CN101538028A

CN101538028A - 层状磷酸钙盐及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN101538028A
Application number: CN200910049369A
Authority: CN
Inventors: 祝迎春; 阮启超; 肖军武
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2009-09-23
Anticipated expiration: 2029-04-15
Also published as: CN101538028B

Abstract

本发明涉及层状磷酸钙盐及其制备方法和应用，具体来说，是一种生物大分子与表面活性剂诱导合成层状磷酸钙盐的方法，属于生物医学材料技术领域。本发明以可溶性钙盐和可溶性磷酸盐为原料，以生物大分子和表面活性剂为模板剂，制备得到的磷酸钙盐纳米片沿着特定的方向生长，形成层状结构。纳米片的长度为10～100μm，宽度为0.1～2μm，厚度为20～100nm。本发明有助于提高磷酸钙盐机械性能，扩展其在骨替代材料方面的应用，为高质量医用磷酸钙盐材料的获取及推广提供了新的可能。

Description

层状磷酸钙盐及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及层状磷酸钙盐及其制备方法，具体来说，涉及一种生物大分子与表面活性剂诱导合成层状磷酸钙盐的方法，属于生物医学材料技术领域。

背景技术

磷酸钙盐是脊椎动物中骨和齿的主要无机成分，如无水磷酸氢钙、二水磷酸氢钙、磷酸八钙和羟基磷灰石等。骨组织主要是由有机的骨基质与无机的骨盐框架所构成。无机结构的基本单元是磷灰石纳米晶体。它们或定向和卷曲排列，或相互缠结，构成多种超结构。不同超结构形成了骨组织在纳米尺寸上不同的功能单元，如束状结构和团聚结构适于承受高强度，而卷曲和束状交织结构具有很好的韧性，并有利于营养物的传递。钙化的火鸡肌腱就是其中一个典型的例子。在钙化的火鸡肌腱中，位于胶原质纤维内部和之间的羟基磷灰石纳米片沿着晶体c轴方向生长并整齐地叠加在一起。据报道具有这种超结构的钙化的火鸡肌腱具有优异的机械性能。

制备与生物体内组成和结构相类似的材料一直是仿生学研究的热点。随着对骨组织生物矿化过程的日益了解，越来越多的研究集中在体外如何制备出与骨组织的组成和结构相类似的材料。尽管已经付出巨大努力，但迄今为止，还不能在体外制备出与骨组织的结构和组成真正类似的材料。自组装是合成这类超结构材料的一种重要的方法，其类似于自然动态过程中形成和组织同时进行，控制羟基磷灰石的大小和形貌，并自组装成与生物体内某些器官和组织的结构相似的材料。

众所周知，晶体的形貌与结晶驱动力和像原子、离子、分子和热量的扩散等动力学因素紧密相关。表面活性剂和生物分子分别作为模板剂已被广泛地用来控制磷酸钙盐的合成。表面活性剂分子在水溶液中能自组装成各种形状的胶束(如棒状、层状等)，从而诱导生成各种形貌的磷酸钙盐。生物分子，例如：明胶、胶原质、丝纤蛋白、壳聚糖和硫酸软骨素等，也被证明对磷酸钙盐的成核和生长有重要影响。目前，尽管生物分子与表面活性剂之间的作用已经研究得很彻底，但它们共同控制磷酸钙盐的成核和生长的机理不是很清楚。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有磷酸钙盐不具有高度定向的组装结构，而提供的一种层状磷酸钙盐及其制备方法。

在生物大分子和表面活性剂的共同诱导作用下，生成的层状磷酸钙盐纳米片沿着特定的方向生长，并相互平行堆积形成层状结构。利用本发明方法制备得到各种层状磷酸氢钙、层状磷酸八钙和层状羟基磷灰石物相，所得到的磷酸钙盐呈纳米片状，其长度为10～100μm，宽度为0.1～2μm，厚度为20～100n m

本发明方法的实施方案如下：

(1)以可溶性钙盐和可溶性磷酸盐为原料，以生物大分子和表面活性剂为模板剂。

可选用的可溶性钙盐有四水硝酸钙、二水氯化钙等；

可选用的可溶性磷酸盐有磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢氨和磷酸氢二氨；

可选用的生物大分子有明胶、琼脂、角叉原、透明质酸、胶原质、海藻酸、纤维蛋白、纤维蛋白原、角质蛋白、丝蛋白、酪蛋白、白蛋白、弹性蛋白中的一种或是它们的衍生物、或是其中两种或多种的共混物；其中最优选的是琥珀酰化的明胶。

可选用的表面活性剂为胺盐、季铵盐表面活性剂，包括十六烷基三甲基溴化铵、双辛烷基二甲基氯化铵、四甲基硫酸氢铵中的一种或是其中两种或多种的共混物。其中最优选的是十六烷基三甲基溴化铵。

(2)配制含有40～400mmol/L表面活性剂，0.1～0.5％生物大分子和10～30％尿素的水溶液。接着向上述溶液中加入可溶性钙盐和可溶性磷酸盐，并搅拌0.5～5小时。其中可溶性钙盐的浓度为0.1～1mol/L，钙和磷的摩尔比(Ca/P)为1～2.7。

(3)将反应液倒入水热釜中，在70～150℃反应0.5～120小时。

(4)反应结束后，自然冷却至室温。产物经抽滤，水洗和醇洗，再在25～100℃下干燥12～96小时。

结构表征及性能评价：

广角X射线衍射仪(XR D)分析产物的物相。仪器型号为Rigaku D/Max2550V，采用铜靶，Cu Kα射线

场发射扫描电子显微镜(SE M)用来观察产物的形貌。仪器型号为JSM-6700F，加速电压为10kv。

场发射透射电镜(TE M)分析产物的形貌、粒径等。仪器型号为JEOLJEM-2100F，加速电压为200kv。

磷酸钙盐由于在医学领域有着广泛应用价值而受到人们的高度关注。然而目前获取的磷酸钙盐的尺寸、形貌不易控制，机械性能较差，因而影响了其应用性能及应用范围。

为此，本发明提出采用生物大分子和表面活性剂作为模板，制备具有高有序度的层状磷酸钙盐，并且有助于提高磷酸钙盐的机械性能，因此，不仅有利于我们进一步理解磷酸钙盐的生物矿化过程，同时为高质量医用磷酸钙盐材料的获取及推广提供了新的可能。本发明所得到的磷酸钙盐可用于人体硬组织骨缺损填充修复材料、注入缺损部位凝固或可降解骨替代材料。

附图说明

图1显示了不同反应时间得到的产物的XR D图谱，(a)4h，(b)12h，(c)24h，(d)48h，and(e)96h。结果表明，不同的磷酸钙盐可以通过不同的反应时间得到。

图2显示了具有层状结构的磷酸氢钙的扫描电镜图。

图3显示了具有层状结构的磷酸八钙的扫描电镜图。

图4显示了具有层状结构的羟基磷灰石的扫描电镜图。

具体实施方式

下面通过对比例和实施例进一步说明本发明，但本发明绝非限于实施例。

对比例1：

琥珀酰化的明胶(SG)诱导羟基磷灰石的形成，具体工艺如下：首先配制含有0.24wt％SG和24wt％尿素的水溶液。接着向上述溶液中加入硝酸钙和磷酸二氢钠，并搅拌2小时。其中，其中硝酸钙的浓度为0.14mol/L，钙/磷的摩尔比(Ca/P)为1.7。随后将反应液倒入水热釜中，在80℃反应96小时。反应结束后，自然冷却至室温。最后，产物经抽滤，水洗和醇洗，再在40℃下干燥48小时。

利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和透射电镜(TEM)对所得到的产物进行表征。表征结果表明，所得的产物为破碎的片状羟基磷灰石。

对比例2：

十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)诱导羟基磷灰石的形成，具体工艺如下：首先配制含有首先配制含有340mmol/L CTAB和24wt％尿素的水溶液。接着向上述溶液中加入硝酸钙和磷酸二氢钠，并搅拌2小时。其中，其中硝酸钙的浓度为0.14mol/L，钙/磷的摩尔比(Ca/P)为1.7。随后将反应液倒入水热釜中，在80℃反应96小时。反应结束后，自然冷却至室温。最后，产物经抽滤，水洗和醇洗，再在40℃下干燥48小时。

实施例1：

分别按下表1中指定的各组分及参数，利用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)与琥珀酰化的明胶(SG)共同诱导磷酸钙盐的形成，具体工艺如下：首先配制含有CTAB、SG和24wt％尿素的水溶液。接着向上述溶液中加入硝酸钙和磷酸二氢钠，并搅拌2小时。随后将反应液倒入水热釜中，在80℃反应。反应结束后，自然冷却至室温。最后，产物经抽滤，水洗和醇洗，再在40℃下干燥48小时。

利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和透射电镜(TEM)对所得到的产物进行表征。表征结果表明，所得的产物为层状羟基磷灰石。其组成单元(纳米片)都沿着特定的方向生长。纳米片的长度在10微米至100微米之间，厚度为20纳米～100纳米。宽度为100纳米～2微米。

实施例2：

按下表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，但用氯化钙代替硝酸钙。结果表明，所得的产物为层状磷酸八钙。其他结果与实施例1类似。

实施例3：

按下表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，但用磷酸二氢钾代替磷酸二氢钠。结果表明，所得的产物为层状磷酸氢钙。其他结果与实施例1类似。

实施例4：

按下表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，但用双辛烷基二甲基氯化铵代替十六烷基三甲基溴化铵。结果与实施例1类似。

实施例5：

按下表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，但用四甲基硫酸氢铵代替十六烷基三甲基溴化铵。结果与实施例1类似。

实施例6：

按下表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，但用胶原质代替琥珀酰化的明胶。结果与实施例1类似。

实施例7：

按下表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，但用透明质酸代替琥珀酰化的明胶。结果与实施例1类似。

表1

Claims

1、层状磷酸钙盐，其特征在于，纳米片状磷酸钙盐沿着特定的方向生长，并相互平行堆积形成层状结构。

2、按权利要求1所述的层状磷酸钙盐，其特征在于可得到的层状磷酸钙盐包括磷酸氢钙、磷酸八钙和羟基磷灰石。

3、按权利要求1或2所述的层状磷酸钙盐，磷酸钙盐长度为10～100μm，宽度为0.1～2μm，厚度为20～100n m。

4、层状磷酸钙盐的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)以可溶性钙盐和可溶性磷酸盐为原料，以生物大分子和表面活性剂为模板剂；

(2)配制含有40～400mmol/L表面活性剂，0.1～0.5％生物大分子和10～30％尿素的水溶液。接着向上述溶液中加入可溶性钙盐和可溶性磷酸盐，并搅拌0.5～5小时。其中可溶性钙盐的浓度为0.1～1mol/L，钙和磷的摩尔比(Ca/P)为1～2.7；

(3)将反应液倒入水热釜中，在70～150℃反应0.5～120小时；

5、按权利要求4所述的层状磷酸钙盐的制备方法，其特征在于，可溶性钙盐包括四水硝酸钙、二水氯化钙。

6、按权利要求4所述的层状磷酸钙盐的制备方法，其特征在于，可溶性磷酸盐包括磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢氨或磷酸氢二氨。

7、按权利要求4所述的层状磷酸钙盐的制备方法，其特征在于，生物大分子包括明胶、琼脂、角叉原、透明质酸、胶原质、海藻酸、纤维蛋白、纤维蛋白原、角质蛋白、丝蛋白、酪蛋白、白蛋白、弹性蛋白中的一种或是它们的衍生物、或是其中两种或多种的共混物。

8、按权利要求7所述的层状磷酸钙盐的制备方法，其特征在于，生物大分子是琥珀酰化的明胶。

9、按权利要求4所述的层状磷酸钙盐的制备方法，其特征在于，表面活性剂为胺盐、季铵盐表面活性剂，包括十六烷基三甲基溴化铵、双辛烷基二甲基氯化铵、四甲基硫酸氢铵中的一种或是其中两种或多种的共混物。

10、按权利要求9所述的层状磷酸钙盐的制备方法，其特征在于，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。

11、按权利要求1或2或3所述的层状磷酸钙盐磷酸钙盐用于人体硬组织填充材料或可降解骨替代材料。