CN101955174A

CN101955174A - 一种磁性介孔磷灰石微球材料的制备方法

Info

Publication number: CN101955174A
Application number: CN 201010287688
Authority: CN
Inventors: 郭亚平; 姚勇波; 郭亚军; 褚联峰
Original assignee: Shanghai Normal University
Current assignee: Shanghai Normal University; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2010-09-20
Publication date: 2011-01-26

Abstract

本发明涉及无机非金属材料和医用材料领域，公开了一种磁性介孔磷灰石微球材料的制备方法，以贝壳为原料，采用原位模板牺牲法，首先用原位复合技术制备出磁性碳酸钙微球，再将磁性碳酸钙微球经磷酸缓冲溶液处理后转化成磁性介孔磷灰石微球。这种磁性介孔磷灰石微球具有较大的比表面积、较高的磁性能、优良的药物缓释性能、磁性能、生物相容性和生物活性，可应用于磁靶向药物载体、磁热疗、骨修复材料等领域；以贝壳作为原料，成本低；制备过程均在低温常压下进行，不仅具有节能，而且不产生污染环境的化学物质。

Description

一种磁性介孔磷灰石微球材料的制备方法

技术领域

本发明涉及无机非金属材料和医用材料领域，具体公开了一种磁性介孔磷灰石微球材料的制备方法。

背景技术

磷灰石是人体骨额、牙齿等硬组织的主要无机成分，具有良好的生物相容性、生物活性、无毒副作用、无免疫反应等优点，植入体内后可以促进新骨的生长，已经被广泛的应用于人体硬组织替代材料和修复材料。1992年Mobil公司的Kresge和Beck等以烷基季铵盐阳离子表面活性剂在溶液中形成的超分子结构为模板剂，通过溶胶-凝胶过程，制备出硅基-MCM-41介孔分子筛 [Nature 359 (1992): 710~712]。介孔材料的出现使分子筛的孔径范围由微孔扩展到介孔，成为分子筛科学发展史上的一个重要里程碑。介孔材料由于具有较大的比表面积和孔容，使其在催化、吸附、止血剂、传感等领域具有广阔的应用潜力。介孔磷灰石兼顾了磷灰石和介孔材料的优异性能，大大拓展了它在酶和蛋白质分离、药物缓释系统、骨修复材料等生物医药领域的应用前景。

磁性纳米粒子具有良好的生物相容性，已被用作磁靶向药物载体和铁磁热籽：(i) 磁性纳米粒子负载一定量的抗癌药物后，在外加磁场作用下能够有效地、选择性地、定点定向地聚集到肿瘤病灶处，使其所含药物在病变部位稳定释放，从而提高疗效，降低对正常组织的毒副作用 [Nanotechnology 20(2009):305101-305111]；(ii) 在体外交变磁场作用下，纳米磁靶向药物载体产生磁滞、Nel松弛或者诱导涡流等物理现象，使得导入肿瘤病灶区域的磁粒发热。如果加热温度在42℃持续30min以上，就可以达到破坏肿瘤细胞的目的 [J Phs D Appl Phys 36 (2003): R167-R181]。然而，直接用磁性纳米粒子作为载体，即使表面功能化处理后，药物分子只能负载在粒子表面，导致载药量低。此外，Bock等将磁性粒子引入到骨组织工程中，发现磁性支架有助于人骨髓间充质干细胞的附着和增殖 [Acta Biomater 6 (2010): 786-796]。采用模拟体液浸泡实验研究发现磁性Fe₃O₄纳米粒子能够提高介孔磷灰石涂层的体外生物活性 [Acta Biomater 4 (2008): 923-931]。

如果磁性纳米粒子表面包覆一层介孔磷灰石，则不仅可以显著提高纳米磁靶向药物载体的载药量，而且更适合用于治疗由于骨肿瘤、骨肿囊等引起的骨缺损，其优点如下：(i) 介孔磷灰石具有较大的比表面积和孔容，其载药量高于普通磷灰石，已被广泛用作药物、基因等载体；(ii) 磷灰石晶体中的羟基能够与药物分子中的羟基或者氨基等形成氢键作用，显著提高结合强度，避免药物过早释放；(iii) 磷灰石是动物和人体骨骼的主要无机矿物成分，具有良好的生物活性和生物相容性，是常用的骨修复材料。

磁性介孔磷灰石的制备方法主要包括硬模板法和软模板法两种。专利（CN 101337665A）发明了一种有序多孔磁性羟基磷灰石的制备方法，首先以有序排列的SiO₂为模板，经过羟基磷灰石前驱体的滴加、烧结、碱液移除等工艺制备出有序多孔羟基磷灰石，然后与磁性纳米粒子通过静电组装和毛细作用形成磁性多孔羟基磷灰石。此工艺的主要缺点是工序复杂，而且磁性纳米粒子并不能被羟基磷灰石有效、均匀的包覆。专利（CN 1446589A）报道了利用多孔磷酸钙骨水泥装载抗菌药和抗肿瘤药，但其孔结构不均匀，导致药物缓释效果受限制。专利（CN 101759170A）以十二烷基磺酸钠为模板，以硝酸钙、磷酸氢二铵、氯化铁、氯化亚铁和氢氧化钠为原料采用原位模板合成方法制备了磁性层状羟基磷灰石，其层间距为3.1 nm。采用上述几种方法制备的磁性羟基磷灰石的表面形貌都不易控制，会影响其药物缓释性能和生物降解性能。因此，为克服缺陷，需要提出一种新的制备方法。

发明内容

本发明旨在提供一种磁性介孔磷灰石微球材料的制备方法。

针对现有技术中所制备的磁性介孔羟基磷灰石微球的表面形貌不易控制，影响其药物缓释性能和生物降解性能的缺陷，本发明提出一种以贝壳为原料，采用原位模板牺牲法制备单分散磁性介孔磷灰石微球的新方法，首先采用原位复合技术制备出磁性碳酸钙微球，再将磁性碳酸钙微球经磷酸缓冲溶液处理后转化成磁性介孔磷灰石微球。

一种磁性介孔磷灰石微球材料的制备方法，其步骤包括：

（1）将贝壳珍珠层溶于无机酸溶液，过滤后取滤液，调节至中性pH=6.5~7.5，得到含贝壳有机质的钙盐溶液；其中钙离子含量优选为0.1～0.5M；无机酸可选用盐酸、硫酸或硝酸；

（2）采用原位复合技术制备出磁性碳酸钙微球，即将磁性纳米粒子分散到含贝壳有机质的钙盐溶液中，加入碳酸盐溶液，搅拌1～4hr，取沉淀洗涤干燥，得到磁性碳酸钙微球；磁性纳米粒子在磁性碳酸钙微球中的质量含量为2.0~30%；碳酸盐溶液中的碳酸根离子浓度优选为0.1～0.5M；

（3）将表面活性剂、助表面活性剂、不溶于水的有机溶剂和可溶性磷酸盐溶液混合，搅拌均匀后形成乳状液；再加入磁性碳酸钙微球，20～60℃下反应3hr～5d；

其中助表面活性剂、不溶于水的有机溶剂和可溶性磷酸盐溶液的体积比为1:5~10:1~3；可溶性磷酸盐溶液的浓度为0.2M～饱和，表面活性剂浓度为0.05~0.8g/ml；所述的不溶于水的有机溶剂为脂肪烃或芳香烃，如碳链为5~16的烷烃类或环烷烃，或者苯、甲苯、二甲苯等芳香烃；优选为环己烷或甲苯。

表面活性剂可以为阳离子表面活性剂，如胺盐、季铵盐、杂环类阳离子表面活性剂等；也可以是阴离子表面活性剂，如高级脂肪酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐、N-酰基氨基酸盐、磷酸酯盐等，可选用上述表面活性剂中的一种或多种；优选为十六烷基三甲基溴化铵或十二烷基苯磺酸钠。

助表面活性剂是碳链为3~8的醇类，即丙醇~辛醇中的任何一种或多种，优选为正丁醇或正戊醇。

可溶性磷酸盐优选为磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸钾、磷酸氢二铵或磷酸二氢铵。

磁性纳米粒子优选为Fe₃O₄、γ-Fe₂O₃或Mn-Zn铁氧体。

采用本发明制备的磁性介孔磷灰石微球，经扫描电镜检测，粒径分布均匀，微球呈花瓣状结构，薄片相互交联在一起，磁性纳米粒子均匀的分散在微球中。经X射线衍射、傅立叶红外光谱、X射线能谱仪检测表明得到的磷灰石为B-型碳酸根型羟基磷灰石，Ca/P摩尔比为1.30～1.67。比表面和孔径分布分析仪测定表明磁性介孔磷灰石微球的比表面积为60~200 m²/g，粒径为3～6μm，孔径主要分布在3.9~9.0nm。功能微球的磁性能主要取决于反应体系中磁性纳米粒子的加入量。功能微球的磁性能大小可以通过改变磁性纳米粒子和磷灰石的质量比进行调控。

这种磁性介孔磷灰石微球具有较大的比表面积、较高的磁性能、优良的药物缓释性能、磁性能、生物相容性和生物活性，可应用于磁靶向药物载体、磁热疗、骨修复材料等领域。

本发明的优点如下：(1) 本发明使用贝壳作为原料，不仅价廉、取材广泛，而且贝壳中的有机质具有良好的生物相容性和生物活性；(2) 磁性介孔磷灰石微球的制备过程均在低温常压下进行，不仅具有节能，而且不产生污染环境的化学物质；(3) 磁性介孔磷灰石微球具有良好的磁性能、较高的磁性能、优良的生物相容性和生物活性，可用于磁靶向药物载体、铁磁热籽和骨修复材料；(4) 磁性介孔磷灰石微球形貌规则，粒径分布均匀，介孔的孔径可控；(5) 生产工艺简单，设备投资少，环境友好。

附图说明

图1为实施例1所得磁性介孔磷灰石微球的SEM图

图2为实施例1所得磁性介孔磷灰石微球的磁化曲线。

具体实施方式

实施例1。

1. 配制含贝壳有机质的氯化钙溶液：首先用刷子除去贝壳表面的杂质，并用自来水冲洗干净。用砂纸磨去表壳层和棱柱层后，超声5 min，然后用去离子水和无水乙醇清洗干净，置于鼓风干燥箱60 ℃下干燥48 h，得到具有光泽的贝壳珍珠层。将贝壳珍珠层在1.0 mol/L HCl溶液中浸泡1天。用布氏漏斗过滤，滤掉难溶于盐酸的贝壳有机质。滴加1.0 mol/L NaOH溶液直至滤液的pH值为7.0，然后用去离子水稀释直到溶液中钙离子浓度为0.25 mol/L，最后得到含贝壳有机质的CaCl₂溶液。

2. 配制碳酸钠溶液：将5.30 g无水碳酸钠 (Na₂CO₃) 溶于200 mL去离子水，得到浓度为0.25 mol/L的碳酸钠溶液。

3. 磁性碳酸钙微球的制备：先将0.55 g Fe₃O₄磁性纳米粒子（比饱和磁化强度62.4emu/g）分散到200 mL含贝壳有机质的CaCl₂溶液中，然后快速倒入200 mL碳酸钠溶液，生成棕色沉淀，继续搅拌1.5 h。经过过滤，用去离子水洗涤数遍，在80℃的烘箱中干燥，得到磁性碳酸钙微球。

4. 配制乳状液：将7.29 g十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 溶于40 mL环己烷和5.48 mL正丁醇的混合液。2.15 g Na₂HPO₄·12H₂O溶于7.2 mL去离子水（0.83M），然后滴加到上述混合液中，搅拌均匀后形成乳状液。

5. 磁性介孔磷灰石微球的制备：称取0.60 g 磁性碳酸钙微球与乳状液混合，在37℃下反应5天，得到磁性介孔磷灰石微球，用去离子水洗涤数遍，在60~100℃的烘箱中干燥。

6. 测试：磁性介孔磷灰石微球的粒径为~5.0 μm，Ca/P摩尔比~1.5，磁性纳米粒子在微球中的质量含量为10.7%，粒径分布均匀，微球呈花瓣状结构，薄片相互交联在一起，磁性纳米粒子均匀分散在微球中。介孔孔径分布在3.9nm～9.0nm，比表面积为94.2m²/g，比饱和磁化强度变为6.7 emu/g。SEM图和磁化曲线如图1和图2所示。

实施例2。

1. 配制含贝壳有机质的氯化钙溶液：首先用刷子除去贝壳表面的杂质，并用自来水冲洗干净。用砂纸磨去表壳层和棱柱层后，超声5 min，然后用去离子水和无水乙醇清洗干净，置于鼓风干燥箱60℃下干燥48 h，得到具有光泽的贝壳珍珠层。将贝壳珍珠层在1.0 mol/L HCl溶液中浸泡1天。用布氏漏斗过滤，滤掉难溶于无机酸的贝壳有机质。滴加1.0 mol/L NaOH溶液直至滤液的pH值为7.0，然后用去离子水稀释直到溶液中钙离子浓度为0.10 mol/L，最后得到含贝壳有机质的CaCl₂溶液。

2. 配制碳酸钠溶液：将2.12 g无水碳酸钠 (Na₂CO₃) 溶于200 mL去离子水，得到浓度为0.10 mol/L的碳酸钠溶液。

4. 配制乳状液：将7.29 g十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 溶于40 mL环己烷和5.48 mL正丁醇的混合液。2.15 g Na₂HPO₄·12H₂O溶于7.2 mL去离子水，然后滴加到上述混合液中，搅拌均匀后形成乳状液。

5. 磁性介孔磷灰石微球的制备：称取0.60 g 磁性碳酸钙微球与乳状液混合，在50℃下反应24h，得到磁性介孔磷灰石微球，用去离子水洗涤数遍，在60℃的烘箱中干燥。

6. 测试：磁性介孔磷灰石微球的粒径为5.0 μm，Ca/P摩尔比为1.5，磁性纳米粒子在微球中的质量含量为26.5%，介孔孔径分布在~3.9nm，比表面积为50.5 m²/g，比饱和磁化强度变为16.8 emu/g。

表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵可以用十二烷基苯磺酸钠代替；或者用硝酸代替盐酸；或者助表面活性剂正丁醇用正戊醇代替；或者溶剂环己烷用甲苯代替，均可得到磁性介孔磷灰石微球。

实施例3。

1. 配制含贝壳有机质的氯化钙溶液：首先用刷子除去贝壳表面的杂质，并用自来水冲洗干净。用砂纸磨去表壳层和棱柱层后，超声5 min，然后用去离子水和无水乙醇清洗干净，置于鼓风干燥箱60℃下干燥48 h，得到具有光泽的贝壳珍珠层。将贝壳珍珠层在1.0 mol/L HCl溶液中浸泡1天。用布氏漏斗过滤，滤掉难溶于无机酸的贝壳有机质。滴加1.0 mol/L NaOH溶液直至滤液的pH值为7.0，然后用去离子水稀释直到溶液中钙离子浓度为0.25 mol/L，最后得到含贝壳有机质的CaCl₂溶液。

3. 磁性碳酸钙微球的制备：先将0.4 g Fe₃O₄磁性纳米粒子分散到200 mL含贝壳有机质的CaCl₂溶液中，然后快速倒入200 mL碳酸钠溶液，生成棕色沉淀，继续搅拌1.5 h。经过过滤，用去离子水洗涤数遍，在80℃的烘箱中干燥，得到磁性碳酸钙微球。

5. 磁性介孔磷灰石微球的制备：称取0.60 g 磁性碳酸钙微球与乳状液混合，在50℃下分别反应3h、6h、12h和24h，得到四种磁性介孔磷灰石微球，用去离子水洗涤数遍，在60℃的烘箱中干燥。样品编号依次为MHA-3h、MHA-6h、MHA-12h、MHA-24h。

实施例4。

1. 选用实施例3制得的四种磁性介孔羟基磷灰石微球。

2．配制PBS溶液：称取 8.00 g 氯化钠、0.20g 氯化钾、2.98 g Na₂HPO₄·12H₂O、0.52 g NaH₂PO₄·2H₂O溶于1000ml蒸馏水中。

3. 称取 0.40 g万古霉素溶于20 ml 磷酸缓冲溶液（PBS）中，将 0.40 g 磁性介孔羟基磷灰石微球加入到上述溶液中。在37 ℃，150 r/min 下搅拌12h，离心分离，取沉淀物在 50 ℃下真空干燥，得到载药磁性介孔羟基磷灰石微球。

4. 磁性介孔羟基磷灰石微球药物释放：称取 0.04 g 载药磁性介孔羟基磷灰石微球，用透析量 3000 的半透膜透析袋包裹。放入装有 50 ml PBS溶液中，37℃ 下以150r/min 搅拌，检测磁性介孔羟基磷灰石微球的药物释放性能，结果如表一。

表一磁性介孔羟基磷灰石微球的载药量及药物缓释性能

Figure 2010102876888100002DEST_PATH_IMAGE005

。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种磁性介孔磷灰石微球材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：

（1）将贝壳珍珠层溶于无机酸溶液，过滤后取滤液，调节至中性pH=6.5~7.5，得到含贝壳有机质的钙盐溶液；

（2）将磁性纳米粒子分散到含贝壳有机质的钙盐溶液中，加入碳酸盐溶液，搅拌1～4hr，取沉淀洗涤干燥，得到磁性碳酸钙微球；磁性纳米粒子在磁性碳酸钙微球中的质量含量为2.0~30%；

（3）将表面活性剂、助表面活性剂、不溶于水的有机溶剂和可溶性磷酸盐溶液混合，搅拌均匀后形成乳状液，再加入磁性碳酸钙微球，20～60℃下反应3hr～5d；

所述的助表面活性剂、不溶于水的有机溶剂和可溶性磷酸盐溶液的体积比为1:5~10:1~3；可溶性磷酸盐溶液的浓度为0.2M～饱和，乳状液中表面活性剂浓度为0.05~0.8g/ml；

所述的不溶于水的有机溶剂为脂肪烃或芳香烃；所述表面活性剂选自胺盐、季铵盐或杂环类阳离子表面活性剂，或者高级脂肪酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐、N-酰基氨基酸盐或磷酸酯盐类阴离子表面活性剂中的一种或多种；所述的助表面活性剂选自碳链为3~8的醇类中的一种或多种。

2.权利要求1所述磁性介孔磷灰石微球材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述含贝壳有机质的钙盐溶液中的钙离子含量为0.1～0.5M。

3.权利要求1所述磁性介孔磷灰石微球材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述碳酸盐溶液中的碳酸根离子浓度为0.1～0.5M。

4.权利要求1所述磁性介孔磷灰石微球材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的不溶于水的有机溶剂选自碳链为5~16的烷烃类或环烷烃、苯、甲苯或二甲苯。

5.权利要求1或4所述磁性介孔磷灰石微球材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的不溶于水的有机溶剂为环己烷或甲苯。

6.权利要求1所述磁性介孔磷灰石微球材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵或十二烷基苯磺酸钠。

7.权利要求1所述磁性介孔磷灰石微球材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的助表面活性剂为正丁醇或正戊醇。

8.权利要求1所述磁性介孔磷灰石微球材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述磁性纳米粒子为Fe₃O₄、γ-Fe₂O₃或Mn-Zn铁氧体。

9.权利要求1所述磁性介孔磷灰石微球材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述可溶性磷酸盐为磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸钾、磷酸氢二铵或磷酸二氢铵中的至少一种。