CN100333994C - 透析法制备纳米磷灰石 - Google Patents

透析法制备纳米磷灰石 Download PDF

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Abstract

一种透析法制备纳米磷灰石的方法。其工艺步骤是：先按照所要制备的磷灰石的钙磷比配制浓度为0.01-1摩尔/升钙盐或含有改性阳离子的钙盐水溶液，和浓度为0.06-0.6摩尔/升/磷盐或含有改性阴离子的磷盐水溶液，用氨水调钙盐水溶液至pH7.0-12，保持搅拌和油浴60-90℃；将磷盐水溶液缓慢滴加到钙盐溶液中，补氨水，保持钙盐水溶液pH不变；加完磷盐水溶液后，恒温60-90℃搅拌3-5小时，将样品置于透析袋用去离子水透析3-5次，每次透析15-30分钟后更换水，最后样品真空干燥24小时，即得纳米磷灰石。本发明可以制备出50-200纳米的磷灰石，与常规的水洗抽滤纯化过程相比，缩短纯化时间5-10倍，节省了大量的人力和水，提高了制备效率，便于规模化制备。

Description

透析法制备纳米磷灰石
技术领域
本发明属于生物医学材料领域，具体涉及骨组织替代材料纳米磷灰石的制备方法及其工艺。
背景技术
纳米磷灰石(nano-apatite)与人类自然骨中的主要无机成分类似，具有良好的生物相容性和生物活性，主要包括纳米羟基磷灰石、纳米氟取代磷灰石及其系列掺杂锶，锌等改性生物材料。纳米羟基磷灰石除可用作硬组织替代材料外，还可用于生物活性物质(氨基酸、多肽、蛋白质等)的分离和生物催化剂载体；在普通合成的生物材料中添加少量纳米羟基磷灰石可显著改善材料对成骨细胞的粘附和增殖能力，促进新骨形成。由于这些材料优异的理化和生物学性能，纳米磷灰石的合成与应用一直是国内外生物医学材料领域的研究热点和重要课题之一。
目前，虽然已知有各种方法可制备纳米磷灰石，包括：沉淀法，水解法，溶胶-凝胶法，水热合成法，等离子体法和干法等等，但是，所有这些方法都仅限于实验室的小量合成，不具备规模化生产能力。进一步研究发现，在上述所有制备方法中几乎都涉及到纳米羟基磷灰石(HAP)的纯化工艺。以目前常用的水洗钝化工艺而言，需要用大量去离子水反复多次洗涤，而每一次洗涤又需要通过过滤或离心予以再分离，这是一个典型的间歇式人工操作步骤，整个过程耗时费力，水资源浪费惊人，尤其是常常遇到纳米溶胶堵塞滤膜(纸)的情况，更增加了纯化工艺的难度。因此，要突破纳米磷灰石规模化制备技术的瓶颈，必须创新现有的纳米纯化方法。(Aoki H.Marvelous Biomaterials，Apatite.Tokyo：Ishiyaku Publishers，Inc.1999；LiuD，Troczynski T，et al.Water-based sol-gel synthesis of hydroxyapatite：process development.Biomaterials，2001(22)，1722；Coathup M，Blackburn J，et al.Role of hydroxyapatite coating inresisting wear particle migration and osteolysis around acetabular components.Biomaterials，2005(26)，p4162)。
透析的基本原理是，当透析膜两边的物质存在浓度差，浓度高的物质就会不断向浓度低的方向移动，从而达到选择性分离物质的目的。在制备纳米磷灰石的纯化步骤中采用透析技术，将待处理纳米磷灰石悬浊液注入透析袋中，然后把透析袋置入稳定搅拌的去离子水里，使得透析膜内外存在绝对的离子浓度差，原理上膜内的杂质离子将顺着浓度差转移到膜外，只剩下固体的磷灰石纳米晶体在透析袋中，最后只需取出透析袋中的产物便可得到高纯度的纳米磷灰石。整个过程不仅可以将常规纯化时间缩短5-10倍，而且节省了大量人力和水资源，提高了制备效率。透析工艺的一个更大优点是可以方便地实现自动化和连续化操作，从而显著区别于前述水洗工艺的人工间歇式程序。(Manuel M，Wolfgang F.Automatedmembrane-based sampling and sample preparation exploiting flow-injection analysis.Trends inAnalytical chemistry，2004，23(7)，p625)。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于透析的纳米磷灰石制备方法，以克服上述常规制备纳米磷灰石中水洗抽滤过程存在的诸多缺陷，提高纳米磷灰石的制备效率，以不断满足纳米磷灰石的各类研究和应用。
本发明的一种纳米磷灰石粉体材料的制备方法，其特征在于该方法的纯化工艺用透析分离纯化取代常规制备纳米磷灰石过程中的水洗及抽滤纯化过程，其制备步骤如下：
步骤1、按照所要制备的磷灰石的钙磷比，用四水硝酸钙，或一水乙酸钙，或氯化钙，或氢氧化钙配制浓度为0.01-1摩尔/升的钙盐水溶液，用磷酸，或磷酸氢二铵、或磷酸二氢铵配制浓度为0.006-0.6摩尔/升的磷盐水溶液，或者在钙盐水溶液中添加改性阳离子锶或锌，在磷盐水溶液中添加改性阴离子氟，所添加的改性阳离子摩尔量按照该磷灰石中钙离子被取代摩尔量计算、所添加的改性阴离子的摩尔量按照该磷灰石中羟基的被取代摩尔量计算，用氨水将添加或没添加改性阳离子锶或锌的钙盐水溶液调至pH值7.0-12，保持搅拌状态，恒温60-90℃；
步骤2、通过恒流泵将步骤1配好的磷盐水溶液缓慢滴加到钙盐水溶液中，适时向钙盐水溶液补充氨水，保持恒定pH值7.0-12；
步骤3、在步骤2滴加完磷盐水溶液后，将混合液维持搅拌状态，恒温60-90℃3-5小时；
步骤4、将步骤3恒温搅拌3-5小时后的混合液取出装入透析袋用去离子水透析3-5次，每次透析15-30分钟后更换去离子水，在透析袋重新放入新换的去离子水中后，往透析袋外液通入可调直流电压≥1.5伏特；
步骤5、在步骤4进行完后打开透析袋取出产物，进行真空干燥处理，得纳米磷灰石；
步骤6、将步骤5干燥好的纳米磷灰石，碾磨，即得纳米磷灰石粉体材料。
所述的在钙盐水溶液中添加改性阳离子锶或锌离子的摩尔比为钙：锶或锌＝10∶0.01～10，在磷盐水溶液中添加改性阴离子氟的摩尔比为钙∶氟＝10∶0.01～2。
所述的纳米磷灰石粉体材料的制造方法，其进一步特征在于透析过程中当透析袋重新放入新换的去离子水中后，1分钟内往透析袋外液通入可调直流电压，根据所透析样品的量和生产规模调电压，其电压≥1.5伏特，通入可调直流电压可大大加快透析过程中杂质离子的转移。
所述的纳米磷灰石粉体材料的制造方法，透析结束后取出的产物不需再次经过在去离子水中分散以及离心处理，直接进行真空干燥处理，干燥时间≥24小时。
本发明制备的纳米磷灰石未烧结粉体，粒度为50-200纳米。
本发明将基于膜分离的透析技术引入制备纳米磷灰石，在合成纳米磷灰石的纯化工艺中用透析技术取代了常规的水洗抽滤步骤，对各种杂质离子的去除率达到94％以上，得到了高纯度的纳米磷灰石，制备的纳米磷灰石晶体粒度为50-200纳米。本发明与常规的水洗抽滤纯化过程相比整个纯化过程不仅可以缩短时间5-10倍，而且节省了大量的人力和宝贵的水资源，从而大大提高了制备效率。采用本发明的纳米磷灰石粉体材料的制造方法，可以设计适合纳米磷灰石规模化生产的自动化连续化透析设备，可以方便地实现自动化和连续化操作，从而显著优于前述水洗工艺的人工间歇式程序。
附图说明
图1.实施例2制备的纳米羟基磷灰石粉体的透射电镜照片
图2.实施例5制备的纳米氟取代羟基磷灰石的透射电镜照片
具体实施方式
以下通过具体实例对本发明作进一步阐释。
实施例1
配制同体积的0.01摩尔/升氢氧化钙水溶液和0.006摩尔/升磷酸水溶液，将氢氧化钙水溶液用氨水调好pH值10，然后通过恒流泵把磷酸水溶液缓慢的滴加到氢氧化钙水溶液中，在滴加过程中维持油浴90℃，滴加结束后，继续维持油浴温度，继续匀速搅拌5小时，然后取出样品，置入透析袋中，再将透析袋两头封闭放在搅拌的去离子水中透析3次，·第一次和第二次透析15分钟换去离子水，之后透析30分钟换去离子水，并在透析袋重新放入新换的去离子水中的1分钟内往透析袋外液通入1.5伏直流电压，透析结束后打开透析袋取出样品，在真空干燥箱里处理24小时，取出干燥后样品碾磨成粉，即得到纳米羟基磷灰石粉体。
在透射电镜下观测该纳米羟基磷灰石为长约100纳米的针状晶体，且分散较好。分析透析过程中膜内外离子浓度，结果显示最终透析过程可去除98％的NH4 +。
实施例2
配制同体积的1摩尔/升四水硝酸钙水溶液和0.6摩尔/升磷酸氢二铵水溶液，将四水硝酸钙水溶液用氨水调至pH值11，然后通过恒流泵把磷酸氢二铵水溶液缓慢滴加到四水硝酸钙水溶液中，滴加过程中维持油浴温度60℃，结束滴加后，继续维持油浴温度，匀速搅拌3小时，然后取出样品，置入透析袋中，再将透析袋两头封闭放在搅拌的去离子水中透析5次，第一次透析15分钟换去离子水，之后每次透析30分钟换去离子水，并在透析袋重新放入新换的去离子水中的1分钟内往透析袋外液通入3伏直流电压，透析结束后打开透析袋取出样品，在真空干燥箱里处理24小时，取出干燥后样品碾磨成粉，即得到纳米羟基磷灰石粉体。
在透射电镜下观测该纳米羟基磷灰石为长约200纳米的针状晶体，且分散较好(见图1)。分析透析过程中膜内外离子浓度，结果显示最终透析过程可去除96.9％的NH4 +和99％以上的NO3 -。
实施例3
配制同体积的0.3摩尔/升氯化钙水溶液和0.18摩尔/升磷酸氢二铵水溶液，将钙盐用氨水调至pH值9，然后通过恒流泵把磷酸氢二铵水溶液缓慢滴加到氯化钙水溶液中，滴加过程中维持油浴温度90℃，结束滴加后，继续维持油浴温度，匀速搅拌3小时，然后取出样品，置入透析袋中，再将透析袋两头封闭放在搅拌的去离子水中透析3次，第一次透析15分钟换去离子水，之后每次透析30分钟换去离子水，并在透析袋重新放入新换的去离子水中的1分钟内往透析袋外液通入1.5伏直流电压，透析结束后打开透析袋取出样品，在真空干燥箱里处理24小时，最后取出碾磨成粉，得到纳米羟基磷灰石粉体。
在透射电镜下观测该纳米羟基磷灰石为长约60纳米的针状晶体，且分散较好。分析透析过程中膜内外离子浓度，结果显示最终透析过程可去除96.9％的NH4 +和99％以上的Cl-。
实施例4
配制同体积的1摩尔/升一水乙酸钙水溶液和0.6摩尔/升磷酸二氢铵水溶液，将一水乙酸钙用氨水调至pH值7.5，按照钙氟摩尔比为10∶0.01在磷酸二氢铵水溶液加入氟化铵，然后通过恒流泵把溶有氟化铵的磷酸二氢铵水溶液缓慢的滴加到一水乙酸钙水溶液中，维持油浴80℃，滴加结束后，继续维持油浴温度和匀速搅拌3小时，然后取出样品，置入透析袋中，再将透析袋两头封闭放在搅拌的去离子水中透析3次，第一次透析15分钟换去离子水，之后每次透析30分钟换去离子水，并在透析袋重新放入新换的去离子水中的1分钟内往透析袋外液通入3伏直流电压，透析结束后打开透析袋取出样品，在真空干燥箱里处理26小时，最后取出碾磨成粉，得到纳米氟取代羟基磷灰石粉体。
在透射电镜下观测该材料为长约80纳米的针状晶体，且分散较好。分析透析过程中膜内外离子浓度，结果显示最终透析过程可去除97％的NH4 +和98.4％以上的CH3COO-。
实施例5
配制同体积的0.01摩尔/升四水硝酸钙水溶液和0.006摩尔/升磷酸二氢铵水溶液，将一水乙酸钙用氨水调至pH值7.0，按照钙氟摩尔比为10∶0.5在磷酸二氢铵水溶液加入氟化铵，然后通过恒流泵把溶有氟化铵的磷酸二氢铵水溶液缓慢的滴加到一水乙酸钙水溶液中，维持油浴80℃，滴加结束后，继续维持油浴温度和匀速搅拌3小时，然后取出样品，置入透析袋中，再将透析袋两头封闭放在搅拌的去离子水中透析3次，第一次透析15分钟换去离子水，之后每次透析30分钟换去离子水，并在透析袋重新放入新换的去离子水中的1分钟内往透析袋外液通入3伏直流电压，透析结束后打开透析袋取出样品，在真空干燥箱里处理24小时，最后取出碾磨成粉，得到纳米氟取代羟基磷灰石粉体。
在透射电镜下观测该材料为长约50纳米的针状晶体，且分散较好(见图2)。分析透析过程中膜内外离子浓度，结果显示最终透析过程可去除98.6％的NH4 +和96.9％的NO3 -。
实施例6
配制同体积的0.5摩尔/升一水乙酸钙水溶液和0.3摩尔/升磷酸氢二铵水溶液，将一水乙酸钙水溶液用氨水调好pH值8，按照钙氟摩尔比为10∶2在磷酸氢二铵水溶液加入氢氟酸，然后通过恒流泵把磷酸氢二铵水溶液缓慢的滴加到一水乙酸钙水溶液中，维持油浴70℃。滴加结束后，继续维持油浴温度和匀速搅拌4小时，然后取出样品，置入已经处理过的透析袋中，再将透析袋两头封闭放在搅拌的去离子水中透析4次，第一次和第二次透析15分钟换去离子水，之后每次透析30分钟换去离子水，并在透析袋重新放入新换的去离子水中的1分钟内往透析袋外液通入3伏直流电压。透析结束后打开透析袋取出样品，在真空干燥箱里处理24小时，最后取出碾磨成粉，得到纳米锌取代羟基磷灰石粉体。
在透射电镜下观测该材料为长约80纳米的针状晶体，且分散较好。分析透析过程中膜内外离子浓度，结果显示最终透析过程可去除96.8％的NH4 +和99％以上的CH3COO-。
实施例7
配制同体积的0.8摩尔/升一水乙酸钙水溶液和0.48摩尔/升磷酸氢二铵水溶液，将一水乙酸钙水溶液用氨水调好pH值12，按照钙锌摩尔比为10∶0.01在乙酸钙水溶液加入乙酸锌，然后通过恒流泵把磷酸氢二铵水溶液缓慢的滴加到一水乙酸钙水溶液中，维持油浴70℃。滴加结束后，继续维持油浴温度和匀速搅拌4小时，然后取出样品，置入已经处理过的透析袋中，再将透析袋两头封闭放在搅拌的去离子水中透析4次，第一次和第二次透析15分钟换去离子水，之后每次透析30分钟换去离子水，并在透析袋重新放入新换的去离子水中的1分钟内往透析袋外液通入3伏直流电压。透析结束后打开透析袋取出样品，在真空干燥箱里处理24小时，最后取出碾磨成粉，得到纳米锌取代羟基磷灰石粉体。
在透射电镜下观测该材料为长约100纳米的针状晶体，且分散较好。分析透析过程中膜内外离子浓度，结果显示最终透析过程可去除97％的NH4 +和99％以上的CH3COO-。
实施例8
配制同体积的0.02摩尔/升四水硝酸钙水溶液和0.016摩尔/升磷酸氢二铵水溶液，将四水硝酸钙水溶液用氨水调好pH值11并按照钙锌摩尔比为10∶10加入硝酸锌，然后通过恒流泵把磷酸氢二铵水溶液缓慢的滴加到四水硝酸钙水溶液中，维持油浴90℃，滴加结束后，继续维持油浴温度和匀速搅拌4小时，然后取出样品，置入已经处理过的透析袋中，再将透析袋两头封闭放在搅拌的去离子水中透析3次，第一次和第二次透析15分钟换去离子水，之后透析30分钟换去离子水，并在透析袋重新放入新换的去离子水中的1分钟内往透析袋外液通入1.5伏直流电压，透析结束后打开透析袋取出样品，在真空干燥箱里处理24小时，最后取出碾磨成粉，得到纳米锌取代羟基磷灰石粉体。
在透射电镜下观测该材料为长约50纳米的针状晶体，且分散较好。分析透析过程中膜内外离子浓度，结果显示最终透析过程可去除95.9％以上的NH4 +和98％以上的NO3 -。
实施例9
配制同体积的1摩尔/升氯化钙水溶液和0.6摩尔/升磷酸氢二铵水溶液，将四水硝酸钙水溶液用氨水调好pH值12并按照钙锶摩尔比为10∶0.01加入氯化锶，然后通过恒流泵把磷酸氢二铵水溶液缓慢的滴加到四水硝酸钙水溶液中，维持油浴60℃，滴加结束后，继续维持油浴温度和匀速搅拌4小时，然后取出样品，置入已经处理过的透析袋中，再将透析袋两头封闭放在搅拌的去离子水中透析4次，第一次和第二次透析15分钟换去离子水，之后每次透析30分钟换去离子水，并在透析袋重新放入新换的去离子水中的1分钟内往透析袋外液通入1.5伏直流电压。透析结束后打开透析袋取出样品，在真空干燥箱里处理24小时，最后取出碾磨成粉，得到纳米锶取代羟基磷灰石粉体。
在透射电镜下观测该材料为长约100纳米的针状晶体，且分散较好。分析透析过程中膜内外离子浓度，结果显示最终透析过程可去除96.7％以上的NH4 +和99％以上的Cl-。
实施例10
配制同体积的0.6摩尔/升四水硝酸钙水溶液和0.36摩尔/升磷酸氢二铵水溶液，将四水硝酸钙水溶液用氨水调好pH值12并按照钙锶摩尔比为10∶10加入硝酸锶，然后通过恒流泵把磷酸氢二铵水溶液缓慢的滴加到四水硝酸钙水溶液中，维持油浴60℃，滴加结束后，继续维持油浴温度和匀速搅拌4小时，然后取出样品，置入已经处理过的透析袋中，再将透析袋两头封闭放在搅拌的去离子水中透析4次，第一次和第二次透析15分钟换去离子水，之后每次透析30分钟换去离子水，并在透析袋重新放入新换的去离子水中的1分钟内往透析袋外液通入1.5伏直流电压。透析结束后打开透析袋取出样品，在真空干燥箱里处理24小时，最后取出碾磨成粉，得到纳米锶取代羟基磷灰石粉体。
在透射电镜下观测该材料为长约50纳米的针状晶体，且分散较好。分析透析过程中膜内外离子浓度，结果显示最终透析过程可去除96.7％以上的NH4 +和99％以上的NO3 -。
实施例11
配制同体积的0.6摩尔/升四水硝酸钙水溶液和0.36摩尔/升磷酸氢二铵水溶液，将四水硝酸钙水溶液用氨水调好pH值9，并按照钙锶摩尔比为10∶0.6在四水硝酸钙水溶液加入硝酸锶，按照钙氟摩尔比为10∶0.5在磷酸氢二铵水溶液加入氢氟酸，然后通过恒流泵把磷酸氢二铵水溶液缓慢的滴加到四水硝酸钙水溶液中，维持油浴60℃，滴加结束后，继续维持油浴温度和匀速搅拌4小时，然后取出样品，置入已经处理过的透析袋中，再将透析袋两头封闭放在搅拌的去离子水中透析4次，第一次和第二次透析15分钟换去离子水，之后每次透析30分钟换去离子水，并在透析袋重新放入新换的去离子水中的1分钟内往透析袋外液通入1.5伏直流电压。透析结束后打开透析袋取出样品，在真空干燥箱里处理24小时，最后取出碾磨成粉，得到纳米磷灰石粉体。
在透射电镜下观测该材料为长约80纳米的针状晶体，且分散较好。分析透析过程中膜内外离子浓度，结果显示最终透析过程可去除98％以上的NH4 +和99％以上的NO3 -。
实施例12
配制同体积的0.5摩尔/升氯化钙水溶液和0.3摩尔/升磷酸氢二铵水溶液，将氯化钙水溶液用氨水调好pH值8.5，并按照钙锌摩尔比为10∶0.5在氯化钙水溶液加入氯化锌，按照钙氟摩尔比为10∶1在磷酸氢二铵水溶液加入氟化铵，然后通过恒流泵把磷酸氢二铵水溶液缓慢的滴加到氯化钙水溶液中，维持油浴60℃，滴加结束后，继续维持油浴温度和匀速搅拌4小时，然后取出样品，置入已经处理过的透析袋中，再将透析袋两头封闭放在搅拌的去离子水中透析4次，第一次和第二次透析15分钟换去离子水，之后每次透析30分钟换去离子水，并在透析袋重新放入新换的去离子水中的1分钟内往透析袋外液通入1.5伏直流电压。透析结束后打开透析袋取出样品，在真空干燥箱里处理24小时，最后取出碾磨成粉，得到纳米磷灰石粉体。
在透射电镜下观测该材料为长约100纳米的针状晶体，且分散较好。分析透析过程中膜内外离子浓度，结果显示最终透析过程可去除96.7％以上的NH4 +和97.6％以上的Cl-。

Claims (5)

1.一种纳米磷灰石粉体材料的制备方法，其特征在于所述的纳米磷灰石粉体材料的制备方法的纯化工艺用透析分离纯化取代常规的水洗及抽滤纯化过程，其制备步骤如下：
步骤1、按照所要制备的磷灰石的钙磷比，用四水硝酸钙，或一水乙酸钙，或氯化钙，或氢氧化钙配制浓度为0.01-1摩尔/升的钙盐水溶液，用磷酸，或磷酸氢二铵、或磷酸二氢铵配制浓度为0.006-0.6摩尔/升的磷盐水溶液，或者在钙盐水溶液中添加改性阳离子锶或锌，在磷盐水溶液中添加改性阴离子氟，所添加的改性阳离子摩尔量按照该磷灰石中钙离子被取代摩尔量计算、所添加的改性阴离子的摩尔量按照该磷灰石中羟基的被取代摩尔量计算，用氨水将添加或没添加改性阳离子锶或锌的钙盐水溶液调至pH值7.0-12，保持搅拌状态，恒温60-90℃；
步骤2、通过恒流泵将步骤1配好的磷盐水溶液缓慢滴加到钙盐水溶液中，适时向钙盐水溶液补充氨水，保持恒定pH值7.0-12；
步骤3、在步骤2滴加完磷盐水溶液后，将混合液维持搅拌状态，在60-90℃恒温3-5小时；
步骤4、将步骤3恒温搅拌3-5小时后的混合液取出装入透析袋用去离子水透析3-5次，每次透析15-30分钟后更换去离子水，在透析袋重新放入新换的去离子水中后，往透析袋外液通入可调直流电压≥1.5伏特；
步骤5、在步骤4进行完后打开透析袋取出产物，进行真空干燥处理，得纳米磷灰石；
步骤6、将步骤5干燥好的纳米磷灰石，碾磨，即得纳米磷灰石粉体材料。
2、如权利要求1所述的纳米磷灰石粉体材料的制造方法，其特征在于所述的在钙盐水溶液中添加的改性阳离子锶或锌离子的摩尔比为钙∶锶或锌＝10∶001-10。
3、如权利要求1所述的纳米磷灰石粉体材料的制造方法，其特征在于所述的在磷盐水溶液中添加改性阴离子氟的摩尔比为钙∶氟＝10∶0.01-2。
4、如权利要求1所述的纳米磷灰石粉体材料的制造方法，其特征在于在透析袋重新放入新换的去离子水中后，1分钟内往透析袋外液通入可调直流电压≥1.5伏特。
5、如权利要求1所述的纳米磷灰石粉体材料的制造方法，其特征在于透析过程结束后取出的产物直接进行真空干燥处理，不需再次经过在去离子水中分散以及离心处理，干燥时间≥24小时。
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