CN100999313A

CN100999313A - 一种制备羟基磷灰石的新方法

Info

Publication number: CN100999313A
Application number: CN 200610023324
Authority: CN
Inventors: 黄文旵; 王德平; 周萘
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2007-07-18

Abstract

本发明将具有一定形状的玻璃体浸泡在溶液中，调节溶液的pH＞7，经不断搅拌，于玻璃表面沉积纳米尺寸的羟基磷灰石。当玻璃全部溶解后，在玻璃的原位上形成外观与玻璃尺寸相同的羟基磷灰石形体。可溶性玻璃的网络构成体氧化物是B₂O₃或P₂O₅或两者兼有，或部分地兼有SiO₂。玻璃网络的间隙氧化物除有CaO之外，还含有一种或一种以上的其它一价、二价、三价、四价金属氧化物，以调节玻璃的溶解度速度。该工艺设备简单，容易操作，成本低廉。在接近人体体温的温度下，含钙玻璃颗粒与人体的体液中的磷能形成更接近人骨组织中的无机矿物组分——碳酸羟基磷灰石。因此，该法在制备硬组织修复材料和体外骨组织培养骨细胞的支架材料等方面有广阔的应用。

Description

一种制备羟基磷灰石的新方法

技术领域

本发明属于生物材料领域，涉及制备可用于组织工程中骨细胞生长的主要支架材料的方法。

背景技术

羟基磷灰石是人体和动物体骨骼、牙齿的重要无机矿物质组成部分，具有良好的生物相容性和生物活性，能与人体或动物体的骨组织形成很强的化学键合。在体液的作用下，会发生部分降解与吸收，沥析出部分钙和磷离子，并被人体或动物体组织吸收、利用。生长出新的组织，从而产生骨组织传导作用，因此，人工合成羟基磷灰石在硬组织的修复与替代领域中具有重要的地位。

合成羟基磷灰石有溶胶-凝胶法、酸碱反应法、气溶胶分解法等。例如中国专利97103827.9，93120052.0，20033310105951.7分别公开了这些方法，美国专利6254855，5273964以及4097935也披露了各种合成羟基磷灰石的方法。但是，这些方法尚有不尽人意之处：有的需要昂贵的原料，例如溶胶-凝胶法，有的难以控制尺寸和尺寸的均匀度，例如共沉淀法；有的需要比较精密的设备，例如气凝胶分解法。由于高科技生物工程的迅速发展，需要寻找一种成本低廉，简便可行的生产羟基磷灰石的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备羟基磷灰石的新方法，克服现有技术的上述缺点。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：采用价格低廉的化学原料，制成具有一定形状的可溶性含钙玻璃，将玻璃体浸泡在溶液中，调节溶液的PH＞7，经不断搅拌，于玻璃表面沉积出尺寸均匀的纳米羟基磷灰石。当玻璃全部溶解后，在玻璃的原位上形成外观与玻璃尺寸相同的羟基磷灰石形体。

进一步，由可溶性含钙玻璃体与含磷溶液，在常压(0.1Mpa)～4Mpa的压力下，在0℃～250℃的温度范围内反应，生成羟基磷灰石，并构成确定形状的块体。其中所说的可溶性含钙玻璃是指以B₂O₃或P₂O₅为玻璃网络主体的含钙玻璃；其中所说的含磷溶液是指含(PO₄)^3-以及各种磷酸的酸式盐溶液；其中所说的确定形状是指具有与反应前的玻璃体相同的尺寸和相同的形状的羟基磷灰石块体。

该玻璃网络的构成体可以分别是B₂O₃或P₂O₅；也可以是以B₂O₃或/和P₂O₅为主，并包括SiO₂或/和其它网络氧化物；在玻璃组成中，网络体氧化物的总的分子含量为30～90mol％。

该玻璃网络构成体的网络间隙离子包括以下任意一种或一种以上类型的离子：一价碱金属离子或过渡金属离子、二价碱土金属离子或过渡金属离子、三价的过渡金属离子或稀土金属离子、四价的过渡金属离子或稀土金属离子；在玻璃组成中，网络间隙氧化物的总的分子含量为5～80mol％。

在玻璃组成中CaO的分子含量为5～60mol％。

该含磷溶液包括医用的磷酸盐缓冲溶液PBS、人体生理模拟液BSF，以及各种磷酸盐及其酸式盐溶液，其磷在溶液中的质量比mass％＜5mass％，其PH≥7，在与含P2O5玻璃反应过程中，P2O5溶出，形成次生的含磷溶液。

该在反应溶液为生理盐水，或其组成接近与生理盐水的无磷溶液中，玻璃中的磷被溶解出来，使反应溶液转变为含磷溶液，即为次生含磷溶液，其化学本质与含磷溶液一样。

选择的反应压力是与人体所处环境压力接近，即为常压(0.1MPa)。

选择的反应温度是与人体体温接近，为30～45℃。

生成的羟基磷灰石是指磷灰石族，即在它的固溶体中，也包括了在羟基磷灰石Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂中的各种离子取代。

Ca可以被Mg或Sr或Ba部分取代，(PO₄)或(OH)被(CO₃)部分取代，成为更接近人体骨组织的无机矿物成份。

反应前，玻璃的形状可以是纤维状，或微珠状，或柱体状，或立方体状。

在反应数小时后，表面开始有白色沉淀物，在3～30天之后，玻璃完全溶解，在PH＞9.0时，沉淀物可以形成较为完整的羟基磷灰石晶体。

由于采用了上述方案，本发明具有以下优点：所提及的可溶性含钙玻璃，不仅具有生物相容性，而且在人体的体液中能形成羟基磷灰石，具有生物活性，更重要的是在人体体液中，最终可以完全溶解，具有其它生物玻璃不具备的生物降解和吸收作用。此类可溶性玻璃材料，可以作为组织工程中骨细胞生长的主要支架材料。

不需要特别的仪器与设备，也不需要昂贵的原料，采用含钙的可溶性玻璃，通过普通的固相与液相反应的方法，使玻璃与含磷溶液反应，便可制备出具有更好的生物活性，与人体骨组织的无机矿物成分更相似的碳酸磷灰石Ca₁₀(PO₄，CO₃)₆(OH，CO₃)₂，因此该法比其它方法更具备不可比拟的优点。

附图说明

图1(a)：

反应前的玻璃微球，其外形尺寸约为100微米。

(b)：

反应后玻璃全部溶解，形成中空羟基磷灰石微球，其外形尺寸约为100微米。

图2：

对中空微球的X射线衍射分析，获得的谱线说明此中空微球的晶相为Ca₁₀₍PO₄)₆(OH)₂，是中空羟基磷灰石微球。

图3：

对中空羟基磷灰石微球的电子显微镜观察，球壁由球状颗粒组成，其颗粒的直径约为100纳米。

图4：

反应后，玻璃转换成白色颗粒，对白色颗粒进行X射线衍射分析，获得的谱线说明此颗粒含有的晶相为Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂。

图5：

反应后，玻璃转换成白色颗粒，对白色颗粒进行红外光谱分析，其谱形和振动吸收峰位置，表现出羟基磷灰石的特征。在波数为780cm^-1处和1670cm^-1处均出现CO₃ ^2-离子团振动吸收峰，说明此白色颗粒为碳酸羟基磷灰石。

图6：

反应后，玻璃转换成白色颗粒，对白色颗粒的进行显微观察，其柱状的晶体无规则地分布于整个观察区，柱状的直径仅只有数十纳米，说明该白色颗粒是由纳米羟基磷灰石组成。

具体实施方式

与其它湿法制备羟基磷灰石的方法不同，本方法的制备过程是先用各种初始原料制备成含钙玻璃。该玻璃在溶液中有较大的溶解性能，在含磷溶液中，无论磷含量的多少，(例如医用磷酸盐缓冲溶液，人体生理模拟液，甚至在不含磷的生理盐水的反应液中，玻璃中的磷被溶解出来，其反应液，由无磷溶液，转变为含量磷溶液，即次生含磷溶液)，当溶液的PH＞7时，在37℃的条件下，可在玻璃表面形成羟基磷灰石。也就是说在人体的生理环境下，该玻璃能溶解，并能形成羟基磷灰石，是该法的第一个特点。其二是，由于玻璃在溶液中的溶解速度可以由玻璃的组成所控制，而形成羟基磷灰石的尺寸是由溶液中的磷与钙达到过饱和度的速度所决定，所以，设计了玻璃的组成就间接地决定了在溶液中形成羟基磷灰石的尺寸。本方法所设计的可溶性玻璃的溶解速度很慢，因此，用这种方法很容易地获得纳米尺寸的羟基磷灰石，是该法的第二个特点。此外，该反应可以在室内空气中进行，空气中有部分CO₂溶解在溶液中，对于人体生理模拟液，已存在一定量的CO₃ ^2-离子团，所以该法所制备的羟基磷灰石往往含有CO₃ ^2-离子团，成为碳酸羟基磷灰石。由于上述三特点，本发明方法在人体的生理环境下，能够制备纳米碳酸羟基磷灰石，在尺寸、结构和组成上更接近人体骨组织的无机矿物成分。

本制备羟基磷灰石的方法是以可溶性含钙玻璃作为直接原料，在与人体组织相类似的含磷溶液反应过程中，生成了羟基磷灰石。可溶性含钙玻璃是由B₂O₃或P₂O₅或另有少量SiO₂组成的玻璃网络，该类型玻璃主要是由硼三面体(或少量硼四面体)，磷三面体(或双键断裂后成磷四面体)所组成，它们在空间的连接程度有限，易于形成断键，具有很高程度的化学活性，甚至可以在PH＝7的水溶液中被OH^-或H⁺离子侵蚀，形成水化离子，空间网络被溶解，随即网络的间隙离子被沥析出来。玻璃内部的钙，尚未来得及沥析出来，刚达到玻璃表面时，磷与钙就达到了过饱和度，形成了难以溶解的羟基磷灰钙。溶液中的碳酸根也参与难溶的沉淀之中形成碳酸羟基磷灰石。在有固定形状的玻璃中，钙在原位上形成难溶的羟基磷灰石，因此形成羟基磷灰石的形状与原先的玻璃形状相同。外部玻璃溶解后，形成羟基磷灰石层，溶液透过此层，对内部的玻璃进一步侵蚀，又在内部引起新的一层羟基磷灰石层，此过程反复进行，直至玻璃全部溶解，全部都转化为羟基磷灰石为止。

为了调节玻璃的溶解速度，达到控制羟基磷灰石晶体生长尺寸的目的，除以B₂O₃或P₂O₅为玻璃网络主体之外，还可以引进少量的SiO₂或其它玻璃网络体氧化物，改变玻璃网络的紧密程度，从而改变玻璃在溶液中的溶解速度。同时，网络间隙离子对玻璃溶解速度也有一定的影响。此外，在玻璃中引进碱土氧化物，稀土金属氧化物、氟化物等，形成羟基磷灰石的各类固溶体，以要适应人体不同部位的羟基磷灰石成分的需要。

制备方法：

将具有一定形状的可溶性含钙玻璃颗粒(球状、纤维状、柱状、片状、立方体状或无规则形状)浸泡在含磷溶液中(磷的浓度小于5wt％)。例如在医用磷酸盐缓冲溶液、人体生理模拟液或磷酸盐(含各种磷酸酸式盐)溶液中，将溶液调整到PH＞7(PH＝9～10为最佳)。在0℃～250℃之间，(37℃为最佳)，在常压(0.1MPa)～4Mpa条件下，不断搅拌4～96小时之后，在玻璃表面出现白色沉淀，随着时间的推延，玻璃颗粒逐渐被溶解，最终在溶液中形成与玻璃初始形状完全相同的颗粒。用X射线衍射分析(XRD)仪对获得的产物进行验证，表征获得的晶相是否为羟基磷灰石；用电子显微镜(SEM)观察块体中晶粒的大小；用红外光谱分析仪(FTIR)分析是否为含有CO₃ ^2-离子团的羟基磷灰石。

实例介绍：

1.中空羟基磷灰石微球的制备

取分子组成为10Li₂O-15CaO-75B₂O₃的玻璃，粉碎后，制得直径为100～150微米的透明玻璃微珠，浸泡在浓度为0.25mol·L^-1的K₂HPO₄溶液中(PH＝11～12)，在常压下，在37℃的恒温水浴中使微球与溶液反应，并不断搅拌，反应时间为2天，反应后过滤出产物，用蒸馏水漂相洗，在90℃下干燥，获得外形尺寸相同的白色中空微球(见图1)。经XRD分析，此中空微球的晶相为羟基磷灰石(见图2)，SEM观察，其中粉状晶体，其直径约为近100纳米(见图3)。

2.纳米碳酸羟基磷灰石的制备

取分子组成为24.4Na₂O-26.9CaO-30.7B₂O₃-15.4SiO₂-2.6P₂O₅玻璃，在37℃时，在常压下将其粉碎成150～300微米玻璃颗粒，浸泡在磷酸盐缓冲溶液中(PH＞7)，不断搅拌，在4天后，透明的玻璃颗粒徐徐地变为白色不透明的颗粒，过滤出白色颗粒，经XRD分析，这些颗粒的晶相为羟基磷灰石(见图4)，红外光谱分析(见图5)证实在羟基磷灰石中存在CO₃ ^2-离子团，说明已形成了碳酸羟基磷灰石，对颗粒作SEM观察(见图6)，可以观察到这些柱状晶体的直径仅只有几十纳米。由于此玻璃组成中含有SiO₂，玻璃结构网络比无SiO₂的要紧密，溶解反应速度比实施例1的慢，获得的羟基磷灰石晶体的尺寸比实实例1的要小。由此可见，通过改变玻璃组成，能改变羟基磷灰石晶体的尺寸。

鉴于本发明的特点，它可以形成完全类似于人体骨组织的无机矿物成分，纳米羟基磷灰石，它与骨细胞有很好的亲和性，所以本方法可以应用于制备组织工程的支架材料，可以将此可溶性玻璃用于硬组织缺损修复材料，或体外骨组织培养用的骨细胞生长的支架材料。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种制备羟基磷灰石的新方法，其特征在于：先制成具有一定形状的可溶性含钙玻璃，将玻璃体浸泡在溶液中，调节溶液的PH＞7，经不断搅拌，于玻璃表面沉积出尺寸均匀的纳米羟基磷灰石；当玻璃全部溶解后，在玻璃的原位上形成外观与玻璃尺寸相同的羟基磷灰石形体。

2.根据权利要求1所述的制备羟基磷灰石的新方法，其特征在于：由可溶性含钙玻璃体与含磷溶液，在0.1Mpa～4Mpa的压力下，在0℃～250℃的温度范围内反应，生成羟基磷灰石，并构成确定形状的块体；其中所说的可溶性含钙玻璃是指以B₂O₃或P₂O₅为玻璃网络主体的含钙玻璃；其中所说的含磷溶液是指含(PO₄)^3-以及各种磷酸的酸式盐溶液；其中所说的确定形状是指具有与反应前的玻璃体相同的尺寸和相同的形状的羟基磷灰石块体。

3.根据权利要求2所述的制备羟基磷灰石的新方法，其特征在于：该玻璃网络的构成体可以分别是B₂O₃或P₂O₅；也可以是以B₂O₃或/和P₂O₅为主，并包括SiO₂或/和其它网络氧化物；在玻璃组成中，网络体氧化物的总的分子含量为30～90mol％。

4.根据权利要求2所述的制备羟基磷灰石的新方法，其特征在于：该玻璃网络构成体的网络间隙离子包括以下任意一种或一种以上类型的离子：一价碱金属离子或过渡金属离子、二价碱土金属离子或过渡金属离子、三价的过渡金属离子或稀土金属离子、四价的过渡金属离子或稀土金属离子；在玻璃组成中，网络间隙氧化物的总的分子含量为5～80mol％。

5.根据权利要求1所述的制备羟基磷灰石的新方法，其特征在于：在玻璃组成中CaO的分子含量为5～60mol％。

6.根据权利要求1所述的制备羟基磷灰石的新方法，其特征在于：该含磷溶液包括医用的磷酸盐缓冲溶液PBS、人体生理模拟液BSF，以及各种磷酸盐及其酸式盐溶液，其磷在溶液中的质量比mass％＜5 mass％，其PH≥7，在与含P₂O₅玻璃反应过程中，P₂O₅溶出，形成次生的含磷溶液。

7.根据权利要求1所述的制备羟基磷灰石的新方法，其特征在于：该在反应溶液为生理盐水，或其组成接近于生理盐水的无磷溶液中，玻璃中的磷被溶解出来，使反应溶液转变为含磷溶液，即为次生含磷溶液，其化学本质与含磷溶液一样。

8.根据权利要求1所述的制备羟基磷灰石的新方法，其特征在于：选择的反应压力是与人体所处环境压力接近，即接近常压0.1MPa。

9.根据权利要求1所述的制备羟基磷灰石的新方法，其特征在于：选择的反应温度是与人体体温接近，为30~45℃。

10.根据权利要求1所述的制备羟基磷灰石的新方法，其特征在于：生成的羟基磷灰石是指磷灰石族，即在它的固溶体中，也包括了在羟基磷灰石Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂中的各种离子取代。

11.根据权利要求9所述的制备羟基磷灰石的新方法，其特征在于：Ca可以被Mg或Sr或Ba部分取代，(PO₄)或(OH)被(CO₃)部分取代，成为更接近人体骨组织的无机矿物成份。

12.根据权利要求1至11中任一所述的制备羟基磷灰石的新方法，其特征在于：反应前，玻璃的形状可以是纤维状，或微珠状，或柱体状，或立方体状。

13.根据权利要求1至11中任一所述的制备羟基磷灰石的新方法，其特征在于：在反应数小时后，表面开始有白色沉淀物，在3～30天之后，玻璃完全溶解，在PH＞9.0时，沉淀物可以形成较为完整的羟基磷灰石晶体。