CN103110952B - 微波辅助制备羟基磷灰石纳米结构多孔微球的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微波辅助制备羟基磷灰石纳米结构多孔微球的方法，包括：以水溶性钙盐作为钙源、磷酸吡哆醛作为磷源，在酸性条件下将两者混合，通过微波辅助水热反应制得羟基磷灰石纳米结构多孔微球作为载体；以及将所述羟基磷灰石纳米结构多孔微球加入到含有疏水性药物的有机溶剂中或含有亲水性蛋白质的水溶液中，在20～40℃下，震荡24～60小时后，将产物离心、洗涤、干燥后得到装载疏水性药物或吸附亲水性蛋白质的羟基磷灰石纳米结构多孔微球。
Description
技术领域
本发明涉及一种羟基磷灰石纳米结构多孔微球的制备方法。具体涉及一种采用有机物分子磷酸吡哆醛作为磷源，采用水溶性无机钙盐作为钙源，在微波辅助加热的条件下制备了羟基磷灰石多种纳米结构多孔微球，包括羟基磷灰石纳米片组装微球、羟基磷灰石纳米棒组装微球和羟基磷灰石纳米棒组装空心微球。本发明属于生物材料制备及药物缓释领域。
背景技术
羟基磷灰石是人的骨骼和牙齿的主要无机成分，所含钙和磷元素是细胞生长所必需的营养元素，其具有良好的生物活性、生物相容性、生物可降解性，以及天然无毒性和不易被免疫细胞吞噬等优点，因此，羟基磷灰石材料是理想的无机生物材料。羟基磷灰石材料对多种活性物质具有很强的吸附能力如核酸和蛋白质，可以用于血液净化、组织工程和基因转染等领域。纳米结构尤其是多孔纳米结构羟基磷灰石材料具有比表面积大、药物装载量高等优点而被广泛研究。探索新的简单绿色的羟基磷灰石纳米结构及多孔纳米结构的制备方法具有重要的研究和商业价值。
羟基磷灰石由于合成方法的不同，具有不同的结晶性、尺寸、形貌以及物理化学性质，因而具有不同的用途。目前，各种不同的方法被应用到制备不同形貌的羟基磷灰石纳米结构。例如用水热方法合成羟基磷灰石纳米颗粒、用无表面活性剂的溶剂热法合成羟基磷灰石纳米线/纳米管有序阵列、以及用超声辅助的均匀沉淀法合成羟基磷灰石纳米棒等等。在众多羟基磷灰石纳米结构之中，羟基磷灰石多孔微球由于特殊的结构，以及大的比表面积和高的药物装载能力，使其成为生物医用材料用于药物输运和组织工程等领域的理想材料。
现有文献报道有利用微波辅助水热法、溶剂热法、离子辅助钙化等方法合成羟基磷灰石空心球结构。又，CN100398433C公开一种羟基磷灰石空心微球的制备方法，其先制备羟基磷灰石料浆，加入碳酸氢铵作为添加剂，然后通过喷雾干燥结合热处理得到纳米晶粒组成的羟基磷灰石空心微球。CN100584389C则采用十六烷基三甲基溴化铵（CATB）为模板剂来制备空心球状纳米羟基磷灰石。CN101759169A则通过微波加热水热处理制备磷酸钙/羟基磷灰石纳米结构空心微球。CN102557471A则通过在空心玻璃微球上涂层来制备羟基磷灰石空心微球载体。
虽然目前羟基磷灰石多孔纳米结构的制备研究较为活跃，但大多是采用无机磷源和钙源直接反应，并通过有机或无机模板辅助合成。该方法加入的模板需要在后续处理中清洗干净，因此增加了工艺的复杂性以及生产成本。
最近，本申请人还申请了一些采用有机磷源采用微波辅助方法合成磷酸钙纳米结构的专利，例如CN102795610A公开一种采用磷酸腺苷为有机磷源通过微波辅助制备无定形磷酸钙纳米球的方法；CN102897734A公开一种采用磷酸果糖为有机磷源通过微波辅助制备磷酸钙纳米球的方法；CN102897735A公开一种采用磷酸肌酐为有机磷源通过微波辅助制备磷酸钙纳米球的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用一种新的有机磷源通过微波辅助制备羟基磷灰石纳米结构多孔微球的方法，尤其是制备装载疏水性药物或吸附亲水性蛋白质的羟基磷灰石纳米结构多孔微球的方法。
本发明提供一种微波辅助制备装载疏水性药物或吸附亲水性蛋白质的羟基磷灰石纳米结构多孔微球的方法，包括：以水溶性钙盐作为钙源、磷酸吡哆醛作为磷源，在酸性条件下将两者混合，通过微波辅助水热反应制得羟基磷灰石纳米结构多孔微球作为载体；以及将所述羟基磷灰石纳米结构多孔微球加入到含有疏水性药物的有机溶剂中或含有亲水性蛋白质的水溶液中，在20～40℃下，震荡24～60小时后，将产物离心、洗涤、干燥后得到装载疏水性药物或吸附亲水性蛋白质的羟基磷灰石纳米结构多孔微球。
本发明以磷酸吡哆醛作为有机磷源，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羟基磷灰石纳米结构，同时还可利用磷酸吡哆醛及其水解后的产物对所产生的羟基磷灰石纳米结构进行自组装。此外，磷酸吡哆醛本身生物降解性能好，环境友好。通过调节实验过程中的反应pH、微波反应时间和微波反应温度，可以获得羟基磷灰石多种纳米结构多孔微球，包括羟基磷灰石纳米片组装微球、羟基磷灰石纳米棒组装微球和羟基磷灰石纳米棒组装空心微球。其进一步用于加载药物或吸附蛋白质形成装载疏水性药物或吸附亲水性蛋白质的羟基磷灰石纳米结构多孔微球，所制备的羟基磷灰石纳米棒组装空心微球具有良好的蛋白质吸附和药物装载和缓释性能，有望广泛用于药物传输、组织工程、骨缺损修复和蛋白质吸附领域中。本发明还具有工艺简单、快速、成本低、环境友好和形貌可控等优点，是一种适合规模化生产的制备方法本发明的方法，对扩展磷酸钙类生物材料的制备具有重要的科学意义和应用价值。
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/或醋酸钙和/或其水合物。
所述水溶性钙盐和磷酸吡哆醛的摩尔比可为1:2～2:1。
在本发明中，优选地，将所述水溶性钙盐和磷酸吡哆醛分别溶于水中，将形成水溶性钙盐水溶液以3～30ml/分钟滴加至中磷酸吡哆醛水溶液中，控制混合液的pH为4～6，搅拌1～30分钟。
在本发明中，所述水溶性钙盐的摩尔浓度可为0.001～1摩尔/升，所述磷酸吡哆醛的摩尔浓度可为0.001～0.1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。
在本发明中，所述疏水性药物可为布洛芬、阿托伐他丁钙和/或吲哚美辛等，所述有机溶剂可为正己烷、乙醇和/或甲醇等，含有疏水性药物的有机溶剂中的疏水性药物的质量体积浓度范围可为10～100克/升。所述疏水性药物的装载量可为100～1500毫克/每克载体。
在本发明中，所述亲水性蛋白质为牛血红蛋白和/或牛血清蛋白，亲水性蛋白质的水溶液中亲水性蛋白质的质量体积浓度范围为0.1～10克/升。所述亲水性蛋白质的吸附量为100～1000毫克/每克载体。
附图说明
图1示出羟基磷灰石纳米棒组装空心微球的TEM照片；
图2示出羟基磷灰石纳米棒组装空心微球载药系统的布洛芬释放曲线；
图3示出羟基磷灰石纳米片组装微球的SEM照片；
图4示出羟基磷灰石纳米棒组装微球的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。
本发明采用有机物分子磷酸吡哆醛作为磷源，采用水溶性无机钙盐作为钙源，在微波辅助加热的条件下制备羟基磷灰石多种纳米结构多孔微球。本发明主要在于，利用水溶性钙盐与水溶性磷酸吡哆醛为原料，通过控制体系的pH值和反应物浓度以及微波加热的温度和时间，制备羟基磷灰石多种纳米结构多孔微球。然后，在有机溶剂中装载疏水性药物，得到羟基磷灰石纳米结构多孔微球载药体系，或在水溶液中吸附蛋白质，得到吸附蛋白质的羟基磷灰石纳米结构多孔微球。
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、醋酸钙等，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。
下面说明本发明方法的步骤：
（1）液相反应体系的配制：在水中溶解水溶性钙盐（如CaCl2、C4H6O4Ca·H2O，Ca(NO3)2），得到溶液A；在水中溶液溶解水溶性磷酸吡哆醛，得到溶液B；在搅拌下，将溶液A以一定速率滴加入溶液B中，控制pH值为4–6，搅拌1–60分钟。
调节pH值可采用盐酸水溶液、硫酸水溶液、氨水或氢氧化钠水溶液。优选的滴加速率为3–30毫升/分钟。所述的钙盐与磷酸吡哆醛的摩尔比的优选为1:2–2:1。
（2）微波反应：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。利用磷酸吡哆醛在微波加热反应条件下水解产生磷酸根离子，磷酸根离子和钙离子结合形成羟基磷灰石纳米结构，该纳米结构自组装形成羟基磷灰石纳米结构多孔微球。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。洗涤可采用水（去离子水）洗和/或乙醇（无水乙醇）洗。
（3）药物装载：将制得的羟基磷灰石纳米结构多孔微球研磨成粉体，加入到疏水性药物的有机溶剂中，在20–40℃下，震荡一定时间后，将溶液离心，沉淀干燥后得到羟基磷灰石纳米结构多孔微球载药体系。所述疏水性药物包括但不局限于布洛芬、阿托伐他丁钙和/或吲哚美辛等。所述的有机溶剂包括但不局限于正己烷、乙醇、和/或甲醇等。所述的疏水性药物有机溶液的优选浓度范围为10–100克/升。优选的震荡时间为24–60小时。所述的干燥方式为空气干燥、真空干燥或冷冻干燥。优选的干燥温度范围为20–80℃。
（4）蛋白质吸附：将制得的羟基磷灰石纳米结构多孔微球研磨成粉体，加入到蛋白质水溶液中，在20–40℃下，震荡一定时间后，将溶液离心分离，沉淀干燥后得到吸附蛋白质的羟基磷灰石纳米结构多孔微球。所述蛋白质包括但不局限于牛血红蛋白、牛血清蛋白等。所述的亲水性蛋白质水溶液的质量体积浓度范围为0.1–10克/升。优选的震荡时间为24–60小时。所述的干燥方式为空气干燥、真空干燥或冷冻干燥。优选的干燥温度范围为20–80℃。
本发明中，优选的疏水性药物的装载量为100–1500毫克/克载体，优选的蛋白质的吸附量为100–1000毫克/克载体。
本发明具有如下优点：
（1）该方法具有工艺简单、快速、环境友好、成本低和形貌可控等特点，是一种有望规模化生产的制备方法；
（2）该方法无需调控剂，采用有机磷源磷酸吡哆醛在微波加热条件下制备羟基磷灰石多种纳米结构多孔微球，包括羟基磷灰石纳米片组装微球、羟基磷灰石纳米棒组装微球和羟基磷灰石纳米棒组装空心微球；
（3）可以通过控制反应的pH值、微波反应温度、微波反应时间以及反应物浓度可以调控产物形貌；
（4）所制备的羟基磷灰石纳米结构多孔微球在生物医药领域，特别是组织工程、骨缺损修复以及药物传输方面具有潜在的应用前景。
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，而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作为钙源，但如上述，也可采用其他合适的水溶性钙盐替代。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
将20mL4mg/L的磷酸吡哆醛水溶液与10mL0.05M的氯化钙水溶液混合，混合液的pH值用氨水调成4.5，将混合液置于微波反应釜中，微波加热温度为180℃，反应5分钟，反应后沉淀离心收集，水洗，60℃空气中干燥后研磨得到羟基磷灰石纳米棒组装空心微球。
将该样品进行TEM表征，如图1所示。从图中可以看出，所制备样品结构为纳米棒组装空心微球，微球大小为0.5–2μm。
将所得到的样品干燥研磨后，加入到浓度为40mg/mL的布洛芬正己烷溶液中，在37℃条件下以160转/min速率震荡24小时。然后把样品离心分离，60℃空气中干燥研磨得到羟基磷灰石纳米棒组装空心微球载药系统。通过紫外可见吸收光谱测量得到羟基磷灰石纳米棒组装空心微球的布洛芬装载量为622毫克/每克载体。
经检测得到实施例1中的羟基磷灰石纳米棒组装空心微球载药系统在磷酸缓冲液中释放的结果如图2所示。从图中可知，在磷酸缓冲液中布洛芬的释放行为是前12个小时释放速率较快，随后释放速率变慢，整个释放过程可持续60小时。60小时布洛芬的累计释放百分比为60%。
实施例2
将20mL4mg/L的磷酸吡哆醛水溶液与10mL0.05M的氯化钙水溶液混合，混合液的pH值用氨水调节成4.5，将混合液置于微波反应釜中，微波加热温度为140℃，反应5分钟，反应后沉淀离心收集，水洗，60℃空气中干燥后研磨得到羟基磷灰石纳米片组装微球。
将该样品进行SEM表征，如图3所示。从图中可以看出，所制备样品结构为纳米片组装微球，微球大小约为10μm。
实施例3
将20mL4mg/L的磷酸吡哆醛水溶液与10mL0.05M的氯化钙水溶液混合，混合液的pH值用氨水调节成4.5，将混合液置于微波反应釜中，微波加热温度为160℃，反应5分钟，反应后沉淀离心收集，水洗，60℃空气中干燥后研磨得到羟基磷灰石纳米棒组装微球。
将该样品进行SEM表征，如图4所示。从图中可以看出，所制备样品结构为纳米棒组装微球，微球大小约为14μm。
实施例4
将10mL2mg/L的磷酸吡哆醛水溶液与30mL0.05M的氯化钙水溶液混合，混合液的pH值用氨水调节成4.5，将混合液置于微波反应釜中，微波加热温度为180℃，反应5分钟，反应后沉淀离心收集，水洗，60℃空气中干燥后研磨得到纳米结构羟基磷灰石微球。
实施例5
在将10mL2mg/L的磷酸吡哆醛水溶液与30mL0.05M的氯化钙水溶液混合，混合液的pH值用氨水调节成4.5，将混合液置于微波反应釜中，微波加热温度为200℃，反应5分钟，反应后沉淀离心收集，水洗，60℃空气中干燥后研磨得到纳米结构羟基磷灰石微球。
实施例6
将20mL4mg/L的磷酸吡哆醛水溶液与10mL0.05M的氯化钙水溶液混合，混合液的pH值用氨水调节成4.5，将混合液置于微波反应釜中，微波加热温度为180℃，反应1分钟，反应后沉淀离心收集，水洗，60℃空气中干燥后研磨得到纳米结构羟基磷灰石微球。
实施例7
将20mL4mg/L的磷酸吡哆醛水溶液与10mL0.05M的氯化钙水溶液混合，混合液的pH值用氨水调节成4.5，将混合液置于微波反应釜中，微波加热温度为180℃，反应30分钟，反应后沉淀离心收集，水洗，60℃空气中干燥后研磨得到纳米结构羟基磷灰石微球。
实施例8
将20mL4mg/L的磷酸吡哆醛水溶液与10mL0.05M的醋酸钙水溶液混合，混合液的pH值用氨水调节成4.5，将混合液置于微波反应釜中，微波加热温度为180℃，反应5分钟，反应后沉淀离心收集，水洗，60℃空气中干燥后研磨得到纳米结构羟基磷灰石微球。
实施例9
将20mL4mg/L的磷酸吡哆醛水溶液与15mL0.02M的硝酸钙水溶液混合，混合液的pH值用氨水调节成4.5，将混合液置于微波反应釜中，微波加热温度为180℃，反应5分钟，反应后沉淀离心收集，水洗，60℃空气中干燥后研磨得到纳米结构羟基磷灰石微球。
实施例10
将25mL2mg/L的磷酸吡哆醛水溶液与15mL0.02M的氯化钙水溶液混合，混合液的pH值用氨水调节成4.5，将混合液置于微波反应釜中，微波加热温度为180℃，反应5分钟，反应后沉淀离心收集，水洗，60℃空气中干燥后研磨得到纳米结构羟基磷灰石微球。
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羟基磷灰石空心球结构作为生物医用材料用于药物传输、组织工程、骨缺损修复和蛋白质吸附领域中将具有良好的应用前景。
Claims (9)
1.一种微波辅助制备装载疏水性药物或吸附亲水性蛋白质的羟基磷灰石纳米结构多孔微球的方法，其特征在于，包括：
以水溶性钙盐作为钙源、磷酸吡哆醛作为磷源，在酸性条件下将两者混合，通过微波辅助水热反应制得羟基磷灰石纳米结构多孔微球作为载体，其中将所述水溶性钙盐和磷酸吡哆醛分别溶于水中，将水溶性钙盐水溶液以3～30ml/分钟滴加至磷酸吡哆醛水溶液中，控制混合液的pH为4～6，搅拌1～30分钟；以及
将所述羟基磷灰石纳米结构多孔微球加入到含有疏水性药物的有机溶剂中或含有亲水性蛋白质的水溶液中，在20～40℃下，震荡24～60小时后，将产物离心、洗涤、干燥后得到装载疏水性药物或吸附亲水性蛋白质的羟基磷灰石纳米结构多孔微球。
2.根据权利要求1所述的方法，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/或醋酸钙和/或其水合物。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述水溶性钙盐和磷酸吡哆醛的摩尔比为1:2～2:1。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，所述水溶性钙盐的摩尔浓度为0.001～1摩尔/升，所述磷酸吡哆醛的摩尔浓度为0.001～0.1摩尔/升。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，所述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。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，所述疏水性药物为布洛芬、阿托伐他丁钙和/或吲哚美辛，所述有机溶剂为正己烷、乙醇和/或甲醇等，含有疏水性药物的有机溶剂中的疏水性药物的质量体积浓度范围为10～100克/升。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述疏水性药物的装载量为100～1500毫克/每克载体。
8.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，所述亲水性蛋白质为牛血红蛋白和/或牛血清蛋白，亲水性蛋白质的水溶液中亲水性蛋白质的质量体积浓度范围为0.1～10克/升。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述亲水性蛋白质的吸附量为100～1000毫克/每克载体。
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