CN100391901C - 两步化学沉淀法制备硅酸钙/β－磷酸三钙纳米复合粉体的方法 - Google Patents
两步化学沉淀法制备硅酸钙/β－磷酸三钙纳米复合粉体的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及两步化学沉淀法制备硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体的方法，属生物医用材料领域；其特征在于，采用可溶性的硅酸钠、硝酸钙、磷酸氢二铵和氨水等物质为原料；先以硅酸钠和硝酸钙为原料经化学沉淀制备得到硅酸钙纳米纤维粉体，将制备得到的硅酸钙纳米纤维粉体分散于溶有磷酸氢二铵的水溶液中，调节pH值得到悬浮液，将硝酸钙水溶液滴入悬浮液中发生二次化学沉淀反应生成磷酸三钙沉淀，洗涤并于780-1000℃煅烧后，即可得到分散均匀的、颗粒尺寸约10-100纳米的硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体；同时，本发明具有容易调控硅酸钙和β-磷酸三钙的复合比例、制备工艺简单易行、成本低廉且便于推广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种两步化学沉淀法制备硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体的方法，属生物医用材料领域。
背景技术
无机生物医用硬组织修复和替换材料方面主要有钙-磷基生物材料和钙-硅基生物材料。其中钙-磷基生物材料研究已经有很长的历史。过去的研究发现在钙-磷基材料中羟基磷灰石具有较好的生物活性，但降解性差，而β-磷酸三钙类生物材料降解性较好但生物活性低。近年来钙-硅基生物材料如生物活性玻璃和硅酸钙类材料则由于其优良的生物活性和降解性而越来越受到重视。除了材料的组成之外，材料的结构、复合材料的微观结构、复合方式和复合均匀性也很大程度上影响材料的强度、生物活性，从而直接影响到材料的临床应用。
20世纪80年代日本的Kokubo等人(J.Mater.Sci.，1986，21：536)研究出的A-W玻璃是一种在玻璃相中析出磷灰石和硅酸钙两种晶相的玻璃陶瓷。该材料具有较好的机械力学性能和生物活性但不能降解。Kokubo等人的研究也证实，在模拟体液中CaO-SiO2基玻璃表面能形成类骨羟基磷灰石层，而CaO-P2O5基玻璃表面没有类骨羟基磷灰石形成。Punnama等人(J.Biomed.Mater.Res.，2000，52：30)首次制备了致密的硅酸钙生物陶瓷，并发现在模拟体液中硅酸钙陶瓷表面类骨羟基磷灰石的形成速度非常快，具有非常好的生物活性。本申请的发明人的先前研究也表明硅酸钙生物材料具有良好的生物活性、降解性和力学强度，并可以制成适合于组织损伤修复用的多孔硅酸钙生物陶瓷(中国专利号：ZL02137248.9)。类骨羟基磷灰石的形成有利于促进生物材料的骨传导和骨再生，并促进材料同软/硬组织形成紧密的化学键合作用。此外，硅酸钙组分在降解过程中释放出的硅离子还可以激活细胞、并刺激骨细胞增殖和分化的基因表达作用(Biomaterials 2004，25：2941)。然而，单相陶瓷的降解性是一定的，并与组织再生的速度不匹配。在许多情况下无法满足组织损伤修复的要求。通过降解性不同的生物材料的组合则可以根据要求调控材料的降解性。因此通过β-磷酸三钙和硅酸钙的复合，有可能制备出生物活性和降解性等综合性能良好的新型复合生物陶瓷材料，从而制备出性能更理想的硬组织修复和组织工程支架材料。例如，西班牙圣地亚哥大学的P.N.de Aza(Biomaterials，1997，18：1285)将硅酸钙和磷酸三钙混合并置于白金坩埚中加热到1500℃，得到均匀的液相，然后以3℃/min的速度降至1410℃，再以0.5℃/h的速度降至1390℃。由此制备出含有硅酸钙和磷酸三钙共熔体结构的复合生物陶瓷材料。该材料在模拟体液和人体唾液浸泡实验中具有很好的类骨羟基磷灰石形成能力。但是，这种方法有如下缺点：陶瓷的烧结过程中由于温度较高(1390-1500℃)，时间较长(大于40小时)，所以制备过程能耗大、成本高。同时，由于材料在1390-1500℃的高温下煅烧，导致其中的β-磷酸三钙成分不可避免地全部转化为α-磷酸三钙，而α-磷酸三钙由于其降解速度过快，从而在临床应用中受到限制。黄翔等人(中国专利号：ZL 02110847.1)用化学方法制备出硅酸钙/磷酸三钙复合粉体，其采取的工艺路线是先制备出β-磷酸三钙粉体，然后将β-磷酸三钙粉体分散于含钙离子的水溶液中，形成悬浮液，之后在搅拌下将含硅的水溶液加入到上述悬浮液中，生成硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体的前驱物，最后洗涤、烘干、煅烧后得到硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体。之后，将制备得到的复合粉体干压并等静压成型后于1300-1400℃下煅烧制得硅酸钙/磷酸三钙复合的生物活性复合陶瓷材料。该工艺制备得到的复合粉体的晶粒尺寸为几个微米尺度、其烧结活性非常差、得到的烧结体的强度也较差。此外，在制备复合陶瓷时，在1300-1400℃下进行烧结，这种烧结温度远大于硅酸钙和β-磷酸三钙的烧结温度，并不可避免地导致其中的β-磷酸三钙成分的物相全部转化为α-磷酸三钙物相，正如上面已经描述的α-磷酸三钙降解速率过快，从而限制了该类材料在临床中的应用。目前，复合陶瓷粉体的常规的一种制备方法是：先制备出各种单一组成的陶瓷粉体；之后，按设计比例将不同的粉体混合并应用机械球磨的方法进行混料，从而制备出复合陶瓷粉体。这种机械球磨混料的方法虽然工艺简单，但致命缺点是：首先，要制备出不同的单一陶瓷粉体，每种单一的陶瓷粉体的制备过程都需要复杂、繁琐的洗涤、过滤、干燥、煅烧等工艺；其次应用机械球磨混料法必须引入球磨介质，通常的球磨介质是氧化铝或氧化锆等物质，因此球磨混料过程中极易引入作为球磨介质的杂质，而生物材料领域对材料的纯度要求又非常高，所以，球磨混合工艺是一种非理想的制备生物材料的工艺技术，而且球磨法得到的复合粉体的复合程度通常不是非常均匀。所以，由于粉体的复合程度不均匀、烧结活性不好、烧结过程中温度过高导致的相变等原因，导致制备得到的复合陶瓷的力学强度不好，影响了更广泛的临床应用，特别是在力学承载要求较高的场合下受到限制等缺点。
纳米复合粉体由于具有晶粒细小、比表面积大，其烧结活性比常规的微米和亚微米尺度的复合粉体好得多，容易得到致密的、且晶粒细小的陶瓷材料。研究表明，高强度的陶瓷材料基本要求是高密度和细晶粒。因此应用纳米粉体作为烧结体的起始粉体，有可能获得较好力学强度的陶瓷材料。可见，开发一种工艺技术简单、成本低廉、分散均匀和烧结活性良好的方法制备硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体，并且可以容易地调控材料的复合比例、从而改善粉体的烧结行为和力学性能的工艺技术具有非常重要的意义。从而构思出本发明的目的，以克服上面所述的文献和专利文献报道的方法以及常规通用的机械球磨混料方法的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种两步化学沉淀法制备硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体的方法。使用本发明提供的方法制备的复合粉体晶粒尺寸分布均匀、硅酸钙和β-磷酸三钙复合均匀、成本低廉、且复合比例可控。制备出的硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体具有良好的烧结活性。用本发明提供的制备方法可以根据实际需要，调节复合粉体中硅酸钙和β-磷酸三钙的复合比例，从而改变其生物活性、降解性和力学强度。通过调节材料中硅酸钙和β-磷酸三钙的含量，可以调控该类复合纳米粉体烧结得到的复合陶瓷材料在人体模拟体液中浸泡时表面沉积形成类骨羟基磷灰石的速度，进而调控材料的生物活性，以及降解速率和力学强度。
本发明以廉价易得的Na2SiO3、Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4等可溶性化学物质为原料，采用两步化学沉淀法工艺：先按一定的比例，分别配制成一定浓度和pH值的Ca(NO3)2澄清水溶液、Na2SiO3澄清水溶液和(NH4)2HPO4澄清水溶液；然后先以Na2SiO3水溶液和Ca(NO3)2水溶液为原料经化学沉淀反应制备得到硅酸钙纳米纤维粉体，将制备得到的硅酸钙纳米纤维粉体分散于含有(NH4)2HPO4的水溶液中，调节pH值得到悬浮液，将Ca(NO3)2澄清水溶液滴入悬浮液中发生二次化学沉淀反应生成磷酸三钙沉淀。将二次沉淀反应后的混合沉淀物在780-1000℃下煅烧，即可得到硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体。采用此方法合成得到的硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体的晶粒尺寸细小均匀、颗粒尺寸约为10-100纳米、分散性良好，且复合比例可以较精确地控制调节于5∶95-95∶5(质量比)之间。
应用本发明的方法制备得到的纳米复合粉体同文献报道的方法对比，有诸多优点：制备工艺简单易行、成本低廉且便于推广；复合粉体的分散性良好、晶粒尺寸细小；复合比例可控；制备得到的纳米复合粉体具有更好的烧结活性。
应用本发明方法制备得到的硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体，可以用于硬组织缺损修复材料、体外组织培养载体材料等方面的制备。
本发明具体实施工艺步骤
本发明专利发明了硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体的两步化学沉淀法制备方法。其特征在于，以廉价易得的可溶性Na2SiO3、Ca(NO3)2、(NH4)2HPO4、氨水、氢氧化钠和氢氧化钾等化学物质为原料，去离子水为溶剂，采用两步化学沉淀法工艺。按照硅酸钙和β-磷酸三钙的复合比例，分别配制成Ca2+、SiO3 2-和PO4 3-离子浓度范围为0.05-2.O摩尔/升Ca(NO3)2水溶液、Na2SiO3水溶液和(NH4)2HPO4水溶液，并用氨水溶液(或氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液)调节Ca(NO3)2水溶液、Na2SiO3水溶液和(NH4)2HPO4水溶液的pH值并保持于10-12之间。之后按两步化学沉淀法工艺制备硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体：即第一步先化学沉淀制备硅酸钙纳米粉体，按复合粉体中硅酸钙的含量将Ca(NO3)2水溶液滴入搅拌状态下的Na2SiO3水溶液中，生成白色沉淀物，将沉淀物继续搅拌陈化10-48小时、过滤、洗涤、烘干后于600-800℃煅烧后得到直径为2-10纳米的硅酸钙纳米纤维状粉体，将制备得到的硅酸钙纳米纤维状的粉体分散于含有(NH4)2HPO4的水溶液中，调节pH值10-12，从而得到悬浮液，将含有澄清的Ca(NO3)2水溶液滴入上述悬浮液中发生二次化学沉淀反应生成磷酸三钙沉淀。将二次沉淀反应后的混合沉淀物继续搅拌10-48小时、过滤、洗涤、烘干后，在780-1000℃下煅烧，即可得到分散均匀的硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体。所述烘干温度为60-150℃，是在抽干后再烘干的，PH值是采用氨水、KOH或NaOH中一种进行调节的。采用方法合成得到的硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体的晶粒尺寸约10-100纳米、且分散性良好。本发明方法制备得到的硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体具有复合均匀的、颗粒尺寸细小均匀、烧结活性良好，且复合比例可控等特点。
总之，本发明方法具有硅酸钙和β-磷酸三钙的复合比例可控、分散均匀、晶粒尺寸细小(约10-100纳米)、烧结活性良好、成本低廉、工艺简单且易于推广的特点。
表1为应用本发明方法制备得到的复合比例为50∶50(质量比)的硅酸钙/β-磷酸三钙的纳米复合粉体的化学组成(质量百分含量)。可见，制备得到的粉体的化学组成同理论值吻合得很好。说明，应用本发明提供的方法可以很好地设计并合成得到预设比例的硅酸钙/β-磷酸三钙的纳米复合粉体。
表1
*括号内的数据为理论值。
附图的说明
通过下面的结合附图对本发明所做的详细说明，可以更好地理解上文所述内容。
其中，
图1为本发明提供的两步化学沉淀法制备硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体的工艺流程图。
图2为本发明中的第一步化学沉淀法制备得到的硅酸钙纳米纤维(750℃煅烧后)。由图可见，制备得到的硅酸钙纳米纤维的直径约2-4纳米、长度约100纳米。所用照片为用透射电镜(TEM；JEM2010，JEOL，Japan)观测得到的。
图3为用本发明制备的硅酸钙/β-磷酸三钙的SEM照片。3A、3B和3C分别为应用本发明方法制备得到的复合比例为30∶70、50∶50和70∶30(质量比)的硅酸钙/β-磷酸三钙的纳米复合粉体的扫描电镜图片。由图可见，制备得到的复合粉体的尺寸约10-100纳米，复合粉体的颗粒尺寸分布非常均匀，且分散性良好。所用照片为用扫描电镜(FESEM；JSE-6700F，JEOL，Japan)观测得到的。
图4为应用本发明方法制备得到的复合比例为50∶50(质量比)的硅酸钙/β-磷酸三钙的纳米复合粉体的XRD图谱。由图可见，制备得到的纳米复合粉体是由β-磷酸三钙和β-硅酸钙物相组成。
具体实施方式
下面通过介绍本发明的实施例，以进一步阐明本发明实质性特点和显著的进步，但本发明决非限于实施例。
实施例1
取40.72克的Ca(NO3)2·4H2O溶于1000mL去离子水中，并用1∶1的氨水调节到pH＝11，将49.00克的Na2SiO3·9H2O溶于1000mL去离子水中得Na2SiO3水溶液。将上述的Ca(NO3)2溶液滴加到Na2SiO3溶液中，加料过程用1∶1的氨水溶液保持反应体系的pH值为11，加毕继续搅拌24小时，过滤、用去离子水和无水乙醇洗涤、滤于、于80℃烘干12小时得到干粉体，将干粉体在750℃煅烧2小时，得到白色硅酸钙粉体。将上述制备得到的硅酸钙粉体分散于1000mL溶解有17.04克的(NH4)2HPO4的水溶液中，搅拌得到悬浮液；将pH为11.0的1000mL并溶有45.71克的Ca(NO3)2·4H2O水溶液逐滴加入上述悬浮液中，加料过程用1∶1的氨水溶液保持反应体系的pH值为11，加毕继续搅拌24小时，过滤、用去氨水和无水乙醇洗涤、滤干、于80℃烘干12小时得到干粉体，将干粉体在800℃煅烧2小时，得到质量百分比为50∶50的均匀复合的硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体。制备得到的纳米复合粉体的形貌如图3B所示颗粒尺寸约30纳米，物相图如图4所示；化学组成(质量百分比)为：CaO 51.16％、SiO2 25.54％、P2O5 23.03％，而理论值分别为CaO 51.23％、SiO2 25.86％、P2O5 22.90％。可见，制备得到的粉体的化学组成同理论值吻合得很好。
实施例2
取49.60克的Ca(NO3)2·4H2O溶于1500mL去离子水中，并用氢氧化钠水溶液调节到pH＝10.5，将59.39克的Na2SiO3·9H2O溶于1000mL去离子水中得Na2SiO3水溶液。将上述的Ca(NO3)2溶液加入到Na2SiO3溶液中，加料过程用氢氧化钠水溶液保持反应体系的pH值为10.5，加毕继续搅拌24小时，过滤、用去离子水和无水乙醇洗涤、滤干、于80℃烘干12小时得到干粉体，将干粉体在700℃煅烧2小时，得到白色硅酸钙粉体。将上述制备得到的硅酸钙粉体分散于1000mL溶解有48.44克的(NH4)2HPO4的水溶液中，搅拌得到悬浮液；将pH为10.5的1000mL并溶有129.93克的Ca(NO3)2·4H2O水溶液逐滴加入上述悬浮液中，加料过程用氢氧化钠水溶液保持反应体系的pH值为10.5，加毕继续搅拌24小时，过滤、用氨水溶液和无水乙醇洗涤、滤干、于80℃烘干12小时得到干粉体，将干粉体在900℃煅烧2小时，得到质量百分比为30∶70的均匀复合的硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体。粉体的形貌如图3A所示、颗粒尺寸约60纳米，物相和化学组成评价方法如实施例1。
实施例3
取86.80克的Ca(NO3)2·4H2O溶于1000mL去离子水中，并用1∶1的氨水调节到pH＝11，将103.94克的Na2SiO3·9H2O溶于1000mL去离子水中得Na2SiO3水溶液。将上述的Ca(NO3)2溶液逐滴加到Na2SiO3溶液中，加料过程用1∶1的氨水溶液保持反应体系的pH值为11，加毕继续搅拌24小时，过滤、用去离子水和无水乙醇洗涤、滤干、于80℃烘干12小时得到干粉体，将干粉体在750℃煅烧2小时，得到白色硅酸钙粉体。将上述制备得到的硅酸钙粉体强力分散于1000mL溶解有15.57克的(NH4)2HPO4的水溶液中，强力搅拌得到悬浮液；将pH为11.0的1000mL并溶有41.76克的Ca(NO3)2·4H2O水溶液逐滴加入上述悬浮液中，加料过程用1∶1的氨水溶液保持反应体系的pH值为11，加毕继续搅拌24小时，过滤、用去离子水和无水乙醇洗涤、滤干、于80℃烘干12小时得到干粉体，将干粉体在900℃煅烧2小时，得到质量百分比为70∶30的均匀复合的硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体。粉体的形貌如图3C所示、颗粒尺寸约50-80纳米、物相和化学组成评价如实施例1。
Claims (7)
1.一种硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体的制备方法，其特征在于采用两步化学沉淀方法，制备工艺过程是：
(a)以Na2SiO3、Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4为起始原料，分别配制成Ca2+、SiO3 2-和PO4 3-离子浓度范围为0.05--2.0摩尔/升的水溶液；调节并保持pH值为10-12；
(b)按复合粉体中硅酸钙含量先将Ca(NO3)2水溶液逐滴滴入搅拌状态下的Na2SiO3水溶液中，生成白色沉淀物，且将沉淀物继续搅拌、陈化；
(c)陈化后经过滤、洗涤、烘干后于600-800℃煅烧得到硅酸钙纳米粉体；
(d)按制备的复合粉体中磷酸三钙的含量，再将步骤(c)沉淀得到的纳米粉体，分散于步骤(a)制备的(NH4)2HPO4的水溶液中，调节pH值10-12得到悬浮液，再将Ca(NO3)2水溶液滴入悬浮液中发生二次化学沉淀反应，生成磷酸三钙沉淀；
(e)将步骤(d)所得到的混合沉淀物继续搅拌、经过滤、洗涤、在780℃-1000℃条件下煅烧，制成硅酸钙/磷酸三钙纳米复合粉体。
2.按权利要求1所述的硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体的制备方法，其特征在于步骤(b)中的搅拌陈化时间为10-48小时。
3.按权利要求1所述的硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体的方法，其特征在于由步骤(c)所得到硅酸钙纳米粉体呈纤维状，直径为2-10纳米。
4.按权利要求1所述的硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体的方法，其特征在于步骤(a)中Na2SiO3、Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4溶液的pH值是用氨水、氢氧化钠或氢氧化钾溶液调节的。
5.按权利要求1所述的硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体的方法，其特征在于步骤(d)中是用氨水、氢氧化钠或氢氧化钾溶液调节悬浮液pH值
6.按权利要求1所述的硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体的方法，其特征在于所制备的硅酸钙/磷酸三钙纳米复合粉体的直径为10-100纳米。
7.按权利要求1或5所述的硅酸钙/β-磷酸三钙纳米复合粉体的方法，其特征在于所制备的硅酸钙/磷酸三钙纳米复合粉体中硅酸钙和磷酸三钙的质量比范围为5∶95～95∶5。
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