钠铈共掺杂羟基磷灰石陶瓷的微结构调控与发光性能优化研究

本研究针对异价掺杂导致的羟基磷灰石(HA)结构不稳定性问题，通过Na+/Ce3+共掺杂实现电荷补偿（2Ca2+→Ce3++Me+），采用水相沉淀法制备掺杂量为0.25-1.0 mol.%的HA陶瓷。通过XRD、FTIR、XPS等多维表征证实，该策略显著提升材料相稳定性，使Ce3+在还原气氛中保持价态，发光强度增强30%，为功能性骨修复材料开发提供新思路。

　　

在骨组织工程领域，羟基磷灰石（HA）因其与天然骨矿物相似的化学组成和优异生物相容性，成为最具应用潜力的生物材料。然而，单一HA材料存在功能单一、机械性能不足等局限。近年研究发现，通过模拟生物磷灰石中Na⁺、Mg²⁺等微量元素的天然掺杂，可显著提升材料性能。但异价离子（如三价Ce³⁺）的引入会破坏HA晶格电荷平衡，导致相变和性能劣化。俄罗斯科学院的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，创新性提出Na⁺/Ce³⁺协同掺杂策略，系统探究了其对HA陶瓷结构和功能的影响机制。

研究采用水相沉淀法制备系列掺杂HA粉体，通过传统烧结和热压烧结（还原气氛）两种工艺成型。运用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）等表征相组成和化学状态，结合透射电镜（TEM）观察微观结构，并测试光致发光性能。

相组成分析显示：空气烧结导致Ce³⁺氧化为Ce⁴⁺并析出CeO₂杂质相，而热压工艺能保持Ce³⁺稳定存在。光谱研究证实Na⁺共掺杂使Ce³⁺特征发射峰强度提升，最佳掺杂量为0.5 mol.%时发光效率最高。微观结构观测发现共掺杂样品晶粒尺寸均匀，孔隙率降低30%，维氏硬度提高至4.5 GPa。电荷补偿机制分析表明，Na⁺通过2Ca²⁺→Ce³⁺+Na⁺路径有效中和晶格电荷，同时伴随PO₄^3-→CO₃^2-和OH^-→O^2-的阴离子取代。

该研究首次阐明Na⁺/Ce³⁺共掺杂HA的协同稳定机制：Na⁺不仅维持晶格电中性，还通过抑制Ce³⁺氧化和晶格空位形成，使材料兼具结构稳定性和功能发光特性。所开发的HA:(Na,Ce)陶瓷在保持生物活性的基础上，新增抗菌、示踪等功能，为新一代智能骨修复材料设计提供理论依据和技术支撑。研究结果对拓展HA在骨科、齿科等领域的应用具有重要指导价值。