CN101628124A - 一种锶羟基磷灰石的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种锶羟基磷灰石的制备方法及其应用。将具有一定形状的含锶和钙的硼酸盐玻璃或磷酸盐玻璃体浸泡在磷酸盐溶液中，调节溶液的pH＞7，在20～250℃和0.10～4.00MPa压力下，于玻璃表面沉积纳米尺寸的锶羟基磷灰石。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锶羟基磷灰石形体。硼酸盐玻璃或磷酸盐玻璃的网络构成体氧化物是B₂O₃，或是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、SrO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。采用不同的玻璃组成或采用不同的反应条件可以获得各种尺寸的锶羟基磷灰石，或各种形态的纳米尺度的锶羟基磷灰石。该具有一定性状锶羟基磷灰石可作为骨填充物或作为骨组织工程支架有用骨修复或治疗骨质疏松症。

Description

一种锶羟基磷灰石的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种锶羟基磷灰石的制备方法及其应用。

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。但是人体骨骼中的无机组分除羟基磷灰石外，还有碳酸根和钠、钾、硅、锶、锌等离子；也有研究表明锶对成骨细胞的增殖具有促进作用，同时对破骨细胞具有一定的抑制作用(掺锶聚磷酸钙对破骨细胞的影响，中国组织工程研究与临床康复，第12卷，2008年，第一期)。获得生物矿化的纳米尺寸的锶羟基磷灰石，促进骨组织的修复作用，易于骨胶原复合成骨组织；纳米尺度的锶羟基磷灰石中的锶易于人体组织液中的钙交换，锶易于释放促使成骨细胞生长，达到治疗骨质疏松症的目的。为了改善羟基磷灰石材料在临床上的应用，人工合成含锶羟基磷灰石，在硬组织的修复与替代材料中具有重要的意义。

锶在人体骨中占质量的0.01％，在人体液或模拟体液(SBF)中遵循着与钙离子相同的生物过程矿化过程，在中国专利CN1762897A，CN10144639A中提到关于含锶磷灰石的制备方法，主要是通过磷酸钙的各种盐以及磷酸锶或者磷酸氢锶等混合磷酸溶液制备含锶羟基磷灰石。此类方法中所采用的磷酸三钙、磷酸四钙等原料价格比较昂贵；有的制备含锶磷酸盐的前驱体，引入NO₃ ^-等对人体有害的离子，需多次清洗。随着生物科技工程的迅速发展，需要一种成本低，简便可行的方法制备锶羟基磷灰石。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锶羟基磷灰石的制备方法及其应用。

本发明提出的锶羟基磷灰石的制备方法，采用价格低廉的化学原料，制成具有一定形状的可溶性含锶-钙玻璃，将玻璃体浸泡在溶液中，调节溶液的pH＞7，于玻璃表面沉积出尺寸均匀的含锶的纳米羟基磷灰石。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锶羟基磷灰石形体。具体步骤如下：

将含锶-钙玻璃浸泡在含磷溶液中，调解溶液的pH＞7，在0.10 MPa～4.00 MPa的压力下，在20～250℃温度下，反应3天-30天，生成锶羟基磷灰石；其中：

所述含锶-钙玻璃为含有B₂O₃、P₂O₅中一至两种玻璃网络构成体的含锶-钙玻璃，含锶-钙玻璃中氧化钙和氧化锶的分子总含量为5-60mol％，氧化钙与氧化锶的摩尔比值为40∶1-1∶1，且氧化锶的分子含量大于0.5mol％，间隙氧化物的总分子含量为5-80mol％；含磷溶液为含(PO₄)^3-或磷酸的酸式盐溶液。

本发明中，所述玻璃网络构成体为下述之中任一种：

(1)B₂O₃的分子组成、或P₂O₅的分子组成、或B₂O₃与P₂O₅之和的分子组成是在30～90mol％；

(2)B₂O₃＞SiO₂且B₂O₃与SiO₂之和的分子组成、或P₂O₅＞SiO₂且P₂O₅与SiO₂之和的分子组成、或B₂O₃+P₂O₅＞SiO₂且P₂O₅、B₂O₃与SiO₂之和的分子组成为30～90mol％。

本发明中，所述间隙氧化物中的间隙离子为一价碱金属离子、一价过渡金属离子、二价碱土金属离子、二价过渡金属离子、三价过渡金属离子、三价稀土金属离子、四价过渡金属离子或四价稀土金属离子中一至几种。

本发明中，所述含磷溶液为K₂HPO₄稀溶液、医用的磷酸盐缓冲溶液PBS、人体生理模拟液(SBF)，以及各种磷酸盐或其碱式盐溶液，其磷在溶液中的质量百分比＜5％，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。

在该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。

利用本发明方法制备得到的含锶羟基磷灰石是指磷灰石族，即在它的固溶体中，也包括了在含锶羟基磷灰石Ca_10-xSr_x(PO₄)₆(OH)₂中的各种离子取代；其中，0＜x＜10。

Ca也可以被Mg或K或Na部分取代，(PO₄)或(OH)被(CO₃)或(HCO₃)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，或支架状。

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含锶羟基磷灰石晶体。

利用本发明制备方法得到的锶羟基磷灰石作为骨填充物、或作为骨组织工程支架材料，应用于骨修复或治疗骨质疏松症。

与其它制备含锶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锶-钙的玻璃。该玻璃在溶液中有较大的生物降解性能，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35～42℃的条件下，可在玻璃表面形成锶羟基磷灰石。也就是说在人体的生理环境下，该玻璃能溶解，并能形成锶羟基磷灰石，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，而形成锶羟基磷灰石的尺寸大小是由溶液中的磷与钙(锶)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含锶羟基磷灰石的尺寸。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含锶羟基磷灰石，是该法的第二个特点。此外，该反应可以在室内空气环境中进行，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，所以该法所制备的锶羟基磷灰石往往含有(CO₃)^2-离子团，成为含部分碳酸的锶羟基磷灰石。由于上述三特点，本发明方法在人体的生理环境下，能够制备纳米尺度含锶(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。如果采用不同的玻璃组成可以获得各种掺杂的锶羟基磷灰石，如果在高压水热反应中还能获得晶形完整的纳米尺度的锶羟基磷灰石。

本制备锶羟基磷灰石的方法是以可溶性含锶-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，生成了含锶羟基磷灰石。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。玻璃结构中的钙、锶，尚未来得及沥析出来，刚达到玻璃表面时，磷与钙、锶就达到了过饱和度，形成了难以溶解的掺杂羟基磷灰石。溶液中的碳酸根也参与难溶的沉淀之中形成掺杂的碳酸羟基磷灰石。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，全部都转化为掺杂羟基磷灰石为止。

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掺杂的固溶体，以要适应人体不同部位的羟基磷灰石成分的需要。

本发明具有以下优点：所提及的可溶性含锶-钙玻璃，不仅具有生物相容性，而且在人体的体液中能形成纳米锶羟基磷灰石，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，采用含锶-钙的可溶性玻璃，通过普通的固相与液相反应的方法，使玻璃体与含磷溶液反应，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纳米碳酸磷灰石Ca_10-xSr_x(PO₄)₆(OH，CO₃)₂，采用各种组成的玻璃时，可获得各种掺杂的锶羟基磷灰石，用高压水热反应还可以获得晶形完整的纳米尺度的羟基磷灰石。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为反应后玻璃颗粒的表面形貌(其中Ca/Sr＝11)，表面沉积物尺寸在10纳米以下。

图2为反应后玻璃颗粒的XRD图谱(其中Ca/Sr＝11)，反应生Ca₉Sr(PO₄)₆(OH)₂为锶羟基磷灰石。

图3为反应后产物的红外分析(其中Ca/Sr＝11)，其磷酸根振动峰明显，1300～1500cm^-1处出现碳酸根的振动分裂峰，表明所生成的锶羟基磷灰石中存在(CO₃)^2-的掺杂，(CO₃)^2-取代了羟基磷灰石晶体中部分(PO4)^3-或(OH)。

图4为反应产物的EDS元素分析(其中Ca/Sr＝11)，表明在羟基磷灰石晶体中还存在碳元素和少量的钾、钠元素，说明在此反应条下的产物的锶磷灰石中存在Ca被Mg或K或Na部分取代，(PO₄)或(OH)被(CO₃)或(HCO₃)部分取代。

图5为反应前后玻璃支架的表面形貌(其中Ca/Sr＝5.5)，(a)为反应前后的支架形貌，(b)为反应后支架保持原有玻璃支架的形状。

图6为反应后玻璃支架的XRD图谱(其中Ca/Sr＝5.5)，反应生Ca₆Sr₄(PO₄)₆(OH)₂为含锶羟基磷灰石。

图7为水热反应后玻璃颗粒的表面形貌(其中Ca/Sr＝3.7)，表面生成晶型结构完整的梭状晶体，长径尺寸为500～600nm，短径尺寸为300～400nm。

图8为水热反应后玻璃颗粒的XRD图谱(其中Ca/Sr＝3.7)，反应生Ca₉Sr(PO₄)₆(OH)₂为含锶羟基磷灰石。

图9为在60度高温条件下玻璃块体转化产物的表面形貌(其中Ca/Sr＝1.5)，表面晶体为多孔形貌。

图10为在60度高温条件下玻璃块体转化产物的XRD图谱(其中Ca/Sr＝1.5)，反应生Ca₆Sr₄(PO₄)₆(OH)₂为含锶羟基磷灰石。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

将具有一定形状的可溶性含锶-钙玻璃颗粒(球状、纤维状、柱状、片状、支架状或无规则形状)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35～42℃之间，在0.10MPa～4MPa条件下，反应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含锶羟基磷灰石；用电子显微镜(SEM)观察生成物中晶粒的形貌和大小；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。

实施例1：锶羟基磷灰石粉末的制备

玻璃的制备过程：采用熔融法制备获得玻璃块体，将玻璃组分中所对应的各种碱金属、碱土金属所对应碳酸盐，二氧化硅，硼酸等按照质量比充分混合均匀；然后将装有混合原料的白金坩埚置于1100-1150℃的硅钼炉中，熔制2-3h，熔体在钢板淬冷获得块体玻璃，将玻璃块研磨成粉末，备用。

取摩尔百分组成为14Na₂O·6MgO·22CaO·2SrO·18SiO₂·36B₂O₃·2P₂O₅的玻璃，粉碎后，筛分获得直径为150～300微米的形状不规则的玻璃颗粒，浸泡在生理模拟液中(pH＝7.2～7.4)，在封闭容器内，高于常压下(大于0.15MPa)，在含有二氧化碳的空气中，在高于38℃低于42℃的恒温水浴中使粉末与溶液反应，反应时间为20天，反应后过滤出产物，用蒸馏水清洗，在90℃下干燥，获得外形尺寸相同的白色颗粒。经XRD分析，此中空微球的晶相为掺锶羟基磷灰石(见图2)，通过SEM观察，其中颗粒晶体，其直径约为近100纳米(见图1)，通过红外分析光谱分析，表明碳酸根离子进入羟基磷灰石晶格中，取代羟基磷灰石晶格中的磷酸根离子，形成碳酸羟基磷灰石(见图3)，EDS元素分析表明在羟基磷灰石晶体中还存在碳元素和少量的钾、钠等元素，说明在此反应条下的产物的锶磷灰石中存在Ca被K或Na部分取代，(PO₄)或(OH)被(CO₃)或(HCO₃)部分取代的可能(见图4)。。

实施例2：锶羟基磷灰石支架的制备

除组成差异外，玻璃的制备方法同实施例1。

取摩尔百分组成为14Na₂O·4MgO·22CaO·4SrO·18SiO₂·36B₂O₃·2P₂O₅的玻璃，粉碎后，筛分获得直径小于50微米的玻璃颗粒，通过模板法制备玻璃支架，浸泡在生理模拟液(SBF)中(pH＝7.2～7.4)，在封闭容器内，高于常压下(大于0.15MPa)，在高于38℃低于42℃的恒温水浴中使粉末与溶液反应，反应时间为14天，反应后过滤出产物，用蒸馏水清洗，在90℃下干燥，获得外形尺寸相同的白色支架。经XRD分析，此支架反应后的晶相为羟基磷灰石(见图6)，通过SEM观察，玻璃支架降解，表面由光滑平面(见图5(a))转化粗糙平面(见图5(b))，形貌结构规整。由此可见，通过改变玻璃组成，能够控制锶在羟基磷灰石晶体中的掺入量，控制玻璃的转化速度，同时获得与原有玻璃形态相同的矿化锶磷灰石产物。

实施例3：水热法锶羟基磷灰石的制备

除组成差异外，玻璃的制备方法同实施例1。

取摩尔百分组成为14Na₂O·2MgO·22CaO·6SrO·18SiO₂·36B₂O₃·2P₂O₅的玻璃，粉碎后，筛分获得直径小于50微米的形状不规则的玻璃颗粒，浸泡在浓度为0.2mol/L的磷酸氢二钾溶液中(pH＝7.2～7.4)，在高压釜中，于200度的恒温箱中反应，反应时间为2天，反应后的颗粒，用蒸馏水清洗，在90℃下干燥，获得外形尺寸相同的白色块体。经XRD分析，此块体的产物为锶羟基磷灰石(见图8)，通过SEM观察，表面为晶型结构完整薄板构成的梭状晶体，长径约为500～600nm，短径约为300～400nm，板厚30～40nm(见图7)。由此可见，玻璃颗粒水热法反应后可以获得纳米锶羟基磷灰石。

实施例4：锶羟基磷灰石块体的制备

除组成差异外，玻璃的制备方法同实施例1，将获得的玻璃块体，退火，切割为10mm×10mm×5mm的玻璃块体，备用。

将摩尔组分为2Na₂O·1.2CaO·0.8SrO·6B₂O₃的玻璃块体，浸泡在浓度为0.2mol/L的磷酸氢二钾溶液中(pH＝7.2～7.4)，置于60度的恒温箱中，反应时间为15天，反应后的块体，用蒸馏水清洗，在90℃下干燥，获得外形尺寸相同的白色块体。经XRD分析，此玻璃块体的晶相为掺锶羟基磷灰石(见图10)，由于反应温度高，时间长，衍射峰尖锐，晶型相对完整，块体的表面形貌表现为为多孔的形貌(见图9)。

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，纳米锶羟基磷灰石，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，或者骨质疏松的治疗。

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 (6)

1、一种锶羟基磷灰石的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

将含锶-钙玻璃浸泡在含磷溶液中，调解溶液的pH＞7，在0.10MPa～4.00MPa的压力下，在20～250℃温度下，反应3天-30天，生成锶羟基磷灰石；其中：

所述含锶-钙玻璃为含有B₂O₃、P₂O₅中一至两种玻璃网络构成体的含锶-钙玻璃，含锶-钙玻璃中氧化钙和氧化锶的分子总含量为5-60mol％，间隙氧化物的总分子含量为5-80mol％，氧化钙与氧化锶的摩尔比值为40∶1-1∶1，且氧化锶的分子含量大于0.5mol％；含磷溶液为含(PO₄)^3-或磷酸的酸式盐溶液。

2、根据权利要求1所述的锶羟基磷灰石的制备方法，其特征在于所述玻璃网络构成体为下述之中任一种：

(1)B₂O₃的分子组成、或P₂O₅的分子组成、或B₂O₃与P₂O₅之和的分子组成是在30～90mol％；

(2)B₂O₃＞SiO₂且B₂O₃与SiO₂之和的分子组成、或P₂O₅＞SiO₂且P₂O₅与SiO₂之和的分子组成、或B₂O₃+P₂O₅＞SiO₂且P₂O₅、B₂O₃与SiO₂之和的分子组成为30～90mol％。

3、根据权利要求1所述的锶羟基磷灰石的制备方法，其特征在于所述间隙氧化物中的间隙离子为一价碱金属离子、一价过渡金属离子、二价碱土金属离子、二价过渡金属离子、三价过渡金属离子、三价稀土金属离子、四价过渡金属离子或四价稀土金属离子中一至几种。

4、根据权利要求1所述的锶羟基磷灰石的制备方法，其特征在于所述含磷溶液为K₂HPO₄稀溶液、磷酸盐缓冲溶液PBS、人体生理模拟液，各种磷酸盐或其碱式盐溶液，其磷在溶液中的质量百分比＜5％，其pH≥7。

5、根据权利要求1所述的锶羟基磷灰石的制备方法，其特征在于利用本发明方法制备得到的含锶羟基磷灰石是指磷灰石族，其结构式为Ca_10-xSr_x(PO₄)₆(OH)₂，其中，0＜x＜10。

6、一种如权利要求1所述制备方法得到的锶羟基磷灰石作为骨填充物、或作为骨组织工程支架材料，应用于骨修复或治疗骨质疏松症。

Images