CN101559934A - 一种调控纳米羟基磷灰石晶粒有序定向生长的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种调控羟基磷灰石生物材料粉体定向生长的制备方法，可以制备出具有定向排列的羟基磷灰石结构，属于生物材料应用领域。所述的制备方法的关键，在于通过自组装工艺调控纳米晶粒的成核和生长。本发明采用了一种含有磷酸基团的表面活性剂，在有机溶液和水的混合溶剂中反应，再经过一定时间的水热处理，然后冷冻干燥，所制备的羟基磷灰石纳米晶粒在2～3微米内具有平行定向排列的棒状纳米晶体，且其长度和宽度可随水热反应的温度或/和时间调节。

Description

一种调控纳米羟基磷灰石晶粒有序定向生长的制备方法

技术领域

本发明涉及一种调控纳米羟基磷灰石有序定向生长的制备方法，属于骨组织修复材料领域。

背景技术

骨组织修复材料要求具有良好的生物相容性和生物活性以及可靠的力学性能。骨是人体重要的组织之一，在保护体内器官、为肌肉提供附着、产生血液细胞等方面，具有重要的作用。由于人类老龄化、运动及事故等带来了大量的骨相关的疾病，需要大量的骨修复材料来治愈和修复骨缺损。近10年来，国际上对骨修复材料及其制品的需求量一直保持着20％左右的增长速度。我国这样一个人口大国，骨修复材料需求量的增长速度更加显著。

羟基磷灰石是一种重要的生物陶瓷材料，由于其良好的生物活性和生物相容性，在组织工程领域具有非常重要的应用，常被用做骨组织修复材料。生物骨骼中的羟基磷灰石具有多级有序定向排列的结构，正是这种特殊的结构使得生物材料具有优异的性能。传统的制备技术得到的羟基磷灰石不具有定向排列的特点，这对于材料整体的性能有着极大的影响。其所得材料的力学性能与人体皮质骨和松质骨有较大差距，只能用做填充材料或者用在不受力的部位。

从目前国内外的研究来看，主要通过表面活性剂如十二烷基胺盐[ChenJD，Wang YJ，Wei K，Zhang SH，Shi XT.Self-organization ofhydroxyapatite nanorods through oriented attachment.Biomaterials2007 May；28(14)：2275-2280.]或P123[Ye F，Guo HF，Zhang HJ.Biomimeticsynthesis of oriented hydroxyapatite mediated by nonionic surfactants.Nanotechnology 2008 Jun；19(24).]来调控羟基磷灰石纳米晶粒定向排列。但是这类方法中，由于表面活性剂不直接参与反应，因此制备得到的材料有序度范围较小，通常仅局限于纳米尺度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种调控纳米羟基磷灰石定向生长的制备方法。

本发明基于模仿天然生物材料的思路，以生物矿化的方法，制备出具有定向生长排列的羟基磷灰石材料，具有重要的研究和实用价值。

本发明提出了一种含有磷酸基团的表面活性剂，可以直接参与羟基磷灰石的反应过程，可以得到较大范围的纳米羟基磷灰石晶粒有序定向生长的结构。本发明特征在于通过自组装工艺调控晶粒的成核和生长，本发明提供的方法制备的羟基磷灰石为白色的羟基磷灰石的粉末。XRD表征表明粉体具有典型的羟基磷灰石的峰形。TEM表征可以看到在2-3微米范围内都具有平行排列的纳米羟基磷灰石棒状纳米晶体。棒状纳米晶体的长度为200-400纳米左右，宽度为10-20纳米左右。并通过调节水热处理的温度或/和时间，调节羟基磷灰石棒状纳米晶体的长度和宽度的尺寸。时间越长，温度越高，羟基磷灰石棒状体越大，反之则越小。

具体地说，本发明的关键在于采用了含有磷酸基团的表面活性剂，采用了有机溶液和水的混合溶液作为溶剂，通过调控反应温度、反应时间等参数，可以调控表面活性剂的自组装，进而调控纳米羟基磷灰石晶粒的成核和定向排列，从而可以得到微米尺度上平行排列的纳米级的棒状羟基磷灰石结构。

在本发明所述的调控羟基磷灰石纳米晶粒有序定向生长的方法中，所用的反应试剂包括表面活性剂，溶剂，钙源，磷源和pH调节剂；

其中：所述的含有磷酸基团的表面活性剂的憎水基团在C₆-C₂₀之间，属于阴离子表面活性剂，常用的包括月桂基醚磷酸酯钾盐，十二烷基磷酸酯钠盐，十二烷基磷酸酯，十六烷基磷酸酯等；且采用含有磷酸基团的表面活性剂作为模板；

所述的溶剂为有机溶液和水的混合溶液，其中有机溶剂包括甲醇、乙醇、丁醇、丙酮等，有机溶剂和水的比例在4∶1至1∶4之间；

所用的钙源包括硝酸钙、氯化钙、氢氧化钙、醋酸钙、碳酸钙、碳酸氢钙、泛酸钙、十二水合四水硝酸钙等含钙的无机或者有机试剂；

所述的磷源包括磷酸、四水磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二铵等常用试剂；

所述的pH调节剂包括氢氧化钠、氢氧化钾、氨水等常用试剂；

本发明提供的羟基磷灰石晶粒定向生长的制备工艺主要由以下步骤组成：

1、将含有磷酸基团的表面活性剂、钙源、磷源、pH调节剂在有机溶液和水溶液的混合溶液中反应，总的钙磷比为5∶3，表面活性剂与水的摩尔比在15∶1000至5∶1000之间，pH值控制在10-14之间，反应过程需要水浴并保持在恒温下，温度范围在30℃-95℃之间；反应时间2-8小时；在反应过程需不断搅拌，使反应完全；

2、将步骤1反应后的溶液转移到密封的不锈钢反应釜中水热处理，水热反应的温度控制在100℃到250℃，保温时间为2小时到100小时，所述的不锈钢反应釜以聚四氟乙烯为内衬；

3、步骤2水热反应后的产物，经3-5遍水洗过滤后冷冻干燥获得有序定向生长的纳米羟基磷灰石粉末。

附图说明

图1为按实施例1制备的定向排列的羟基磷灰石的TEM形貌。

具体实施方式

下面通过具体的实例来进一步说明本发明。

实施例1：将十六烷基磷酸钠、十二水合四水硝酸钙、四水磷酸氢二钠、氢氧化钠在乙醇溶液和水的混合溶液中反应，水浴温度保持在60℃，后取出转移到内部衬有聚四氟乙烯的密封不锈钢反应釜中，水热处理的温度为120℃，保温时间为24小时，取出产物，经过3遍水洗过滤，冷冻干燥，得到样品。所得样品用TEM测试表征得到形貌，见图1。可以看到所得羟基磷灰石晶粒具有良好的定向性，各棒状晶粒平行排列。

实施例2：将十二烷基磷酸钠、无水氯化钙、磷酸氢二铵、氨水在丙酮溶液和水的混合溶液中反应，水浴温度保持在40℃，后取出转移到内部衬有聚四氟乙烯的密封不锈钢反应釜中，160℃保温48小时，取出样品，经过3遍水洗过滤，冷冻干燥，得到样品。

实施例3：调节实施例1和2的水热处理的时间或/和温度可以调节所制得的羟基磷灰石棒状纳米晶体的尺寸，使纳米晶体的长度在200～400纳米左右，宽度为10～20纳米变化，时间越长、温度越高则所制得纳米羟基磷灰石棒状晶体尺寸越大，反之亦然。

Claims (10)

1、一种调控纳米羟基磷灰石晶粒有序定向生长的制备方法，其特征在于通过自组装工艺调节纳米晶粒的成核和生长，所述的制备方法包括：

a)将含有磷酸基团的表面活性剂、钙源、磷源、pH调节剂在有机溶液和水溶液的混合溶液中反应，钙磷比为5∶3，表面活性剂与水的摩尔比在15∶1000至5∶1000之间，pH值控制在10-14之间，温度范围在30℃-95℃之间；在反应过程需不断搅拌，使反应完全；

b)将步骤a反应后的溶液转移到不锈钢反应釜中水热处理，水热反应的温度控制在100℃到250℃；

c)步骤b水热反应后的产物，经水洗过滤后冷冻干燥获得有序定向生长的纳米羟基磷灰石粉末。

2、按权利要求1所述的调控纳米羟基磷灰石晶粒有序定向生长的制备方法，其特征在于所述的含有磷酸基团的表面活性剂为阴离子表面活性剂，憎水基团在C₆～C₂₀之间；

3、按权利要求1或2所述的调控纳米羟基磷灰石晶粒有序定向生长的制备方法，其特征在于所述的含有磷酸基团的表面活性剂为月桂基醚磷酸酯钾盐、十二烷基磷酸酯钠盐、十二烷基磷酸酯或十六烷基磷酸酯。

4、按权利要求1所述的调控纳米羟基磷灰石晶粒有序定向生长的制备方法，其特征在于：

a)所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、丁醇或丙酮，有机溶剂和水的比例在4∶1至1∶4；

b)所述的钙源包括硝酸钙、氯化钙、氢氧化钙、醋酸钙、碳酸钙、碳酸氢钙或泛酸钙；

c)所述的的磷源包括磷酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾或磷酸氢二铵；

d)所述的pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾或氨水。

5、按权利要求1所述的调控纳米羟基磷灰石晶粒有序定向生长的制备方法，其特征在于步骤a)所述的混合液反应在水浴保持恒温条件下进行的，反应时间2-8小时。

6、按权利要求1所述的调控纳米羟基磷灰石晶粒有序定向生长的制备方法，其特征在于步骤b)所述的不锈钢反应釜的聚四氟乙烯为内衬，水热反应时间为2～100小时。

7、按权利要求1所述的调控纳米羟基磷灰石晶粒有序定向生长的制备方法，其特征在于步骤c)中水洗次数为3～5次。

8、按权利要求1所述的调控纳米羟基磷灰石晶粒有序定向生长的制备方法，其特征在于所制备的羟基磷灰石纳米晶粒在2～3微米范围内具有平行定向排列的棒状纳米晶体。

9、按权利要求8所述的调控纳米羟基磷灰石晶粒有序定向生长的制备方法，其特征在于所述的羟基磷灰石定向排列的棒状纳米晶体的长度为200～400纳米，宽度为10～20纳米，且呈白色。

10、按权利要求9所述的调控纳米羟基磷灰石晶粒有序定向生长的制备方法，其特征在于棒状纳米晶体的长度和宽度的尺寸通过水热处理的温度或/和时间调节。