CN101921061A

CN101921061A - 磷硅酸基玻璃的制备方法

Info

Publication number: CN101921061A
Application number: CN 201010248059
Authority: CN
Inventors: 邱东; 李爱玲
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Huakui Technology Taizhou Co Ltd
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2030-08-06
Also published as: CN101921061B

Abstract

本发明属于材料领域，特别涉及磷硅酸基玻璃的制备方法。以水、乙醇或乙醇和水的混合物作为溶剂，将植酸、正硅酸乙酯及四水硝酸钙、硝酸钙或氯化钙混合配制成凝胶前驱体溶胶溶液，放置直到凝胶；于60℃陈化后取出放入烘箱中烘烤，使溶剂全部挥发，降温至室温，将温度由室温升温至温度为300～400℃，将干的凝胶在温度为300～400℃下恒温进行烧结至少10分钟后自然冷却，从而得到磷硅酸基玻璃。本发明所选用的作为磷的前驱体的植酸与传统磷前驱体相比具有更小的毒性，从而提高材料的生物相容性，可在低温、低毒及低成本下制备磷硅酸基玻璃，本发明可以在更大组分范围内成功地制备出降解速度可以在更大范围内调控的磷硅酸基玻璃。

Description

磷硅酸基玻璃的制备方法

技术领域

本发明属于材料领域，特别涉及一种磷硅酸基玻璃的制备方法。

背景技术

随着人类预期寿命的增长，人工种植体材料正面临着新的挑战。越来越多患者的寿命超过了人工种植体的设计使用寿命，他们不得不承受二次手术更换种植体的痛苦，为此，需要设计具有生物活性并可生物降解的材料。

20世纪70年代初，美国佛罗里达大学L.L.Hench教授发明了生物活性玻璃，并且首次将其应用于生物医学领域，从而开创了一个崭新的生物医用材料研究领域-生物活性玻璃和生物活性玻璃陶瓷。这类材料作为生物医用材料具有金属、高分子材料及生物惰性材料不可比拟的优势，能与人体骨形成直接的化学结合。

近年来已经有一些生物玻璃被成功用于骨组织的修复和治疗过程中，尤其是牙周和整形外科领域。但是这种生物玻璃存在一定的问题，例如降解速率很慢，完全降解通常需要1-2年的时间。这种生物玻璃采用的合成方法-熔融萃冷法反应温度太高，不能形成多孔材料，并且难于和有机材料实现高度复合以拓展功能，因此有必要研究新型的生物材料及其制备方法。

磷的引入通常可以提高玻璃的降解速度，但是传统方法制备出的磷硅酸基玻璃中具有生物活性的组分范围相对较窄，通常限于较低的磷含量，限制了玻璃降解速率的提高。在使用溶胶凝胶法制备磷硅酸基玻璃时，通常发现磷的常用前驱体(如磷酸，磷酸三乙酯等)和钙的常用前驱体(如硝酸钙)相容性较差，容易引起沉淀从而发生相分离。为了实现磷和钙前驱体的有效混合，人们有时候不得不选择毒性较大的溶剂(如乙二醇)，并且降低前驱体的浓度，这样在除溶剂的过程中会耗费大量的能源及时间，使得其实际操作性大大降低。在本发明中，我们选用新型低毒的磷前驱体植酸(肌醇六磷酸，分子式：C₆H₁₈O₂₄P₆)，可以有效地与硝酸钙共溶，所用溶剂为水、乙醇及其混合物，毒性较小，溶剂去除温度较低，可以有效克服传统方法的缺点，具有重要的应用前景。

发明内容

本发明的目的是以可食用的植酸替换传统有毒的磷前驱体，提供一种采用低温溶胶凝胶法合成出磷硅酸基玻璃的方法，并在更大组分范围实现其生物活性，从而能够更好的控制所述玻璃的降解速率。

本发明的制备方法实质上是一种溶胶凝胶法，可在低温、低毒及低成本下制备磷硅酸基玻璃，本发明的方法可以在更大组分范围内成功地制备出磷硅酸基玻璃，制备出的所述玻璃在更大的组分范围内具有生物活性，使得生物活性磷硅酸基玻璃的降解速度可以在更大范围内调控。本发明得到的磷硅酸基玻璃的化学成分可用氧化物的形式表示为(P₂O₅)x(SiO₂)y(CaO)z，其中x，y，z为各组分的摩尔百分含量(如下所述)。本发明更重要的是其组份范围除包括传统上具有生物活性的磷硅酸基玻璃外，还可以有效地拓展具有生物活性玻璃的组分范围，能够使一些含磷量较高的玻璃也具有生物活性，从而可实现在更大范围内调控生物活性玻璃的降解速率，为其实际应用提供便利。该类玻璃制备温度低，有望载入生物活性分子(如：蛋白质，抗菌素和化疗药物等)，并且其多孔特性可以用于药物负载及控释；同时，所选用的作为磷的前驱体的植酸(肌醇六磷酸，分子式：C₆H₁₈O₂₄P₆)与传统磷前驱体相比具有更小的毒性，从而提高材料的生物相容性。

本发明的磷硅酸基玻璃的制备方法是：以植酸作为磷的前驱体，以正硅酸乙酯(TEOS)作为硅的前驱体，以四水硝酸钙(Ca(NO₃)₂·4H₂O)、硝酸钙或氯化钙作为钙的前躯体；以反应介质水、乙醇或乙醇和水的混合物作为溶剂，将植酸、正硅酸乙酯及四水硝酸钙、硝酸钙或氯化钙混合配制成凝胶前驱体溶胶溶液；将配制的凝胶前驱体溶胶溶液在室温下放置直到凝胶；于60℃陈化(一般在1天以上)，然后取出放入烘箱中烘烤(一般在120℃左右的烘箱中烘烤)，使其中的溶剂全部挥发，降温至室温，然后将温度由室温升温至温度为300～400℃，将干的凝胶在温度为300～400℃下(如管式炉中)恒温进行烧结至少10分钟后自然冷却，从而得到磷硅酸基玻璃；其中：植酸、正硅酸乙酯及四水硝酸钙、硝酸钙或氯化钙的加入量是通过磷硅酸基玻璃中的P₂O₅、SiO₂和CaO的摩尔百分含量来体现，所得磷硅酸基玻璃中的P₂O₅的摩尔百分含量为0.5％～68％，SiO₂的摩尔百分含量为13.2％～99％，CaO的摩尔百分含量为0.5～80％。

当所述的磷硅酸基玻璃中的P₂O₅/SiO₂的摩尔比值为0.1～4，并且CaO的摩尔百分含量在磷硅酸基玻璃中为15％～75％之间时，所述的磷硅酸基玻璃具有生物活性，可称为生物活性磷硅酸基玻璃(生物活性指的是在模拟人体液(SBF)中，所述的磷硅酸基玻璃表面能生成羟基磷灰石)。

所述的将温度由室温升温至温度为300～400℃，是在空气中将温度由室温以5℃/min的升温速度升温到300～400℃。

由凝胶前驱体形成的溶胶溶液可以通过浸沾或喷涂的方法在其它材料表面形成膜。

本发明所选用的植酸具有比传统磷前驱体更低的毒性，可食用，同时在反应过程中起到自催化作用，能够制备出在更大组分范围内具有的生物活性的所述玻璃，更大程度上控制所述玻璃的降解速度。

本发明所采用的溶胶凝胶法得到的样品在300～400℃下烧结，比前人所用的烧结温度低。

本发明所得的磷硅酸基玻璃在模拟人体液(SBF)中能逐渐降解，并在磷硅酸基玻璃表面生成羟基磷灰石；通过调整磷硅酸基玻璃的成分(如：P₂O₅、SiO₂和CaO的摩尔百分含量)能够实现对磷硅酸基玻璃的降解性能进行控制。所述磷硅酸基玻璃材料可用于制备骨组织工程材料，用于骨修复和再生领域中。

本发明提供的磷硅酸基玻璃的制备方法的特点是：

1)本发明所选用的含磷前驱体植酸与前人所用的磷前驱体相比具有更小的细胞毒性，可食用，且其本身就可以催化溶胶凝胶反应，不需要额外再加催化剂。所用溶剂水、乙醇均为无毒或低毒溶剂，会使得到的材料具有更好的生物相容性。

2)本发明以植酸替代前人所用的磷前驱体，能够制备出在更大组分范围内具有生物活性的所述玻璃，从而更好的控制材料的降解。

3)本发明提供的方法，反应温度低。

4)本发明得到的所述生物活性磷硅酸基玻璃中P₂O₅和SiO₂的摩尔比以及CaO的摩尔百分含量对玻璃的生物活性具有很大的影响，实验证明采用本发明所提供的工艺参数，宜选用的P₂O₅/SiO₂的摩尔比值为0.1～4，并且CaO的摩尔百分含量在磷硅酸基玻璃中应该为15％～75％之间。

5)本发明所得到的磷硅酸基玻璃材料是多组分的组成可调的无定形材料。

附图说明

图1a及图1b.本发明实施例2提供的样品浸泡前(图1a)及浸泡后(图1b)的SEM图。

图2.本发明实施例2提供的样品浸泡前及浸泡后的XRD图。

图3a及图3b.本发明实施例3提供的样品浸泡前(图3a)及浸泡后(图3b)的SEM图。

图4.本发明实施例3提供的样品浸泡前及浸泡后的XRD图。

具体实施方式

实施例1：制备磷硅酸基玻璃

按照制备表1磷硅酸基玻璃样品中的P₂O₅、SiO₂和CaO摩尔百分含量，将相对应含量的前驱体(植酸、正硅酸乙酯和四水硝酸钙)配制成凝胶前驱体溶液(将四水硝酸钙换成氯化钙或硝酸钙均不影响结果)。首先，取前驱体植酸于10ml的样品瓶中，然后依次加入正硅酸乙酯(TEOS)，乙醇和水(体积比约为1∶1，加入量以能溶解前述前驱体即可)，搅拌30min，在搅拌过程中加入Ca(NO₃)₂·4H₂O(或氯化钙、或硝酸钙)，得到凝胶前驱体溶胶溶液。将配制的凝胶前驱体溶胶溶液在室温下放置直到凝胶(通常需要2～10天，取决于各前驱体之间的比例)，将凝胶放入60℃烘箱中陈化1天以上，然后再放入120℃烘箱中烘烤1周使其中的溶剂全部挥发，降温至室温。在空气中将管式炉的温度由室温以5℃/min的升温速度升温到300～400℃，将干的凝胶在300℃～400℃下的管式炉中恒温进行烧结至少10分钟后自然冷却，得到磷硅酸基玻璃样品。也可将上述由凝胶前驱体形成的溶胶溶液通过浸沾或喷涂的方法在其它材料表面形成膜，最终得到磷硅酸基玻璃涂层。

其中，磷硅酸基玻璃样品中所对应的P₂O₅、SiO₂和CaO的摩尔百分含量如表1所示；磷硅酸基玻璃样品1至5均具有生物活性。

表1：不同样品中的P₂O₅、SiO₂和CaO摩尔百分含量

样品	P₂O₅	SiO₂	CaO	P₂O₅∶SiO₂的摩尔比值
					1	5.9％	59.1％	35.0％	0.1
2	24.4％	40.6％	35.0％	0.6
					3	16.6％	18.4％	65.0％	0.9

4	11.8％	13.2％	75％	0.9
					5	68.0％	17.0％	15.0％	4
6	0.5	99.0％	0.5	0.005
					7	3.0％	17.0％	80％	0.18
8	68％	15％	17％	4.5
					9	40％	50％	10％	0.8

实施例2：生物活性测试

将实施例1中得到的磷硅酸基玻璃样品2(P₂O₅-24.4％，SiO₂-40.6％，CaO-35.0％)在模拟人体液(表2中的SBF)中(37.0±0.5℃)浸泡14天后，样品表面形成一层致密均匀的羟基磷灰石。其浸泡前后的微观形貌图如图1a及图1b所示。浸泡前后的X射线衍射谱图如图2所示。

表2：血浆(人体)及模拟人体液的离子浓度

实施例3：生物活性测试

将实施例1得到的生物活性磷硅酸基玻璃样品3(P₂O₅-16.6％，SiO₂-18.4％，CaO-65.0％)在模拟人体液(表2中的SBF)中(37.0±0.5℃)浸泡14天后，样品表面形成一层致密均匀的羟基磷灰石。其浸泡前后的微观形貌图如图3a及图3b所示。浸泡前后的X射线衍射谱图如图4所示。与图2的X射线衍射图谱比较可以看出，样品3的羟基磷灰石形成速度大于样品2。

实施例4：溶解速度测试

将实施例1得到的磷硅酸基玻璃样品5(P₂O₅-68.0％，SiO₂-17.0％，CaO-15.0％)在模拟人体液(表2中的SBF)中(37.0±0.5℃)浸泡2h后，样品完全溶解。这说明随着P₂O₅∶SiO₂的摩尔百分含量比值的增大，样品的降解速度增大。即通过调整P₂O₅与SiO₂的摩尔比值可以控制磷硅酸基玻璃的降解速度；同时，提高CaO的摩尔百分含量，减缓玻璃的降解速度。

实施例5：溶解速度测试

将实施例1得到的生物活性磷硅酸基玻璃样品1(P₂O₅-5.9％，SiO₂-59.1％，CaO-35.0％)在模拟人体液(表2中的SBF)中(37.0±0.5℃)浸泡14天后，样品部分降解，且仍处于整块状态。这说明随着P₂O₅∶SiO₂的摩尔百分含量比值的减小，样品的降解速度减小。即通过调整P₂O₅与SiO₂的摩尔比值可以控制磷硅酸基玻璃的降解速度；同时，提高CaO的摩尔百分含量，减缓玻璃的降解速度。

Claims

1.一种磷硅酸基玻璃的制备方法，其特征是：以水、乙醇或乙醇和水的混合物作为溶剂，将植酸、正硅酸乙酯及四水硝酸钙、硝酸钙或氯化钙混合配制成凝胶前驱体溶胶溶液；将配制的凝胶前驱体溶胶溶液在室温下放置直到凝胶；于60℃陈化，然后取出放入烘箱中烘烤，使其中的溶剂全部挥发，降温至室温，然后将温度由室温升温至温度为300～400℃，将干的凝胶在温度为300～400℃下恒温进行烧结至少10分钟后自然冷却，从而得到磷硅酸基玻璃；其中：植酸、正硅酸乙酯及四水硝酸钙、硝酸钙或氯化钙的加入量是通过磷硅酸基玻璃中的P₂O₅、SiO₂和CaO的摩尔百分含量来体现，所得磷硅酸基玻璃中的P₂O₅的摩尔百分含量为0.5％～68％，SiO₂的摩尔百分含量为13.2％～99％，CaO的摩尔百分含量为0.5～80％。

2.根据权利要求1所述的磷硅酸基玻璃的制备方法，其特征是：当所述的磷硅酸基玻璃中的P₂O₅/SiO₂的摩尔比值为0.1～4，并且CaO的摩尔百分含量在磷硅酸基玻璃中为15％～75％之间时，所述的磷硅酸基玻璃具有生物活性。

3.根据权利要求1所述的磷硅酸基玻璃的制备方法，其特征是：所述的将温度由室温升温至温度为300～400℃，是在空气中将温度由室温以5℃/min的升温速度升温到300～400℃。

4.根据权利要求1所述的磷硅酸基玻璃的制备方法，其特征是：所述的烘箱的温度为120℃。

5.根据权利要求1所述的磷硅酸基玻璃的制备方法，其特征是：所述的由凝胶前驱体形成的溶胶溶液通过浸沾或喷涂的方法在其它材料表面形成膜。