CN102897734B

CN102897734B - 磷酸钙纳米结构及其制备方法

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Publication number: CN102897734B
Application number: CN201210445916.9A
Authority: CN
Inventors: 朱英杰; 漆超; 陈�峰
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-11-09
Also published as: CN102897734A

Abstract

本发明涉及一种磷酸钙纳米结构及其制备方法，所述方法以水溶性钙盐作为钙源、含磷生物分子作为磷源，通过微波辅助水热反应制得所述磷酸钙纳米结构粉体，其中所述含磷生物分子为磷酸果糖或磷酸果糖盐。发明制得的无定形磷酸钙纳米多孔球、羟基磷灰石纳米棒、以及无定形磷酸钙/羟基磷灰石复合纳米球三种不同的纳米结构可广泛应用于生物医学以及组织工程等领域。

Description

磷酸钙纳米结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种磷酸钙纳米材料的制备方法及其应用。具体涉及一种采用磷酸果糖或磷酸果糖盐作为磷源来合成无定形磷酸钙纳米球、羟基磷灰石纳米棒、无定形磷酸钙/羟基磷灰石复合纳米球的制备方法，属于生物材料制备与应用领域。

背景技术

磷酸钙是人体骨骼和牙齿最主要的无机成分，人工合成磷酸钙由于与生物磷酸钙具有相似的组成和结构，因此具有良好的生物活性、生物相容性以及生物可降解性，并被广泛应用于骨骼的替代材料、药物的运输载体以及基因的转染等生物医学领域。

无定形磷酸钙作为水溶液中沉积磷酸钙的最初物相，其与晶态磷酸钙（如结晶性良好的羟基磷灰石）相比，具有更好的生物活性和生物可降解性，并能促进成骨细胞的粘附和骨传导，因而广泛应用于药物输运、蛋白吸附、基因转染等生物医学领域。羟基磷灰石作为一种主要的晶态磷酸钙，同样具有优良的生物活性和生物可降解性，并被广泛应用于骨移植、硬组织修复和牙齿填料等组织工程领域。

一直以来，研究者在制备磷酸钙生物材料方面作了大量的研究，比较常见的方法是在制备磷酸钙的水溶液中添加稳定剂。例如CN100428963C公开一种无定形磷酸钙粉末的制备方法，其采用聚乙二醇、均丙烯酸等聚合物作为稳定剂，但聚合物添加量大、造成成本增加和环境污染，而且其制备温度限制较严。又如CN100445201C公开一种纳米非晶态磷酸钙粉末的制备方法，其采用环糊精等有机物作为稳定剂，但该法操作时间较长。

此外，传统人工合成磷酸钙生物材料大多采用无机磷源和钙源直接反应，并用表面活性剂来调控形貌。该方法加入的表面活性剂需要在后续处理中清洗干净，因此增加了生产成本，并造成环境污染。目前还很少有文献中报道用有机生物磷源来合成磷酸钙生物材料。

发明内容

面对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种可制备多种物相和形貌的磷酸钙生物材料的方法。本发明人经过锐意的研究认识到有机生物磷源，例如二磷酸果糖三钠盐，在高温条件下水解能产生磷酸根离子，其与溶液中加入的钙离子结合形成磷酸钙纳米结构。通过调节实验过程中的反应时间和反应温度，可以获得无定形磷酸钙纳米多孔球、羟基磷灰石纳米棒、以及无定形磷酸钙/羟基磷灰石复合纳米球三种不同的纳米结构。同时有机磷源及其水解后的产物可引入到磷酸钙纳米结构中，还有望改善磷酸钙纳米结构的生物学性能，增强磷酸钙作为药物载体的药物装载能力。

在此，本发明提供一种有机磷源合成磷酸钙纳米结构的制备方法，其中，以水溶性钙盐作为钙源、含磷生物分子作为磷源，通过微波辅助水热反应制得所述磷酸钙纳米结构。

本发明以含磷生物分子作为有机磷源，一方面利用其在高温条件下的水解特性产生磷酸根离子以与钙离子结合形成磷酸钙纳米结构，同时还可利用含磷生物分子及其水解后的产物对所产生的磷酸钙进行形貌调控。这样含磷生物分子可兼具磷源和调控剂的作用，无需额外加入表面活性剂。此外，含磷生物分子本身生物降解性能好，环境友好。本发明制得的无定形磷酸钙纳米多孔球、羟基磷灰石纳米棒、以及无定形磷酸钙/羟基磷灰石复合纳米球三种不同的纳米结构可广泛应用于生物医学以及组织工程等领域。本发明的方法对扩展磷酸钙类生物材料的制备和应用具有重要的科学意义和实用价值。

优选地，所述含磷生物分子为磷酸果糖或磷酸果糖盐。例如二磷酸果糖三钠盐和/或其水合物。

在本发明中，所述水溶性钙盐可采用氯化钙和/或其水合物、硝酸钙和/或其水合物、和/或乙酸钙和/或其水合物。

优选地，所述水溶性钙盐和含磷生物分子的摩尔比为2:1～5:1。

在本发明中，将所述水溶性钙盐和含磷生物分子分别溶于水中，调节水溶性钙盐的水溶液的pH至9～11，并将形成的含磷生物分子的水溶液加至水溶性钙盐的水溶液。其中所述水溶性钙盐的摩尔浓度优选为0.001～0.5摩尔/升。

在本发明中，优选地，微波辅助水热反应的反应温度可为100～200℃，反应时间可为5分钟到1小时。采用微波辅助水热反应，反应易控，反应时间短。

另一方面，本发明还提供三种由上述方法制备的磷酸钙纳米结构，其中包括无定形磷酸钙纳米多孔球、羟基磷灰石纳米棒、以及无定形磷酸钙/羟基磷灰石复合纳米球。

本发明提供的磷酸钙纳米结构的物相、形貌和尺寸可控，例如纳米结构的物相和形貌可通过更改反应时间和温度进行调节。

又，本发明的无定形磷酸钙纳米球的表面具有多孔结构，且孔的尺寸在40纳米以下。而羟基磷灰石纳米棒的尺寸均匀，直径大约在20纳米左右。

又，本发明的制备工艺简单、操作方便，不需要复杂昂贵的设备，易于实现工业化生产。通过本发明所述制备方法制备的磷酸钙纳米结构作为生物医用材料用于药物输运、基因转染、硬组织修复等领域将具有良好的应用前景。

附图说明

图1A为二磷酸果糖三钠盐的分子结构式；

图1B示出微波合成磷酸钙纳米结构的示意图；

图2为不同实验条件下制得样品的X射线(XRD)衍射图；

图3为不同实验条件下制得样品的傅里叶转换红外光谱(FTIR)图；

图4为实施例1中样品的扫描电镜（SEM）照片；

图5为实施例2中样品的扫描电镜（SEM）照片；

图6为布洛芬正己烷溶液在实施例2中样品药物装载前后的紫外-可见吸收曲线；

图7为实施例2中样品装载布洛芬后在磷酸缓冲溶液中的释放曲线；

图8为实施例3中样品的扫描电镜（SEM）照片；

图9为实施例4中样品的扫描电镜（SEM）照片；

图10为实施例5中样品的扫描电镜（SEM）照片；

图11为实施例6中样品的扫描电镜（SEM）照片；

图12为实施例7中样品的扫描电镜（SEM）照片。

具体实施方式

以下结合附图及下述具体实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式和/或附图仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明采用水溶性钙盐和含磷生物分子为原料，即以水溶性钙盐作为钙源、含磷生物分子作为磷源，以水为溶剂，通过微波辅助水热反应制得所述磷酸钙纳米结构。

作为水溶性钙盐可采用常用的水溶性钙盐，例如氯化钙、硝酸钙、乙酸钙等，应理解可采用一种水溶性钙盐，也可采用两种以上的水溶性钙盐；此外还应理解可以采用水溶性钙盐水合物，例如CaCl₂·2H₂O。

作为含磷生物分子可采用磷酸果糖和/或磷酸果糖盐，例如二磷酸果糖三钠盐，应理解可以使用其水合物，此外，应理解也可使用其他合适的磷酸果糖盐。

下面说明本发明方法的步骤：

（1）液相反应体系的配制：以水溶性钙盐（如CaCl₂、C₄H₆O₄Ca·H₂O、Ca(NO₃)₂）和含磷生物分子（例如二磷酸果糖三钠盐，参见图1A）为原料，以水为溶剂。其中，水溶性钙盐和含磷生物分子的摩尔比可为2:1～5:1，例如10:3，控制水溶性钙盐浓度为0.001～0.5摩尔/升，例如0.025摩尔/升，调节pH值为9～11。室温下搅拌，得到含钙离子和二磷酸果糖三钠盐（参见图1B）的均一澄清溶液。这里，优选将水溶性钙盐和含磷生物分子分别溶于水中，先将水溶性钙盐的水溶液的pH调节至9～11，然后将形成的含磷生物分子的水溶液加（例如滴加）至水溶性钙盐的水溶液。更优选地，在整个添加过程中，混合溶液的pH为9～11。然而应理解，可以采用其它常用混合方式，例如并不将水溶性钙盐和含磷生物分子分别制成溶液再混合，而是将水溶性钙盐和含磷生物分子固体先后或同时加入水，优选去离子水中，搅拌形成溶液。可以采用氨水或氢氧化钠水溶液调节pH，例如用1摩尔/升氢氧化钠调节pH至10。

（2）将上述均一澄清溶液移至微波反应釜中，在100～200℃进行微波水热反应，反应时间可为5分钟到1小时。利用微波反应的高温，参见图1B，二磷酸果糖三钠盐水合物水解产生磷酸根离子，磷酸根离子和钙离子结合形成磷酸钙纳米结构。在不同的反应时间和反应温度下可分别得到不同形貌和结构的磷酸钙纳米粉体，例如在120度下反应10分钟可得到表面光滑且含有纳米孔结构的纳米球，又如在180度下反应10分钟可得到尺寸较为均匀的纳米棒状结构。

（3）对微波水热反应后的产物进行分离。分离的方法可包括离心分离、过滤或静置沉淀分离等。对分离出的产物进行洗涤和干燥处理，即得到磷酸钙纳米结构粉体。洗涤可采用水（去离子水）洗和/或乙醇（无水乙醇）洗。

本发明制得的生物医用磷酸钙纳米结构，其组分可以是无定形磷酸钙纳米多孔球、羟基磷灰石纳米棒、或无定形磷酸钙/羟基磷灰石复合纳米球结构。

本发明具有如下优点：

（1）所得无定形磷酸钙纳米球的尺寸均匀，形貌规则（参见图5），孔的尺寸较小，在40纳米以下；

（2）所得羟基磷灰石纳米棒的尺寸均匀（参见图12），纳米棒的直径大约在20纳米左右；

（3）所得无定形磷酸钙/羟基磷灰石复合纳米球形貌规则，表面多孔（参见图8~图11），纳米球的直径大约在500纳米左右；

（4）所得磷酸钙纳米结构的物相、形状、尺寸均可以通过改变离子浓度、反应温度、反应时间等来调节；

（5）所制备的磷酸钙纳米结构同时复合有一定量的有机分子，可以改善其生物学性能，提高其药物装载量，延长其药物释放时间。

本发明的制备工艺简单、操作方便，不需要复杂昂贵的设备，易于实现工业化生产。通过本发明所述制备方法制备的磷酸钙纳米结构作为生物医用材料用于药物输运、基因转染、硬组织修复等领域将具有良好的应用前景。

下面进一步举例实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。例如，下述实施例以CaCl₂和二磷酸果糖三钠盐作为起始原料，但如上述，也可采用其他合适的水溶性钙盐和磷酸果糖盐替代。下述示例具体的反应温度、时间、投料量等也仅是合适范围中的一个示例，即、本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

在室温下，将0.111克CaCl₂溶于30毫升去离子水中形成A液，将0.122克二磷酸果糖三钠盐溶于10毫升去离子水中形成B液。用1摩尔/升的氢氧化钠调节A液使其pH等于10后，逐滴加入B液，此过程中采用磁搅拌且保持pH值在10左右。滴加完成后，将混合的澄清溶液转入微波反应釜中（容量为60毫升），在100℃下反应10分钟。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用去离子水洗涤3次，用无水乙醇洗涤1次，60℃空气中干燥，得到如附图4所示的磷酸钙纳米球粉体，该磷酸钙纳米球的平均直径为300纳米。

实施例2

在室温下，将0.111克CaCl₂溶于30毫升去离子水中形成A液，将0.122克二磷酸果糖三钠盐溶于10毫升去离子水中形成B液。用1摩尔/升的氢氧化钠调节A液使其pH等于10后，逐滴加入B液，此过程中采用磁搅拌且保持pH值在10左右。滴加完成后，将混合的澄清溶液转入微波反应釜中（容量为60毫升），在120℃下反应10分钟。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用去离子水洗涤3次，用无水乙醇洗涤1次，60℃空气中干燥，得到如附图5所示的磷酸钙纳米球粉体，该磷酸钙纳米球的表面光滑且含有多孔结构，孔的直径在40纳米以下。参见图2可知，该磷酸钙纳米球为无定形磷酸钙。又参见图3可知，该无定形磷酸钙纳米球中复合有一定量的有机物，例如果糖分子等。

利用该实施例所得到的无定形磷酸钙纳米多孔球进行疏水性药物布洛芬的装载以及在磷酸缓冲溶液（PBS）中的释放实验，其药物装载能力如附图6所示的结果可达到385mgg^-1。如附图7所示，该药物输运体系在最初的5.5小时内药物释放较快，达到总装载量的34%。在随后的60小时内药物持续缓慢释放，最终达到总装载量的66%。

实施例3

在室温下，将0.111克CaCl₂溶于30毫升去离子水中形成A液，将0.122克二磷酸果糖三钠盐溶于10毫升去离子水中形成B液。用1摩尔/升的氢氧化钠调节A液使其pH等于10后，逐滴加入B液，此过程中采用磁搅拌且保持pH值在10左右。滴加完成后，将混合的澄清溶液转入微波反应釜中（容量为60毫升），在120℃下反应30分钟。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用去离子水洗涤3次，用无水乙醇洗涤1次，60℃空气中干燥，得到如附图8所示的磷酸钙纳米球粉体，该磷酸钙纳米球的平均直径为500纳米，且表面较为粗糙。参见图2可知，该磷酸钙纳米球为无定形磷酸钙/羟基磷灰石复合纳米结构。

实施例4

在室温下，将0.111克CaCl₂溶于30毫升去离子水中形成A液，将0.122克二磷酸果糖三钠盐溶于10毫升去离子水中形成B液。用1摩尔/升的氢氧化钠调节A液使其pH等于10后，逐滴加入B液，此过程中采用磁搅拌且保持pH值在10左右。滴加完成后，将混合的澄清溶液转入微波反应釜中（容量为60毫升），在120℃下反应60分钟。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用去离子水洗涤3次，用无水乙醇洗涤1次，60℃空气中干燥，得到如附图9所示的磷酸钙纳米球粉体，该磷酸钙纳米球的平均直径为500纳米，且表面较为粗糙。参见图2可知，该磷酸钙纳米球为无定形磷酸钙/羟基磷灰石复合纳米结构。制得产品的傅里叶红外光谱（FTIR）图参见图3。

实施例5

在室温下，将0.111克CaCl₂溶于30毫升去离子水中形成A液，将0.122克二磷酸果糖三钠盐溶于10毫升去离子水中形成B液。用1摩尔/升的氢氧化钠调节A液使其pH等于10后，逐滴加入B液，此过程中采用磁搅拌且保持pH值在10左右。滴加完成后，将混合的澄清溶液转入微波反应釜中（容量为60毫升），在140℃下反应10分钟。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用去离子水洗涤3次，用无水乙醇洗涤1次，60℃空气中干燥，得到如附图10所示的磷酸钙纳米球粉体，该磷酸钙纳米球的平均直径为500纳米，且表面较为粗糙。参见图2可知，该磷酸钙纳米球为无定形磷酸钙/羟基磷灰石复合纳米结构。

实施例6

在室温下，将0.111克CaCl₂溶于30毫升去离子水中形成A液，将0.122克二磷酸果糖三钠盐溶于10毫升去离子水中形成B液。用1摩尔/升的氢氧化钠调节A液使其pH等于10后，逐滴加入B液，此过程中采用磁搅拌且保持pH值在10左右。滴加完成后，将混合的澄清溶液转入微波反应釜中（容量为60毫升），在160℃下反应10分钟。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用去离子水洗涤3次，用无水乙醇洗涤1次，60℃空气中干燥，得到如附图11所示的磷酸钙纳米球粉体，该磷酸钙纳米球的平均直径为500纳米，且表面较为粗糙。参见图2可知，该磷酸钙纳米球为无定形磷酸钙/羟基磷灰石复合纳米结构。

实施例7

在室温下，将0.111克CaCl₂溶于30毫升去离子水中形成A液，将0.122克二磷酸果糖三钠盐溶于10毫升去离子水中形成B液。用1摩尔/升的氢氧化钠调节A液使其pH等于10后，逐滴加入B液，此过程中采用磁搅拌且保持pH值在10左右。滴加完成后，将混合的澄清溶液转入微波反应釜中（容量为60毫升），在180℃下反应10分钟。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用去离子水洗涤3次，用无水乙醇洗涤1次，60℃空气中干燥，得到如附图12所示的磷酸钙纳米棒粉体，该磷酸钙纳米棒的直径约为20纳米。参见图2可知，该磷酸钙纳米棒为羟基磷灰石相。制得产品的傅里叶红外光谱（FTIR）图参见图3。

产业应用性：本发明的制备工艺简单、操作方便，不需要复杂昂贵的设备，易于实现工业化生产。通过本发明所述制备方法制备的磷酸钙纳米结构作为生物医用材料用于药物输运、基因转染、硬组织修复等领域将具有良好的应用前景。

Claims

1.一种磷酸钙纳米结构的制备方法，其特征在于，以水溶性钙盐作为钙源、含磷生物分子作为磷源和调控剂，通过微波辅助水热反应制得所述磷酸钙纳米结构粉体，其中所述含磷生物分子为磷酸果糖或磷酸果糖盐。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含磷生物分子为二磷酸果糖三钠盐和/或其水合物。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性钙盐为氯化钙和/或其水合物、硝酸钙和/或其水合物、和/或乙酸钙和/或其水合物。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性钙盐和含磷生物分子的摩尔比为2:1～5:1。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，将所述水溶性钙盐和含磷生物分子分别溶于水中，调节水溶性钙盐的水溶液的pH至9～11，并将形成的含磷生物分子的水溶液加至水溶性钙盐的水溶液。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性钙盐的摩尔浓度为0.001～0.5摩尔/升。

7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，微波辅助水热反应的反应温度为100～200℃，反应时间为5分钟到1小时。

8.一种根据权利要求1～7中任一项所述的制备方法制备的磷酸钙纳米结构，其特征在于，所述磷酸钙纳米结构的物相为无定形磷酸钙相、或羟基磷灰石相、或无定形磷酸钙/羟基磷灰石复合相。

9.根据权利要求8所述的磷酸钙纳米结构，其特征在于，所述无定形磷酸钙相为纳米多孔球结构、羟基磷灰石相为纳米棒结构、无定形磷酸钙/羟基磷灰石复合相为纳米球结构。