CN103342555A

CN103342555A - 一种掺锶镁纳米羟基磷灰石及其制备方法

Info

Publication number: CN103342555A
Application number: CN2013102806427A
Authority: CN
Inventors: 刘晓晨; 倪寿亮
Original assignee: BEIJING UNIVERSITY MICRO STRUCTURE ANALYTICAL LABORATORY Co Ltd
Current assignee: BEIJING UNIVERSITY MICRO STRUCTURE ANALYTICAL LABORATORY Co Ltd
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2013-10-09

Abstract

本发明公开了一种掺锶镁纳米羟基磷灰石及其制备方法，按预定摩尔比将硝酸锶溶液、硝酸镁溶液和磷酸氢铵溶液同时缓慢地加入到80～90℃的硝酸钙溶液中，在持续搅拌下用氨水调节pH值为7～8，反应2～3小时，静置24～48小时，沉淀经过滤、洗涤，置于反应釜中80～90℃反应4～6小时，所得浆液经清洗、干燥，即得无溶剂残留、颗粒粒径小棒状掺锶镁纳米羟基磷灰石。该掺锶镁纳米羟基磷灰石可作为硬组织修复的新型生物材料，很好地仿生了自然骨，具有缩短骨修复周期的能力。

Description

一种掺锶镁纳米羟基磷灰石及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米羟基磷灰石，具体涉及一种采用磷酸盐和硝酸盐反应生成的含锶镁的纳米羟基磷灰石及其制备方法。

背景技术

20世纪，生物材料学领域取得了飞速发展，无机生物医用材料的研究及其应用十分活跃，其中备受关注的是羟基磷灰石（hydroxyapatite，简称HA或HAP）活性陶瓷材料的研究和临床应用。人工合成的羟基磷灰石与生物体硬组织有相似的化学成分和结构，无毒、安全，具有良好的生物相容性和生物活性，植入人体后对组织无刺激和排斥作用，并能和周围的骨组织活性结合，且能传导骨生长，是理想的硬组织替代材料。羟基磷灰石已在临床上广泛用于相容性骨缺损的修复和填充整形的骨材料。虽然羟基磷灰石生物材料的生物活性好，但与天然的骨相比，其在组成与物理性能上有较大的差异。如何能获得与骨组织在组成与物理性能上更接近的生物材料，成为了材料学家们研究的方向。

首先，自然骨中HA还含有其它的一些阳离子（如Mg²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺、Na⁺、Sr²⁺、K⁺）和阴离子（如HPO₂ ^4-、CO₂ ^3-、Cl^-、F^-），是一种典型的缺钙羟基磷灰石，其准确的表述式应为(Ca,M)₁₀(PO₄,Y)₆(OH,X)₂，其中M为取代的阳离子，而X为取代的阴离子。这些取代的离子可以引起结晶度、溶解度的变化，并最终引起生物学性能的变化。其次，人工合成的HA的结晶性高于自然骨，这使羟基磷灰石的溶解性较差，在应用过程中钙磷离子的释放速度缓慢，不利于新骨的生成，因此在缩短骨缺损周期上受到了限制。

锶是人体骨骼及牙齿的正常组成部分，人体99%的锶蓄积于骨骼，在骨中的含量约占骨重量的0.01%。锶在骨骼和牙齿的沉积过程可分为快速沉积和缓慢渗入两种形式。前者是血液中的锶通过离子交换、表面吸收与血浆蛋白结合而沉积于骨质；后者是成骨过程中，血液中的锶缓慢进入骨晶格中而沉积。对于锶的生理功能的研究，过去报道最多的主要集中于锶在防止龋齿方面的作用。而最近几年以来，由于关于锶具有促进成骨细胞生长和抑制破骨细胞形成的作用，可以促进骨骼的生长，锶在治疗骨质疏松症方面的研究越来越多。著名骨科杂志Bone自1996年以来，每年均有关于锶治疗骨质疏松症的药剂方面的文章发表。Cnaalis等人对口服锶盐S12911的研究发现，该含锶盐细胞培养24小时后，DNA合成量是空白组的3～4倍，成骨细胞增殖是空白组的3～5倍（Canalis E,Hott M,Deloffre P,Tsouderos Y,Marie PJ.The divalent strontium salt S12911enhances bone cell repliaction and bone formation in vitro.Bone1996;18:517-523.）。Grynpas等人发现，少量的锶能促进兔缺损脊椎骨的恢复，并且不会导致骨矿化缺陷（Grynpas MD,Hamilto E,Cheung R,Tsouderos Y,Deloffre P,Hott M,Marie PJ.Strontium increases vertebral bone volume in rats at a low dose that does not induce detectablemineralization defect.Bone1996;18:253-259.）。Buehler等人对猴子进行口服S12911的研究发现，适量的S12911能抑制猴子牙槽骨的骨吸收，同时增进其骨形成（Buehler J,Chappuis P,Saffar JL,et al.Strontium ranelate inhibits bone resorption while maintaining bone formation inalveolar bone in monkeys.Bone;2001,29(2):176-179.）。Marie等人发现在饮食中适量摄入锶可以促进骨形成和抑制骨吸收（Marie PJ.Effect of low doses of stable strontium on bone metabolismin rats.Miner Electrol Metab,1984,(11):5-13.）。

镁是构成骨胳的主要成分，是人体不可缺少的矿物质元素之一，在骨组织中的含量达到1%，量虽然不大，但却极其重要。Mg可以直接影响骨骼的钙化过程，它是人体中矿物质新陈代谢的主要影响因素，它直接影响甚至控制着新生骨中矿物质的晶化及形成过程。Ilich等人证实镁通过骨矿表面反应调节骨的形成和重塑（Ilich J Z,Kerstetter J E.Nutrition in bonehealth revisited:a story beyond calcium.J American College of Nutrition,2000,19(6):715-737.）。Kakei等人通过体内系列实验得知镁在骨形成的初期阶段具有重要作用（Kakei M,NakaharaH,Tamura N,et al.Behavior of carbonate and magnesium ions in the initial crystallites at the earlydevelopmental stages of the rat calvaria.Annals of Anatomyvol,1997,179(4):311-316.）。Akemi等人则证实了镁、钙离子之间的离子交换规律（Akemi Y,Takashi Y,Kazuhiko K,et al.Colloids andSurfaces A:Physicochemical and Engineering Aspect s,2004,238(123):133-139.）。Landi等人展示了间充质干细胞和MG63造骨细胞（osteoblast-like cells）在1%（质量分数）Mg₂HA上黏附、增殖和代谢反应的情况（Landi E,Tampieri A,Celotti G,Sprio S.Densification behaviour andmechanisms of synthetic hydroxyapatites.J Eur Ceram Soc.2000;20(14-15):2377-2387.）。

目前掺锶/镁羟基磷灰石的合成方法主要有：水热法、酸碱反应法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法和高温固相合成法等。这些方法各有优缺点，如：酸碱反应法虽设备简单，但产物的结晶性较差；沉淀反应法工艺简便，但产物纯度较低；高温固相合成法产物结晶性较好，但反应速度慢，产物粒径大。与以上几种方法相比，水热法体现出较多的优势：直接得到晶体物质，对生产设备的要求较低，操作简单。因此，大部分研究者采用水热法合成。

发明内容

人体骨由于疾病、事故、年龄等原因而导致损伤，临床上常用羟基磷灰石进行修复，这主要是由于羟基磷灰石是骨的无机成分，其具有良好的生物相容性及生物活性。但随着研究的深入，发现羟基磷灰石的溶解性差，骨修复周期长。

本发明针对上述情况，提供一种用于骨缺损修复的纳米掺锶镁羟基磷灰石及其制备方法。所制备的纳米掺锶镁羟基磷灰石是一种仿生的，非化学计量的，且有比羟基磷灰石高的生物降解性及强度的骨替代材料，从而加速新骨的生成，缩短骨缺损愈合的周期，

本发明的掺锶镁纳米羟基磷灰石是通过如下方法制备的：按预定的摩尔比将事先配制的硝酸锶溶液、硝酸镁溶液和磷酸氢铵溶液同时缓慢地加入到80～90℃的硝酸钙溶液中，在持续搅拌下用氨水调节pH值为7～8，反应2～3小时，静置24～48小时，沉淀经过滤、洗涤，置于反应釜中80～90℃反应4～6小时，所得浆液经清洗、干燥，得到掺锶镁纳米羟基磷灰石。

上述制备方法中，三种硝酸盐与磷酸氢铵的用量是按（Ca+Sr+Mg)/P摩尔比为1.65～1.68进行配比，上述摩尔比最优选为1.67。掺锶镁羟基磷灰石中，Sr和Mg的掺杂比例按物质的量（摩尔量）计分别不高于阳离子总量（Ca+Sr+Mg）的10%和20%，也就是说，在制备时硝酸锶和硝酸镁的用量按其所含阳离子的物质的量计分别不高于硝酸盐总量（硝酸锶、硝酸镁和硝酸钙总量）的10%和20%。

所述硝酸盐溶液和磷酸氢铵溶液优选用去离子水配制。

本发明通过水热合成法制得了无溶剂残留、颗粒粒径小（直径30纳米以下）棒状纳米掺锶镁羟基磷灰石。所制备的含不同锶镁比例的羟基磷灰石，通过XRD和IR对其化学成分进行分析，锶镁实际含量通过EDS进行分析，形貌通过TEM进行观察。研究表明：此方法成功合成了纳米棒状的掺锶镁羟基磷灰石，并且实际锶镁的掺入量几乎与设计的量相当。通过调整锶镁的加入量，来改善羟基磷灰石的溶解性，满足骨修复的不同需求，此为硬组织修复的新型生物材料，很好地仿生了自然骨（自然骨中的无机物是一种缺钙型的纳米棒状磷灰石，锶镁等氧离子部分取代了钙），具有极大缩短骨修复周期的能力。

附图说明

图1是本发明实施例合成的不同锶镁纳米羟基磷灰石的XRD图。

图2是本发明实施例合成的不同锶镁纳米羟基磷灰石的IR图，其中：a)HA；b)Sr2.5Mg20HA；c)Sr5Mg10HA；d)Sr10Mg5HA。

图3是本发明实施例合成的不同锶镁纳米羟基磷灰石的SEM图，其中：a)HA；b)Sr2.5Mg20HA；c)Sr5Mg10HA；d)Sr10Mg5HA。

图4a至图4d分别是本发明实施例合成的不同锶镁纳米羟基磷灰石HA、Sr2.5Mg20HA、Sr5Mg10HA和Sr10Mg5HA的EDS图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步说明本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1

将23.6g硝酸钙加入到去离子水中配制成A液；将9.12g磷酸氢铵溶解到去离子水中配制成B液；将B液缓慢地加入到90℃的A液中，持续搅拌下用氨水调节pH值为7～8，反应2小时，静置24小时，沉淀经过滤、洗涤，置于反应釜中80℃反应4小时，所得浆液去离子水清洗，室温干燥，得到纳米羟基磷灰石。

实施例2

将23.6g硝酸钙加入到去离子水中配制成A液；将0.53g硝酸锶溶解到去离子水中配制成B液；将5.12g硝酸镁溶解到去离子水中配制成C液；将11.10g磷酸氢铵溶解到去离子水中配制成D液；将B液、C液和D液同时缓慢地加入到90℃的A液中，持续搅拌下用氨水调节pH值为7～8，反应2小时，静置24小时，沉淀经过滤、洗涤，置于反应釜中80℃反应4小时，所得浆液去离子水清洗，室温干燥，得到含2.5%锶20%镁的纳米羟基磷灰石。

实施例3

将23.6g硝酸钙加入到去离子水中配制成A液；将1.06g硝酸锶溶解到去离子水中配制成B液；将2.56g硝酸镁溶解到去离子水中配制成C液；将10.49g磷酸氢铵溶解到去离子水中配制成D液；将B液、C液和D液同时缓慢地加入到90℃的A液中，持续搅拌下用氨水调节pH值为7～8，反应2小时，静置24小时，沉淀经过滤、洗涤，置于反应釜中80℃反应4小时，所得浆液去离子水清洗，室温干燥，得到含5%锶10%镁的纳米羟基磷灰石。

实施例4

将23.6g硝酸钙加入到去离子水中配制成A液；将2.12g硝酸锶溶解到去离子水中配制成B液；将1.28g硝酸镁溶解到去离子水中配制成C液；将10.49g磷酸氢铵溶解到去离子水中配制成D液；将B液、C液和D液同时缓慢地加入到90℃的A液中，持续搅拌下用氨水调节pH值为7～8，反应2小时，静置24小时，沉淀经过滤、洗涤，置于反应釜中80℃反应4小时，所得浆液去离子水清洗，室温干燥，得到含10%锶5%镁的纳米羟基磷灰石。

将实施例1至4所得材料采用傅立叶变换红外仪（FTIR），X射线衍射仪（XRD），电子能谱仪(EDS），透射电子显微镜（TEM）进行表征，如图1～图4所示。

从图1可以看出，掺锶镁羟基磷灰石具有羟基磷灰石的所有特征峰，没有其它杂相峰。为了进一步验证XRD的结果，对所得材料进行了FTIR测试，从图2可以看出，所有材料具有羟基磷灰石的特征PO₄ ^3-，OH^-基团，由于加热过程中CO₂的融入，使的掺锶镁羟基磷灰石中出现CO₃ ^2-基团，但这是不可避免的。

从图3可以看出，所得材料都在纳米尺度范围内，且均为短棒状。

从图4可以直接看出，所得材料含有锶和镁，并且不同材料的锶镁含量不同，将计算的数值与实验设计中的数值进行对比，所得材料中的锶、镁含量几乎与实验设计中的接近，见表1。

由于锶镁的加入影响材料的结晶度，对所得材料的结晶度通过Jade5.0计算得出结果见表2，随锶镁总含量的增加，材料的结晶度下降。

表1合成的不同锶镁纳米羟基磷灰石的锶、镁含量

表2合成的不同锶镁纳米羟基磷灰石的结晶度

Claims

1.一种掺锶镁纳米羟基磷灰石，是通过如下方法制备的：按预定摩尔比将硝酸锶溶液、硝酸镁溶液和磷酸氢铵溶液同时缓慢地加入到80～90℃的硝酸钙溶液中，在持续搅拌下用氨水调节pH值为7～8，反应2～3小时，静置24～48小时，沉淀经过滤、洗涤，置于反应釜中80～90℃反应4～6小时，所得浆液经清洗、干燥，即得所述掺锶镁纳米羟基磷灰石。

2.如权利要求1所述的掺锶镁纳米羟基磷灰石，其特征在于，所述掺锶镁纳米羟基磷灰石中（Ca+Sr+Mg)/P摩尔比为1.65～1.68。

3.如权利要求1所述的掺锶镁纳米羟基磷灰石，其特征在于，Sr的掺杂比例按物质的量计不高于阳离子总量的10%。

4.如权利要求1所述的掺锶镁纳米羟基磷灰石，其特征在于，Mg的掺杂比例按物质的量计不高于阳离子总量的20%。

5.一种掺锶镁纳米羟基磷灰石的制备方法，按预定摩尔比将硝酸锶溶液、硝酸镁溶液和磷酸氢铵溶液同时缓慢地加入到80～90℃的硝酸钙溶液中，在持续搅拌下用氨水调节pH值为7～8，反应2～3小时，静置24～48小时，沉淀经过滤、洗涤，置于反应釜中80～90℃反应4～6小时，所得浆液经清洗、干燥，即得掺锶镁纳米羟基磷灰石。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，硝酸锶、硝酸镁和硝酸钙三种硝酸盐与磷酸氢铵的用量按（Ca+Sr+Mg)/P摩尔比为1.65～1.68进行配比。

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，按所含阳离子的物质的量计，硝酸锶的用量不高于硝酸盐总量的10%。

8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，按所含阳离子的物质的量计，硝酸镁的用量不高于硝酸盐总量的20%。

9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述硝酸锶溶液、硝酸镁溶液、硝酸钙溶液和磷酸氢铵溶液用去离子水配制。

10.权利要求1所述掺锶镁纳米羟基磷灰石作为骨修复材料的应用。