CN102464307A - 一种羟基磷灰石纳米晶粒的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物材料领域，涉及一种可调控羟基磷灰石纳米晶粒均匀尺寸和有序排列的制备方法。所述方法将钙源、磷源、无脂肪的蛋白质胶体加入有机溶剂和水的混合溶剂中，用pH调节剂调节溶液的pH=10~14，经水浴恒温反应得到混合液；然后转移到内部衬有聚四氟乙烯的密封不锈钢反应釜中经水热反应得到中间产品，最后经水洗、冷冻干燥得到最终产品。所述方法可制得尺寸均匀和统一形貌且具有一定的平行排列的羟基磷灰石纳米棒状结构。所述羟基磷灰石纳米晶粒可广泛用作齿科材料、骨替代材料和生物制剂等生物材料。

Description

一种羟基磷灰石纳米晶粒的制备方法

技术领域

本发明属于生物材料领域，涉及一种可调控羟基磷灰石纳米晶粒均匀尺寸和有序排列的制备方法。

背景技术

牙齿组织是人体最坚硬的组织。蛀齿、外伤、疾病等，都会造成牙齿组织的损伤或损坏，需要人工齿科材料的修补。齿科材料是一种重要的生物材料，在临床应用中，占有重要的地位。随着人口的增长与老年化，人类牙齿替代材料的需求量逐年增长。我国是一个人口大国，每年齿科材料的需求量都非常大。

羟基磷灰石是一种重要的齿科生物材料，具有良好的生物相容性和生物活性，以及可靠的力学性能，广泛存在于人的骨骼和牙齿的结构中。牙齿的牙釉中，95％以上的成分是羟基磷灰石。这些羟基磷灰石的结构非常复杂，由20到30nm宽，500nm到10几μm长的羟基磷灰石纳米棒定向排列形成。传统的制备工艺，不能得到与人体牙釉组织相似的羟基磷灰石结构。基于生物仿生的思路，研究开发具有和人体组织类似的羟基磷灰石结构，具有重要的科学意义和实用价值。

目前的研究中，有采用十二烷基胺盐[Self-organization of hydroxyapatite nanorodsthrough oriented attachment，Biomaterials 2007，28(14)，2275-2280]或P123[Biomimeticsynthesis of oriented hydroxyapatite mediated by nonionic surfactants，Nanotechnology 2008，19(24)]作为表面活性剂来制备羟基磷灰石。但是这类方法中，所得的材料有序度范围较小，材料的尺寸结构和人体组织的尺寸结构也有差距，不能满足人体牙釉组织的尺寸和结构。Zhan等人采用明胶为原料之一的制备羟基磷灰石方法[Biomimetic formation ofhydroxyapatite nanorods by a single-crystal-to-single-crystal transformation，AdvancedFunctional Materials，2005，15(12)，2005-2010.]中，得到的是100微米左右的羟基磷灰石棒，尺寸远大于生物体中羟基磷灰石的尺寸。

发明内容

本发明的目的是提供一种可调控羟基磷灰石纳米晶粒均匀尺寸和有序排列的制备方法，采用一种无脂肪的蛋白质胶体为原料之一，制得尺寸均匀、形貌统一且具有定向排列的纳米羟基磷灰石晶粒，所述羟基磷灰石纳米晶粒可广泛用作齿科材料、骨替代材料和生物制剂等生物材料。

一种羟基磷灰石纳米晶粒的制备方法，包括如下步骤：

(1)、将钙源、磷源、无脂肪的蛋白质胶体加入有机溶剂和水的混合溶剂中，用pH调节剂调节溶液的pH＝10～14，其中，钙和磷的摩尔比为5∶3，钙源在溶液中的摩尔浓度为0.1mol/L-2mol/L，无脂肪的蛋白质胶体在溶液中的质量浓度为5g/L-40g/L，经水浴恒温反应得到混合液；其中，所述有机溶剂和水的体积比为1/4～4/1，反应温度为20～80℃，反应时间为1～24h。

(2)、反应后的混合液转移到内部衬有聚四氟乙烯的密封不锈钢反应釜中经水热反应得到所述羟基磷灰石，其中，水热反应温度为100～250℃，保温2～100h。

(3)、水洗、冷冻干燥得到最终产品。

步骤(2)中所述反应釜可以置于烘箱中进行保温。

步骤(1)采用两种或两种以上不同的磷源或钙源。

优选的，所述钙源为一种或两种含钙化合物，所述磷源为两种含磷化合物；或者所述钙源为两种含钙化合物，所述磷源为一种含磷化合物。

所述含钙化合物选自硝酸钙、氯化钙、氢氧化钙等常用含钙化合物。

所述含磷化合物选自磷酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二铵等常用含磷化合物。

所述pH调节剂包括氢氧化钠、氢氧化钾、氨水等常用碱性试剂。

所述无脂肪的蛋白质胶体包括天然和人工合成的各种结构和分子量的胶原蛋白、鱼胶、明胶、胶原多肽等常用无脂肪的蛋白质胶体。

所述有机溶剂包括甲醇、乙醇、丁醇、丙酮等常用有机溶剂。

本发明的羟基磷灰石纳米晶粒制备方法，可以得到白色的羟基磷灰石纳米晶体粉末。XRD表征表明粉体具有典型的羟基磷灰石的峰形。TEM和SEM表征可以看到平行排列的棒状羟基磷灰石纳米晶体形成的束状结构，结构类似牙齿的牙棱柱结构。所述棒状纳米晶体的长度为200nm～1μm，直径为20～50nm，这种结构尺寸接近人体的牙釉中羟基磷灰石的结构尺寸。

本发明的羟基磷灰石纳米晶粒制备方法的特点在于，采用以下各原料及适当的反应条件调节结晶的生长、控制反应合成的过程，具体为，采用了一种无脂肪的蛋白质胶体，采用了有机溶液和水的混合溶液作为溶剂，采用了两种或两种以上不同的磷源和钙源，即同时采用了超过一种的含有磷酸根离子或钙离子的物质，是一种多元复合的磷源或钙源；先在一定温度和时间下恒温反应，后经过一定时间和温度的水热处理过程，得到纳米羟基磷灰石，尺寸接近于人体牙釉质中的羟基磷灰石。本发明方法区别于通常的羟基磷灰石采用单一磷源和钙源的制备方法，也区别于2005年Zhan等人采用明胶的方法得到100微米左右的羟基磷灰石棒，100微米这一尺寸远大于生物体中羟基磷灰石的尺寸。

本发明制备方法中多元复合的磷源或钙源对纳米羟基磷灰石调整的原理是：对于羟基磷灰石晶格的钙离子和磷酸根离子位置，可以被其他离子所取代。钙离子可被钠离子等取代，而钾离子和氨离子不能取代钙离子，但是会影响羟基磷灰石的形貌。磷酸根离子可被氟离子和碳酸根离子等取代，但不会被硝酸根、氯离子等取代，但是同样会影响羟基磷灰石的形貌。复合钙源和磷源的方法，就是基于此原理，对羟基磷灰石的生长进行调控，从而得到类似牙釉形貌的纳米羟基磷灰石。

与Zhan的方法不同处在于以下几点：1、反应温度不同，本发明方法温度为20-80℃，而Zhan等人温度为100℃。2、溶剂不同，本发明方法采用了有机溶剂和水的混合溶剂，Zhan等人采用的是纯水作为溶剂。3、Zhan等人采用将尿素加入到反应中，缓慢释放氢氧根离子，本发明方法在钙源和磷源反应后直接滴加碱性溶液。4、Zhan等人仅采用了一种磷源和钙源，本方法采用复合的磷源和钙源。5、Zhan等人的钙源前躯体是八钙磷酸钙，初始的钙磷摩尔比是1∶1，而本发明方法中初始的钙磷摩尔比为5∶3。

本发明的设备仪器和药品：恒温磁力搅拌器、恒流滴泵、内部衬有聚四氟乙烯的密封不锈钢反应釜、烘箱、钙源采用硝酸钙、氯化钙等(一种或两种以上)、磷源采用磷酸氢二钠、磷酸氢二铵等(一种或两种以上)、采用氢氧化钠或氨水等含有氢氧根的碱性溶液调节溶液的pH值、同时采用一种无脂肪的蛋白质胶体控制合成过程及合成产品的结构。

附图说明

图1实施例1中所得的羟基磷灰石纳米晶粒的XRD图谱

图2实施例1中所得的羟基磷灰石纳米晶粒的SEM图谱

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

实施例1

(1)将硝酸钙(0.3mol/L)、氯化钙(0.2mol/L)、磷酸氢二钠(0.3mol/L)、胶原蛋白(20g/L)，加入乙醇和水的混合溶剂(2∶1)中，再加入氢氧化钠溶液调节至pH＝11，水浴恒温反应，所述反应温度为60℃，反应时间为5小时。

(2)将反应后的混合液取出转移到内部衬有聚四氟乙烯的密封不锈钢反应釜中经水热反应合成，所述水热反应温度为120℃，保温24h，取出中间产品。

(3)将中间产品水洗3次并过滤，冷冻干燥，得到最终产品。

将所得的产品经XRD与SEM测试表征得到图1和图2。

图1为实施例1中所得的羟基磷灰石纳米晶粒的XRD图谱，可知具有典型的羟基磷灰石的峰形，为羟基磷灰石纳米晶粒；图2为实施例1中所得的羟基磷灰石纳米晶粒的SEM图谱，从图中可知，所的产品为平行排列的棒状纳米晶体形成的束状结构，类似牙齿的牙棱柱结构。所述棒状纳米晶体的长度为200nm，直径为30nm，这种结构尺寸接近人体的牙釉中羟基磷灰石的结构尺寸。

实施例2

(1)将硝酸钙(1mol/L)、磷酸氢二钾(0.4mol/L)、磷酸氢二钠(0.2mol/L)、明胶(40g/L)，加入乙醇和水的混合溶剂(1∶2)中，再加入氢氧化钠溶液调节pH＝11，水浴恒温反应，所述反应温度为40℃，反应时间为3小时。

(2)将反应后的混合液取出转移到内部衬有聚四氟乙烯的密封不锈钢反应釜中经水热反应合成，所述水热反应温度为160℃，保温48h，取出中间产品。

(3)将中间产品水洗3次并过滤，冷冻干燥，得到最终产品。

经检测，所得产品为羟基磷灰石纳米晶粒，呈平行排列的棒状纳米晶体形成的束状结构，类似牙齿的牙棱柱结构。所述棒状纳米晶体的长度为200nm，直径为20nm，这种结构尺寸接近人体的牙釉中羟基磷灰石的结构尺寸。

实施例3

(1)将硝酸钙(0.1mol/L)、磷酸氢二钾(0.04mol/L)、磷酸氢二钠(0.02mol/L)、明胶(5g/L)，加入乙醇和水的混合溶剂(1∶4)中，再加入氢氧化钠溶液调节pH＝10，水浴恒温反应，所述反应温度为20℃，反应时间为24小时。

(2)将反应后的混合液取出转移到内部衬有聚四氟乙烯的密封不锈钢反应釜中经水热反应合成，所述水热反应温度为100℃，保温100h，取出中间产品。

(3)将中间产品水洗3次并过滤，冷冻干燥，得到最终产品。

经检测，所得产品为羟基磷灰石纳米晶粒，呈平行排列的棒状纳米晶体形成的束状结构，类似牙齿的牙棱柱结构。所述棒状纳米晶体的长度为1μm，直径为50nm，这种结构尺寸接近人体的牙釉中羟基磷灰石的结构尺寸。

实施例4

(1)将硝酸钙(2mol/L)、磷酸氢二钾(0.8mol/L)、磷酸氢二钠(0.4mol/L)、明胶(20g/L)，加入乙醇和水的混合溶剂(4∶1)中，再加入氢氧化钠溶液调节pH＝14，水浴恒温反应，所述反应温度为80℃，反应时间为1小时。

(2)将反应后的混合液取出转移到内部衬有聚四氟乙烯的密封不锈钢反应釜中经水热反应合成，所述水热反应温度为250C，保温2h，取出中间产品。

(3)将中间产品水洗3次并过滤，冷冻干燥，得到最终产品。

经检测，所得产品为羟基磷灰石纳米晶粒，呈平行排列的棒状纳米晶体形成的束状结构，类似牙齿的牙棱柱结构。所述棒状纳米晶体的长度为400nm，直径为40nm，这种结构尺寸接近人体的牙釉中羟基磷灰石的结构尺寸。

Claims (10)

1.一种羟基磷灰石纳米晶粒的制备方法，包括如下步骤：

(1)、将钙源、磷源、无脂肪的蛋白质胶体加入有机溶剂和水的混合溶剂中，用pH调节剂调节溶液的pH＝10～14，其中，钙和磷的摩尔比为5∶3，钙源在溶液中的摩尔浓度为0.1mol/L-2mol/L，无脂肪的蛋白质胶体在溶液中的质量浓度为5g/L-40g/L，经水浴恒温反应得到混合液；其中，所述有机溶剂和水的体积比为1/4～4/1，反应温度为20～80℃，反应时间为1～24h。

(2)、反应后的混合液转移到内部衬有聚四氟乙烯的密封不锈钢反应釜中经水热反应得到中间产物，其中，水热反应温度为100～250℃，保温2～100h。

(3)、水洗、冷冻干燥得到最终产品。

2.如权利要求1所述的羟基磷灰石纳米晶粒的制备方法，其特征在于，步骤(1)采用两种或两种以上不同的磷源或钙源。

3.如权利要求2所述的羟基磷灰石纳米晶粒的制备方法，其特征在于，所述钙源为一种或两种含钙化合物，所述磷源为两种含磷化合物；或者所述钙源为两种含钙化合物，所述磷源为一种含磷化合物。

4.如权利要求2或3所述的羟基磷灰石纳米晶粒的制备方法，其特征在于，所述含钙化合物选自硝酸钙、氯化钙和氢氧化钙；所述含磷化合物选自磷酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾和磷酸氢二铵。

5.如权利要求1所述的羟基磷灰石纳米晶粒的制备方法，其特征在于，所述无脂肪的蛋白质胶体选自胶原蛋白、鱼胶、明胶或胶原多肽。

6.如权利要求1所述的羟基磷灰石纳米晶粒的制备方法，其特征在于，所述pH调节剂选自氢氧化钠、氢氧化钾或氨水。

7.如权利要求1所述的羟基磷灰石纳米晶粒的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、丁醇或丙酮。

8.一种羟基磷灰石纳米晶粒，为根据权利要求1-7任一所述的羟基磷灰石纳米晶粒的制备方法制得。

9.如权利要求8所述的羟基磷灰石纳米晶粒，其特征在于，所述羟基磷灰石纳米晶粒为呈平行排列的棒状纳米晶体形成的束状结构，所述棒状纳米晶体的长度为200nm～1μm，直径为20～50nm。

10.如权利要求8或9所述的羟基磷灰石纳米晶粒在齿科材料、骨替代材料和生物制剂中的应用。

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