指采用化学合成的方式制备纳米材料的方法，可以分为化学气相法和化学液相法[8,9]。

2.1.2.1 化学气相法

化学气相法是目前制造纳米材料最有效的途径之一。气相沉积法是化学气相法的典型代表。该方法利用挥发性金属化合物蒸气的化学反应来合成所需物质。由于气相中的粒子成核及生长空间增大，制得的产物微粒细小、形貌均一、分散性好。同时，由于制备过程常常在封闭容器中进行，合成的粒子纯度更高，并且有利于合成高熔点的无机化合物微粒。除了用于制备氧化物微粒外，改变介质气体的种类，还可以用于直接合成有困难的金属、氮化物、碳化物、硼化物等非氧化物。

2.1.2.2 化学液相法

化学液相法是指纳米材料的合成在液相中进行的方法，这种方法是目前实验室和工业生产中广泛采用的纳米材料制备方法，其优点是反应设备投入小、产量大，反应条件温和、易控制，所合成的纳米材料均匀、纯度高，缺点是产品含有一定的杂质。化学液相法主要包括沉淀法、水热合成法、溶胶-凝胶法以及微乳液法等。

（1）沉淀法

沉淀法是指把沉淀剂加入金属盐溶液中进行沉淀处理，再将沉淀物加热分解，从而得到所需的最终化合物的方法。它主要包括直接沉淀法、均匀沉淀法、共沉淀法、多元醇沉淀法等。虽然利用沉淀法制备纳米材料尚有水洗、过滤等一系列问题需要解决，但是其制备工艺简单，所得纳米材料的性能良好，并且在金属氧化物纳米粒子的制备方面具有独特的优势，因此，该方法也是目前纳米材料制备中比较常用的方法。

直接沉淀法是指仅用沉淀操作就能从溶液中制备出氧化物纳米微粒的方法。在该方法中，直接加入的沉淀剂能够与溶液中的某种阳离子发生反应生成沉淀物。但是常常由于溶液的局部浓度不均匀造成制备的纳米粒子分布不均匀。均匀沉淀法是指在溶液中加入某种能缓慢生成沉淀剂的物质，使溶液中的沉淀均匀出现的方法。该方法克服了从外部向溶液中直接加入沉淀剂所致的沉淀剂局部浓度不均匀的缺点。此法多在金属盐溶液中采用尿素热分解生成沉淀剂NH4OH，促使沉淀均匀生成。如祖庸、张近等人利用尿素分别与Zn(NO3)2、MgCl2溶液反应，得到凝聚少、分布均匀、纯度高的MgO和ZnO纳米粒子，这是工业生产中十分看好的一种方法。共沉淀法是指向含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂，使金属离子完全沉淀，然后加热分解获得纳米微粒的方法。利用共沉淀法能够制备多功能复合纳米粒子，如PZT系电子陶瓷，ZrO2微粒，Ca、Cr、Co掺杂氧化物及掺杂BaTiO3等。这种方法能够避免引入对材料性能不利的杂质，生成的微粒化学均匀性较高，粒度较细，尺寸分布较窄并具有一定形貌。多元醇沉淀法是指将化合物溶于多元醇，利用高温强制水解反应制备纳米微粒的方法。这是纳米材料制备中的一种重要方法。将Zn(HAc)2⋅2H2O溶于一缩二乙醇（DEG），在100～200℃下强制水解能够制得单分散球形ZnO纳米微粒。将酸化的FeCl3-乙二醇-水体系强制水解能够得到均匀的Fe氧化物胶粒。

在沉淀法制备纳米粒子的过程中，影响最终产品性能的因素主要有以下几种。

① 反应温度。温度对晶核生成速率和生长速率都会产生影响，进而对最终产品粒径产生影响。晶核生成的最大速率所在温度区间比晶核生长的最大速率所在温度区间低，因此在较低的温度下容易形成较小的颗粒。实验证明，随盐种类的不同，温度升高20℃，晶粒能够增大10%～25%。

② 反应时间。反应时间越长，能够得到的产物收率越高。然而，反应时间过长会使小颗粒重新溶解，大颗粒继续长大，粒径分布范围变宽。

③ 反应物料配比。物料发生的水解、沉淀反应可能是可逆反应，增大其中一种反应物的比例会使产物产率提高。同时，反应物过饱和度的增大有利于小颗粒沉淀物的生成。

④ 煅烧温度和时间。煅烧温度和时间是采用沉淀法制备纳米粒子的过程中比较关键的一步。煅烧温度过高，时间过长，会使粒子团聚，从而导致粒径增大。因此，在保证沉淀物煅烧完全的情况下，煅烧温度越低、时间越短越好。

⑤ pH的影响。pH直接影响水合氧化物（或氢氧化物）沉淀溶液的饱和浓度。为了使沉淀颗粒具有均一性，应保持沉淀过程中的pH相对稳定。

⑥ 表面活性剂。某些表面活性剂能够有效地抑制粒子的团聚，从而缩小晶粒的尺寸。研究发现，加入适当种类和剂量的表面活性剂对于形成形状和大小均一的粒子非常重要。

（2）水热合成法

水热合成法是指在特制的密闭反应器（水热合成反应釜）中，用水作为反应介质，对反应体系加热、加压（或自生蒸气压），从而创造一个相对高温、高压的反应环境，使得通常条件下难溶或不溶的物质溶解并重结晶，进而进行无机合成与材料处理的一种有效方法[10]。与常温常压条件相比，在水热条件下水的物理及化学性质将发生一系列变化，如蒸气压升高、介电常数降低、黏度和表面张力降低、离子积升高、热扩散系数升高、密度降低等。因此，在水热合成反应中，水既可以作为一种化学组分参与反应，又可以作为溶剂和膨化促进剂，同时还可以作为压力传递介质，通过加速渗透反应及控制反应过程的物理化学因素，实现无机化合物的形成及改进。利用水热合成法可以克服晶形转变、挥发、分解等缺点，既能制备单组分微小单晶体，又能制备双组分甚至是多组分的特殊化合物粉末。同时，利用水热合成法制备的纳米晶具有纯度高、晶粒发育完整、粒度易控制且分布均匀、颗粒之间团聚少等优点。根据反应原理的不同，可以将水热反应分为以下几种类型。

① 水热氧化。在高温高压条件下，水等溶剂与金属或合金直接反应生成新的化合物。

例如：xM+yH2OMxOy+yH2↑（其中，M为铬、铁及合金等）

② 水热沉淀。某些化合物在通常条件下无法或很难生成沉淀，但是在水热条件下能够生成新的化合物沉淀。

例如：3KF+MnCl2KMnF3+2KCl

③ 水热合成。在水热条件下，在很宽的范围内改变参数，从而使两种或两种以上的化合物反应，合成新的化合物。

例如：Nd2O3+10H3PO42NdP5O14+15H2O

④ 水热还原。一些金属类氧化物、碳酸盐、氢氧化物或复盐用水调浆，不需要或只需极少量试剂，控制适当的温度及氧分压等条件，即可制得超细金属粉体。

例如：MxOy+yH2xM+yH2O（其中，M为银、铜等）

⑤ 水热分解。在水热条件下，某些化合物分解成新的化合物，进而分离得到单一化合物超细粉体。

例如：ZrSiO4+2NaOHZrO2+Na2SiO3+H2O

⑥ 水热结晶。水热条件下使一些非晶化合物脱水结晶。

例如：2Al(OH)3Al2O3⋅H2O+2H2O

（3）溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是指以含高化学活性组分的化合物为前驱体，在液相条件下将原料均匀混合，并进行水解、缩合反应，在溶液中形成稳定、透明的溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间发生缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络之间充满失去流动性的溶剂形成凝胶，凝胶经过干燥、烧结固化得到分子乃至纳米亚结构的材料。根据前驱体种类及反应条件的不同，溶胶-凝胶法主要包括金属醇盐水解法、强制水解法、金属醇盐氨解法、原位聚合法及聚合螯合法等。目前采用这种方法已经制备出了TiO2、NiO、SiO2等单一纳米材料以及BayTixO3（x、y为不同的值）和聚酰亚胺-二氧化硅等纳米复合材料。这种方法具有产品均匀度高、纯度高、种类多及操作温度低等优点，在制备离子导体、光波导材料、非线性光学材料、光电材料及光色转换材料方面表现出广阔的应用前景。采用这类方法制备纳米材料的过程包括以下几个步骤。

① 水解反应。金属或半金属醇盐前驱体经水解反应形成羟基化产物和相应的醇的过程。

M(OR)4+4H2OM(OH)4+4ROH（其中，M=Si、Al、Ti、B、Ce、Zr）

② 缩聚反应。水解和缩合反应不断地进行，最终导致三维空间网络的形成，即凝胶的形成过程。

③ 凝胶化。随着水解和缩合过程的进行，溶剂不断蒸发消耗，胶粒浓度不断增大，溶液被浓缩，悬浮体系的稳定性遭到破坏，从而发生胶凝化的过程。

④ 陈化过程。陈化过程一般包含四个步骤：缩合、胶体脱水收缩、粗糙化和相转变。陈化会使凝胶的强度增大，并且陈化的时间越长，网络的强度就越大。

⑤ 干燥。干燥是采用溶胶-凝胶法制备纳米材料过程中的关键步骤。粒子越小，表面能越大。在颗粒和胶体的界面张力及液体表面张力的作用下，随着胶体中液体的挥发，极易产生凝胶孔的塌陷以及颗粒的聚集和长大。为了减少和防止在干燥过程中聚集和长大现象的发生，近几年研究工作者们设计并发展了可用于纳米粒子干燥的超临界干燥法、冷冻干燥法和溶剂置换干燥法。

⑥ 烧结。烧结是在高表面能的作用下，使凝胶内部孔度缩小的致密化过程。凝胶内部的固/液界面面积很大，因此可以在相对较低的温度下（<1000℃）进行烧结。

在使用溶胶-凝胶法制备纳米材料的过程中，影响纳米材料的最终结构的因素主要包括以下三种。

① pH的影响。溶液的pH不仅影响醇盐的水解缩聚反应，而且对陈化过程中凝胶的结构转变甚至是干凝胶的显微结构也会产生影响。

② 醇盐与溶剂比例的影响。醇盐与溶剂的比例对溶胶的结构和粒度有很大影响，并在很大程度上决定胶体的黏度及胶凝化程度，同时对凝胶的后续干燥过程也有一定影响。

③ 前驱体形态的影响。前驱体形态是控制胶体行为和纳米材料结构与性能的决定性因素。采用有机酸、二元醇、β-二酮等螯合剂，能够降低前驱体反应活性，从而控制水解缩聚速率；采用N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N,N-二甲基乙酰胺（DMA）、乙二酸等能够对颗粒的表面进行包覆、修饰，材料的比表面积和孔结构将会随之发生相应的变化。

（4）微乳液法

微乳液通常是由有机溶剂、水、表面活性剂和助表面活性剂在适当的比例下自发形成的各向同性、外观透明或半透明、热力学稳定的分散体系。由于具有原料便宜、反应条件温和、制备过程简单、制得的粒子单分散性和界面性好等优点，该方法已经被广泛地用于纳米材料的制备。微乳液法中常用的有机溶剂一般包括C6～C8直链烃或环烷烃。常用的表面活性剂一般包括阴离子型表面活性剂如AOT［双(2-乙基己基)琥珀酸酯磺酸钠］、SDS（十二烷基硫酸钠）、SDBS（十二烷基苯磺酸钠）等，阳离子型表面活性剂如CTAC（十六烷基三甲基氯化铵）、CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）、DTAB（十二烷基三甲基溴化铵）等，非离子型表面活性剂如NPn（壬基酚聚氧乙烯醚类）、Triton X-100、Span-40（60、80）、Tween-40（60、80）等。助表面活性剂一般包括中等碳链C5～C8的脂肪酸。

根据体系中的油水比例及微观结构的不同可以把微乳液分成三种类型：水包油（O/W）型微乳液、油包水（W/O）型微乳液和双连续型微乳液。在微乳体系中，用于制备纳米粒子的一般都是油包水（W/O）型微乳液。

油包水（W/O）型微乳液中，微小的水核由于被表面活性剂和助表面活性剂组成的单分子层界面所包围而分散在油相中，形成大小约为几到几十纳米的微乳颗粒，这些微乳颗粒可以看作是微型或纳米反应器。利用微乳液法制备纳米材料的一般方法包括以下三种。

① 将两份分别增溶有反应物A、B的微乳液混合，此时由于胶团颗粒间的碰撞，将发生水核内物质的相互交换或物质传递，引发核内的化学反应（水解反应、氧化-还原反应、沉淀反应等），从而使产物在水核内成核、生长。当水核内的粒子长到最后尺寸时，表面活性剂会附在粒子的表面，使粒子稳定并防止其进一步长大。由于水核半径是固定的，不同水核内的晶核或粒子之间的物质交换不能实现，所以水核内粒子的尺寸能够得到控制。

② 将一种反应物增溶在微乳液的水核内，另一种反应物以水溶液的形式滴加到前者中，水相内的反应物穿过微乳液的界面膜进入水核内部与另一反应物作用产生晶核并生长，产物的最终粒径由水核尺寸决定。

③ 将一种反应物增溶在微乳液的水核内，另一种反应物为气体（如O2、CO2、NH3），将气体通入液相中，充分混合使二者发生反应从而制备纳米颗粒。

在微乳液法制备纳米粒子的过程中，影响粒径大小的因素主要有以下几种。

① 水核半径的影响。纳米材料的尺寸受微乳液水核半径的控制，而水核半径与体系中水与表面活性剂的浓度及表面活性剂的种类有关。假设W=[H2O]/[表面活性剂]，那么在一定范围内，W增大，则水核半径增大，纳米粒子的尺寸增大。

② 反应物浓度的影响。适当调节反应物的浓度能够控制所得纳米粒子的尺寸。这是因为当反应物之一过剩时，反应物粒子碰撞的概率变大，成核过程比等量反应发生时要快，生成的纳米粒子粒径也就越小。

③ 微乳液界面膜强度的影响。如果微乳液的界面膜强度比较小，则会导致粒子之间物质的交换速度过大，产物的粒径难以控制。一般情况下，W增大，界面醇含量增加，会使界面膜强度变小；油的烃链越长，醇的烃链越短，界面膜强度会越小；反之，膜强度会越大。

④ 表面活性剂的影响。合适的表面活性剂能够使纳米颗粒一旦形成就吸附在界面膜表面，起到稳定和保护所生成的纳米粒子的作用，从而得到粒径细小且均匀的纳米粒子。表面活性剂的浓度增大，相应的液滴数目会增加，粒子尺寸会减小。