CN101844789A

CN101844789A - 一种碳酸钙微球的制备方法

Info

Publication number: CN101844789A
Application number: CN 201010202594
Authority: CN
Inventors: 黄永利; 吕强; 卢神州; 李明忠; 王建南
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2030-06-18
Also published as: CN101844789B

Abstract

本发明属于材料领域，具体涉及一种利用丝素纳米球作为模板制备碳酸钙微球的方法：配制质量浓度为0.1～20％的丝素蛋白水溶液，于10～90℃下密封培育0.5～48小时；然后在电场强度1.0×10²～1.0×10⁵V/m条件下，丝素蛋白自组装形成直径在10～2000纳米的纳米凝胶颗粒；将所述纳米凝胶颗粒于-80～0℃温度下冷冻干燥，获得直径在10～2000纳米之间的固体丝素蛋白纳米球，以纳米凝胶颗粒或固体丝素蛋白纳米球为模板，在模板表面形成碳酸钙壳层，制备得到碳酸钙微球。整个制备过程常温、常压，不需要添加任何有毒的化学试剂。碳酸钙微球的尺寸可控，完全能够满足在化妆品、油墨、涂料、载药材料等多个不同领域的应用要求。

Description

一种碳酸钙微球的制备方法

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种利用丝素纳米球作为模板制备碳酸钙微球的方法。

背景技术

丝素蛋白是一种自然界中广泛存在的结构蛋白，可从家蚕丝纤维中提取，来源充足，提取方法简单，具有良好的生物相容性、生物可降解性，并且力学性能优良，对细胞的粘附、扩增、分化作用良好，是一种很有发展前景的有机基质材料。丝素蛋白可制备成溶液、薄膜、多孔支架、凝胶等多种形式，在生物医学领域已开展广泛的研究。

碳酸钙作为世界上最广泛的矿物，它有三种同质异象体：方解石(斜方六面体型)、文石(针状)、球霰石(球形)。在生物体内，碳酸钙由于与少量有机基质(蛋白质、多糖等)的特殊结合，形成了高度有序、与主体不同性质的无机/有机材料，从而获得了韧性远高于普通陶瓷的生物陶瓷材料。生物体内的碳酸钙不仅具有特殊的机械性能、光学性能以及复杂的形貌，而且在生物矿化过程中，生物体能从纳米到微米级的尺度上对碳酸钙的矿化过程进行精确的控制。近年来，有关仿生矿化的研究十分引人注目，其主要原因不仅在于该领域具有明显的学科交叉与渗透特点，它处于生命科学与无机化学、生物物理学和材料科学的交汇点，更为重要的是它为人工合成具有独特精美形貌的晶体材料和生物智能材料提供了一种新的思路，而且合成过程中能耗较低，因而符合对材料科学绿色环保的要求，是目前材料学家研究的热点。

碳酸钙纳米或者微米级颗粒或者微球在医学、药学、日化产品、涂料、油墨等多个领域有着广泛和重要的用途。目前已有多种成熟技术制备生产不同结构和形貌的碳酸钙粉末，然而绝大部分技术都存在能耗高、制备条件苛刻的问题，同时制备所得碳酸钙粉末尺寸分布大，均匀性较差，迫切需要开发新的制备技术和方法。生物仿生技术的发展给碳酸钙粉体的制备带来了新的发展机遇，利用生物仿生技术，有望在常温、常压、水溶液体系中获得尺寸形貌均一的碳酸钙产品，从而有效提高产品质量，降低能耗。

通过仿生技术制备碳酸钙纳米或者微米颗粒的研究已见报道。Xu AW等研究者2005年发表在Advanced Functional Materials的文献“Uniform Hexagonal plates of vaterite CaCO3 mesocrystals formed by biomimetic mineralization”以及2007年发表在Advanced Materials的文献“Polymer-mediated mineralization and self-similar mesoscale-organized calcium carbonate with unusual superstructures”中指出，利用羟乙基纤维素或者聚苯乙烯-顺丁烯酸做模板，可以控制碳酸钙微球的形貌。Kaplan DL等2002年发表在“Crystal Growth and Design”的文献“Selective in vitro effect of peptides on calcium carbonate crystallization”中发现，利用多肽做模板可以调控碳酸钙的纳米和微米结构和形貌，但其利用合成特定高分子或者多肽作为模板，价格昂贵，并不适合于规模化生产。目前，也可见利用丝素蛋白作为模板制备碳酸钙粉体的文献和专利报道(如申请号为CN200710069129.8的专利“丝素/碳酸钙纳米复合材料及其制备方法”，An XQ等2008年发表在“Journal of Physical Chemistry C的文献“Coeffect of silk fibroin and self-assembly monolayers on the biomineralization of calcium carbonate”，以及Cheng C等2008年发表在“Advanced Functional Materials”的文献“Silk fibroin-regulated crystallization of calcium carbonate”)，但其都并未对丝素蛋白的纳米结构进行调控，从而无法有效调控碳酸钙的结构和形貌。

发明内容

本发明目的是提供一种碳酸钙微球的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种碳酸钙微球的制备方法，首先制备模板，然后在模板表面形成碳酸钙壳层，制备得到碳酸钙微球，其中，制备模板的方法选自以下两种方法的任一种，

方法一为：配制质量浓度为0.1～20％的丝素蛋白水溶液，于10～90℃下密封培育0.5～48小时；然后在电场强度1.0×10²～1.0×10⁵V/m条件下，丝素蛋白自组装形成直径在10～2000nm的纳米凝胶颗粒，以所述纳米凝胶颗粒为模板；

方法二为：配制质量浓度为0.1～20％的丝素蛋白水溶液，于10～90℃下密封培育0.5～48小时；然后在电场强度1.0×10²～1.0×10⁵V/m条件下，丝素蛋白自组装形成直径在10～2000nm的纳米凝胶颗粒，将所述纳米凝胶颗粒于-80～0℃温度下冷冻干燥，获得直径在10～2000nm的固体丝素蛋白纳米球，并且主要以无规构象的二级结构存在，以所述固体丝素蛋白纳米球为模板。

以上述纳米凝胶颗粒或固体丝素蛋白纳米球为模板，在模板表面形成碳酸钙壳层，制备得到碳酸钙微球的方法为现有技术，具体地，可以选自以下方法中的任一种：

方法一包括以下步骤：

(1)将纳米凝胶颗粒或固体丝素蛋白纳米球分散于钙离子浓度为0.01～10mol/L的氯化钙水溶液中；

(2)将步骤(1)所得溶液与碳酸氨固体同置于密闭体系中，碳酸氨同氯化钙的质量比在3∶1～2∶1之间，0～100℃密闭放置0.5～24小时，获得碳酸钙微球乳浊液；

(3)将乳浊液离心分离，用水和无水乙醇分别洗涤3～5次，真空干燥，获得碳酸钙微球。

方法二包括以下步骤：

将固体丝素蛋白纳米球分散于钙离子浓度为0.01～10mol/L的氯化钙水溶液中1～300分钟后取出，与碳酸氨固体同置于密闭体系中，碳酸氨同氯化钙的质量比在3∶1～2∶1之间，0～100℃密闭放置0.5～24小时，碳酸钙晶体在固体丝素蛋白纳米球上沉积，获得碳酸钙微球。

进一步的技术方案中，将所得碳酸钙微球在200～600℃煅烧，去除丝素蛋白，获得碳酸钙空心微球。

更进一步的技术方案中，将所得碳酸钙微球重新在钙离子浓度为0.01～10mol/L的氯化钙溶液中分散，将此溶液与碳酸氨固体同置于密闭体系中，碳酸氨同氯化钙的质量比在3∶1～2∶1之间，0～100℃密闭放置0.5～24小时，获得更大尺寸和复杂结构的碳酸钙颗粒。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明首次使用电处理丝素溶液获得尺寸可控的丝素纳米颗粒，并使用丝素纳米颗粒做模板制备碳酸钙微球，所用制备过程未涉及有毒溶剂，常温常压，制备条件温和可控。

2、本发明在制备尺寸可控的丝素蛋白纳米球过程中，溶液的处理环境温度在100℃以下，反应条件温和，不破坏丝素的二级结构，且制备方法简单，易于控制，丝素蛋白纳米球的尺寸可控，进而作为模板获得尺寸可控的碳酸钙微球，所得碳酸钙微球可作为日化用品、涂料、油墨的填充物，也可以作为组织修复材料和载药载体。

3、本发明在制备尺寸可控的丝素蛋白纳米球和碳酸钙微球的过程中，成型后，分离简单，所需设备简单，可以大规模的生产。

附图说明

图1是实施例一技术方案所制备丝素蛋白模板的扫描电镜和红外光谱结果，其中(a)为扫描电镜图，(b)为红外光谱结果；

图2是实施例一技术方案所制备碳酸钙微球的扫描电镜和红外光谱结果，其中(a)为扫描电镜图，(b)为红外光谱结果；

图3是实施例二技术方案所制备碳酸钙微球的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：

将蚕丝在0.5％的Na₂CO₃溶液中100℃煮60min，以去除蚕丝外部的丝胶蛋白，使用去离子水冲洗，重复3次，60℃干燥后获得纯的丝素蛋白。将1g的丝素蛋白溶于10mL三元溶液中(由CaCl₂/水/乙醇摩尔比为1∶8∶2配成)，并将此丝素溶液装在透析袋浸在去离子水中透析4天，期间每两小时换一次水，去除溶液中的CaCl₂和乙醇，从而得到纯净的丝素蛋白溶液，其浓度为2％。

将溶液浓缩到10％，在50℃下密封培育6小时后，稀释回0.8％的浓度，取15mL装在安装有电极的容器中，接通电源通50V的电压，构建场强为3×10³V/m的定向电场，通电5分钟，丝素蛋白在电场作用下自组装，形成丝素纳米颗粒。将其离心后，在-40℃温度下冷冻干燥获得丝素纳米颗粒。对丝素纳米颗粒进行电镜扫描和红外分析，如图1所示，丝素蛋白纳米颗粒的直径约为300nm，主要以无规构象的二级结构存在。

将获得的丝素纳米颗粒分散在氯化钙水溶液中，其中，钙离子浓度为1mol/L，然后量取20ml溶液盛放在表面皿中，放置在特制容器上层(所述特制容器为具有相互通气的上下两层的密闭容器)，下层放置1.8g碳酸铵，容器封闭，室温放置6小时，获得碳酸钙乳浊液，将其离心，洗涤，干燥后，得到碳酸钙微球。对碳酸钙微球进行电镜扫描和红外分析，得图2，如图2所示，所制得的碳酸钙微球直径在1微米左右，主要为方解石结构。

实施例二：

将溶液浓缩到10％，在70℃下密封培育6小时，稀释回到2％的浓度，取15mL装在安装有电极的容器中，接通电源通20V电压，构建场强为1×10³V/m的定向电场，通电30分钟，形成类凝胶状物，在-20℃温度下冷冻干燥，获得由丝素蛋白纳米颗粒组成的固体，其中颗粒直径为500～1000nm。

将获得的含丝素蛋白纳米颗粒的固体浸泡在8mol/L的氯化钙溶液中30分钟后取出，将取出的块状物盛放在表面积大的表面皿中，放置在特制的容器上层，下层放置14.4g碳酸铵，容器封闭，将容器放置在室温下6小时，碳酸钙晶体在块状丝素蛋白上沉积，获得碳酸钙微球样品。如图3所示，碳酸钙微球的尺寸为1～5μm。

实施例三：

将蚕丝在0.5％的Na₂CO₃溶液中100℃煮60min，以去除蚕丝外部的丝胶蛋白，使用去离子水冲洗，重复3次，60℃干燥后获得纯的丝素蛋白。将1g的丝素蛋白溶于10mL三元溶液中(由CaCl₂/水/乙醇摩尔比为1∶8∶2配成)，并将此丝素溶液装在透析袋浸在去离子水中透析4天，期间每两小时换一次水，去除溶液中的CaCl₂0和乙醇，从而得到纯净的丝素蛋白溶液，其浓度为2％。

将溶液在40℃下密封培育36小时，取15mL装在安装有电极的容器中，接通电源通35V电压，构建场强为3.5×10³V/m定向电场，通电5分钟，丝素蛋白在电场作用下自组装，形成丝素纳米颗粒。将其离心后，在-20℃温度下冷冻干燥获得丝素纳米颗粒。丝素蛋白纳米颗粒的直径约为300nm，主要以无规构象的二级结构存在。

将获得的丝素纳米颗粒分散在1mol/L的钙离子的溶液中，然后将溶液盛放在表面皿中，放置在特制容器上层，下层放置的1.024g碳酸氢铵，容器封闭，4℃放置6小时，获得碳酸钙乳浊液，将其离心，干燥，洗涤后，得到碳酸钙微球样品，样品直径小于1微米。

实施例四：

将溶液在70℃下密封培育6小时，取15mL装在安装有电极的容器中，接通电源通30V电压，构建电场强度为3×10³V/m定向电场，通电30分钟，形成类凝胶状物，在-20℃温度下冷冻干燥，获得由丝素蛋白纳米颗粒组成的固体，其中颗粒直径为500～1000nm。

将获得的含丝素蛋白纳米颗粒的固体浸泡在含1mol/L的钙离子的溶液中30分钟后取出，将取出的块状物盛放在表面积大的表面皿中，放置在特制的容器上层，下层放置14.4g碳酸铵，容器封闭，在4℃环境下放置3小时，碳酸钙晶体在块状丝素蛋白上沉积，获得碳酸钙微球样品，其尺寸为1～3μm。

实施例五：

将溶液稀释0.8％，在50℃下密封培育40小时，取15mL装在安装有电极的容器中，接通电源通50V电压，构建3×10³V/m定向电场，通电5分钟，丝素蛋白在电场作用下自组装，形成丝素纳米颗粒。将其离心后，在-40℃温度下冷冻干燥获得丝素纳米颗粒。丝素蛋白纳米颗粒的直径约为300nm，主要以无规构象的二级结构存在。

将获得的丝素纳米颗粒分散在含1mol/L钙离子的溶液中，然后将溶液盛放在表面皿中，放置在特制容器上层，下层放置1.8g碳酸铵，容器封闭，室温放置6小时，获得碳酸钙乳浊液，将其离心，洗涤，干燥后，得到碳酸钙微球样品，微球直径在1微米左右。将碳酸钙微球在马弗炉中600℃煅烧1小时，获得碳酸钙空心球样品。

实施例六：

将溶液稀释0.8％，在50℃下密封培育6小时，取15mL此溶液，将1mg的阿霉素药物溶解在如上丝素溶液中，然后装在安装有电极的容器中，接通电源通50V电压，构建3×10³V/m定向电场，通电5分钟，丝素蛋白在电场作用下自组装，形成包覆有阿霉素的丝素纳米颗粒。将其离心后，在-40℃温度下冷冻干燥获得丝素纳米颗粒。丝素蛋白纳米颗粒的直径约为300nm，主要以无规构象的二级结构存在。

将获得的包覆阿霉素的丝素纳米颗粒分散在含1mol/L钙离子的溶液中，然后将溶液盛放在表面皿中，放置在特制容器上层，下层放置1.8g碳酸铵，容器封闭，室温放置6小时，获得碳酸钙乳浊液，将其离心，洗涤，干燥后，得到加载了阿霉素药物的碳酸钙微球样品，微球直径在1微米左右。

Claims

1.一种碳酸钙微球的制备方法，首先制备模板，然后在模板表面形成碳酸钙壳层，制备得到碳酸钙微球，其特征在于，其中，制备模板的方法选为：配制质量浓度为0.1～20％的丝素蛋白水溶液，于10～90℃下密封培育0.5～48小时；然后在电场强度1.0×10²～1.0×10⁵V/m条件下，丝素蛋白自组装形成直径在10～2000nm的纳米凝胶颗粒，以所述纳米凝胶颗粒为模板。

2.一种碳酸钙微球的制备方法，首先制备模板，然后在模板表面形成碳酸钙壳层，制备得到碳酸钙微球，其特征在于，其中，制备模板的方法选为：配制质量浓度为0.1～20％的丝素蛋白水溶液，于10～90℃下密封培育0.5～48小时；然后在电场强度1.0×10²～1.0×10⁵V/m条件下，丝素蛋白自组装形成直径在10～2000nm的纳米凝胶颗粒，将所述纳米凝胶颗粒于-80～0℃温度下冷冻干燥，获得直径在10～2000nm的固体丝素蛋白纳米球，并且主要以无规构象的二级结构存在，以所述固体丝素蛋白纳米球为模板。

3.一种制备碳酸钙空心微球的方法，其特征在于，将采用权利要求1或2所述方法制备得到的碳酸钙微球在200～600℃煅烧，去除丝素蛋白，获得碳酸钙空心微球。