CN103541006B - 一种羟基磷灰石晶须的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种羟基磷灰石晶须的制备方法，属于化学和生物工程材料领域。将可溶性钙盐、金属盐、酸碱度调节剂和可溶性磷盐依稀加入到蒸馏水中并不断搅拌直到溶解；向上述混合溶液中加入酸度调节剂调节pH值为1.5～3.5，搅拌5～15分钟后按照步骤(1)所述的比例加入模版剂和羟基磷灰石仔晶，继续搅拌5～15分钟后水浴或至于高压条件下反应10～36小时，待上述反应结束后将反应产物采用蒸馏水清洗，然后抽滤得到晶须滤饼，最后干燥或冷冻得到羟基磷灰石晶须。该方法所得晶须，不但具有优异的生物相容性、生物活性和良好力学性能等，而且操作安全简单，晶须的长径比稳定，产量高。
Description
技术领域
本发明涉及一种羟基磷灰石晶须的制备方法，属于化学和生物工程材料领域。
背景技术
在临床上，骨修复与再生是一普遍而复杂的问题，每年有数以百万计的患者由于外伤而患有骨科类疾病，且许多人是由于缺乏理想的替代材料而死亡的。羟基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2），简称HA或HAP，与生物体骨组织有相似的化学组成和结构，具有良好的生物相容性，由于普通形态的HAP粉体合成的材料如HAP陶瓷、磷酸钙骨水泥具有较低的断裂韧性，因此限制了其在承重骨方面的应用。羟基磷灰石是硬组织中的主要无机成分，由于该材料的生物相容性及生物活性良好，可以引导骨的生长，与基体组织有较强的亲和力，是公认的性能良好的骨修复、替代材料。但有研究表明，羟基磷灰石力学强度较低，而晶须和非晶须相比，晶须有高比强度、高比模量、较好蠕变阻力与高温性能，羟基磷灰石晶须材料依靠桥接、裂纹偏转和拔出效应来吸收能量，消除裂纹尖端的应力来增强材料的力学性能。
有研究表明，羟基磷灰石力学强度较低，而晶须和非晶须相比，晶须有高比强度、高比模量、较好蠕变阻力与高温性能，晶须与其它材料复合，依靠晶须的桥接、裂纹偏转和拔出效应来吸收能量，消除裂纹尖端集中的应力，通过负荷传递使应力作用于晶须，从而降低周围的基体材料所受的应力，达到增强生物材料的韧性的目的，能有效地改善材料的机械力学性能。目前所制备的掺杂羟基磷灰石局限在颗粒状羟基磷灰石的制备，本专利所制备的掺羟基磷灰石晶须，不仅能提高材料的力学性能，还能提高材料的降解性能与生物活性。
为了提高HAP陶瓷的断裂韧性和使用可靠性，人们研究和发展了各种HAP晶须复合材料，目前的研究重点主要集中在研制、开发具有生物活性的HAP晶须或纤维，并将其应用于HAP晶须复合陶瓷。相比于HAP粉体，HAP晶须复合材料依靠晶须的桥接、裂纹偏转和拔出效应来吸收能量，消除裂纹尖端集中的应力；通过负荷传递使应力作用于晶须，从而降低周围的基体材料所受的应力，达到增强生物材料的韧性的目的。此外，作为组织工程用的支架材料，HAP晶须还可以用于提高可降解聚合物的力学性能以及骨结合性能。而作为骨支架植入材料，要求大于75%的孔隙率，微孔尺寸要求200～400微米，有利于细胞的攀爬与生长，因此制备长度大，长径比高的羟基磷灰石晶须显得尤为重要，而目前国内外所制备的HAP晶须长度约为100um，而通过此种方法可制备出平均长度为200～300um，最长晶须长度约为800um的HAP晶须。
发明内容
本发明提供一种羟基磷灰石的制备方法，该方法所得晶须，不但具有优异的生物相容性、生物活性和良好力学性能等，而且操作安全简单，晶须的长径比稳定，产量高。
本发明技术方案是采用水热法制备，具体步骤包括如下：
（1）将可溶性钙盐、可溶性金属盐与可溶性磷盐的混合物、酸碱度调节剂、模板剂和羟基磷灰石仔晶按照摩尔比为1：1.1～2.2：5～15：0～0.4：0～0.4备料，然后将上述配比的可溶性钙盐、可溶性金属盐、酸碱度调节剂和可溶性磷盐依稀加入到蒸馏水中并不断搅拌直到溶解；
（2）向上述混合溶液中加入酸度调节剂调节pH值为1.5～3.5，搅拌5～15分钟后按照步骤(1)所述的比例加入模版剂和羟基磷灰石仔晶，继续搅拌5～15分钟后再水浴或至于高压条件下反应10～36小时，得到晶须形态的反应产物；
（3）待上述反应结束后将反应产物采用蒸馏水清洗，然后抽滤得到晶须滤饼，最后干燥得到羟基磷灰石晶须。
所述可溶性金属盐与可溶性磷盐的混合物为金属离子与磷的摩尔比为0～0.5:1。（摩尔比为0时所制备的晶须为纯羟基磷灰石晶须）
所述可溶性钙盐为硝酸钙；可溶性磷盐为磷酸氢二铵。
所述可溶性金属盐为硝酸钡、硝酸锌或硝酸镁。
所述酸碱度调节剂为浓硝酸，浓度为98wt%以上。
所述模版剂为山梨醇，市售。
所述蒸馏水与可溶性磷盐的摩尔比为5000～50:1。
所述在步骤（2）中水浴的条件是75℃～100℃；高压条件是0.1MPa～30Mpa、温度100℃～300℃。(其中100℃以下所制备的晶须较短，约为10～150微米，高温高压下所制备的晶须为超长晶须，约为200～1500微米)。在此条件下制备得到的羟基磷灰石晶须的长度可为到10～1000微米，长度可控，长径比为20～500，长径比可控，随着反应温度的提高，所制得的羟基磷灰石晶须越长，且长径比越大。
所述步骤（3）中反应产物清洗的次数不少于5次。
所述步骤（3）中干燥的条件是45℃～80℃恒温箱中恒温干燥8～20小时；或者是采用冷冻干燥。
本发明的有益效果是：
（1）所述掺杂羟基磷灰石晶须制备方法反应工艺简单，操作简便；所制备的掺杂羟基磷灰石晶须的性能优良、产量高而且稳定；
（2）采用所述制备方法制得的掺杂羟基磷灰石晶须保持细长的良好形态，且长度及长径比可控；
（3）所制备的掺杂羟基磷灰石晶须，其力学性能有很大的提高，生物活性与降解性能均有很多的提高；
（4）采用所述制备方法制得的掺杂羟基磷灰石晶须的生物相容性和活性良好，可用于骨组织工程支架材料和牙科材料等生物工程材料领域。
附图说明
图1是本发明掺钡羟基磷灰石晶须的XRD图谱图；
图2是本发明掺钡羟基磷灰石晶须的FT-IR图谱图；
图3是本发明掺钡羟基磷灰石晶须的SEM照片；
图4是本发明掺锌羟基磷灰石晶须的XRD图谱；
图5是本发明掺锌羟基磷灰石晶须的FT-IR图谱；
图6是本发明掺锌羟基磷灰石晶须的SEM照片；
图7是本发明掺锌羟基磷灰石晶须的长度统计图；
图8是本发明掺锌羟基磷灰石晶须的长径比统计图；
图9是本发明掺镁羟基磷灰石晶须的XRD图谱；
图10是本发明掺镁羟基磷灰石晶须的FT-IR图谱；
图11是本发明掺镁羟基磷灰石晶须的SEM照片；
图12是本发明超长羟基磷灰石晶须的XRD图谱；
图13是本发明超长羟基磷灰石晶须的FTIR图谱；
图14是本发明超长羟基磷灰石晶须的SEM照片
图15是本发明掺钡羟基磷灰石晶须的EDS图谱；
图16是本发明掺镁羟基磷灰石晶须的EDS图谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施方式一：如图1～3和15所示，本实施例涉及掺钡的羟基磷灰石晶须的制备方法:
（1）将四水硝酸钙、硝酸钡与磷酸氢二铵的混合物、浓硝酸、山梨醇和羟基磷灰石仔晶按照摩尔比为1：1.1：15：0.2：0.4备料，然后将上述配比的四水硝酸钙、硝酸钡、浓硝酸和磷酸氢二铵依稀加入到蒸馏水中并不断搅拌直到溶解，蒸馏水与磷酸氢二铵的摩尔比为500:1。硝酸钡与磷酸氢二铵的混合物为金属离子与磷的摩尔比为0.3：1。
（2）向上述混合溶液中加入浓硝酸调节pH值为2.5，搅拌10分钟后按照步骤(1)所述的比例加入山梨醇和羟基磷灰石仔晶，继续搅拌10分钟后再在75℃的水浴条件下反应36小时，得到晶须形态的反应产物；
（3）待上述反应结束后将反应产物采用蒸馏水清洗，然后抽滤得到晶须滤饼，最后干燥得到羟基磷灰石晶须，干燥的条件是45℃恒温箱中恒温干燥12小时。得到长度为30～150微米，平均长径比为20左右的掺钡羟基磷灰石晶须。
实施方式二：如图4～8所示，本实施例涉及掺锌的羟基磷灰石晶须的制备方法:
（1）将四水硝酸钙、硝酸锌与磷酸氢二铵的混合物、浓硝酸、山梨醇和羟基磷灰石仔晶按照摩尔比为1：2.2：5：0.4：0.1备料，然后将上述配比的四水硝酸钙、硝酸锌、浓硝酸和磷酸氢二铵依稀加入到蒸馏水中并不断搅拌直到溶解，蒸馏水与可溶性磷盐的摩尔比为50:1；硝酸锌与磷酸氢二铵的混合物为金属离子与磷的摩尔比为0.001:1。
（2）向上述混合溶液中加入浓硝酸调节pH值为1.5，搅拌15分钟后按照步骤(1)所述的比例加入山梨醇和羟基磷灰石仔晶，继续搅拌15分钟后再在100℃的水浴条件下反应10小时，得到晶须形态的反应产物；
（3）待上述反应结束后将反应产物采用蒸馏水清洗，然后抽滤得到晶须滤饼，最后干燥得到羟基磷灰石晶须，干燥的条件是60℃恒温箱中恒温干燥20小时。制得平均长度约为60微米，平均长径比为30左右的掺锌羟基磷灰石晶须。
实施方式三：如图4～8和16所示，本实施例涉及掺镁的羟基磷灰石晶须的制备方法:
（1）将四水硝酸钙、硝酸镁与磷酸氢二铵的混合物、浓硝酸、山梨醇和羟基磷灰石仔晶按照摩尔比为1：1.8：10：0.1：0.2备料，然后将上述配比的四水硝酸钙、硝酸镁、浓硝酸和磷酸氢二铵依稀加入到蒸馏水中并不断搅拌直到溶解，蒸馏水与磷酸氢二铵的摩尔比为5000:1；硝酸镁与磷酸氢二铵的混合物为金属离子与磷的摩尔比为0.5:1。
（2）向上述混合溶液中加入浓硝酸调节pH值为3.5，搅拌5分钟后按照步骤(1)所述的比例加入山梨醇和羟基磷灰石仔晶，继续搅拌5分钟后再在85℃的水浴条件下反应12小时，得到晶须形态的反应产物；
（3）待上述反应结束后将反应产物采用蒸馏水清洗，然后抽滤得到晶须滤饼，最后干燥得到羟基磷灰石晶须，干燥的条件是80℃恒温箱中恒温干燥8小时。得到长度为100～700微米的掺镁羟基磷灰石晶须，平均长径比为20左右的掺钡羟基磷灰石晶须。
实施方式四：如图12～14所示，本实施例涉及羟基磷灰石晶须的制备方法:
（1）将硝酸钙、磷酸氢二铵、浓硝酸按照摩尔比为1：2：12备料，然后将上述配比的硝酸钙、浓硝酸和磷酸氢二铵依稀加入到蒸馏水中并不断搅拌直到溶解，蒸馏水与磷酸氢二铵的摩尔比为5000:1；
（2）向上述混合溶液中加入浓硝酸调节pH值为3.5，搅拌15分钟后再高压条件是0.1MPa、温度300℃条件下反应36小时，得到晶须形态的反应产物；
（3）待上述反应结束后将反应产物采用蒸馏水清洗，然后抽滤得到晶须滤饼，最后干燥得到羟基磷灰石晶须，干燥的条件是80℃恒温箱中恒温干燥8小时。
实施方式五：本实施例涉及超长的羟基磷灰石晶须的制备方法:
（1）将硝酸钙、磷酸氢二铵、浓硝酸、山梨醇和羟基磷灰石仔晶按照摩尔比为1：1.1：5：0.1：0.2备料，然后将上述配比的硝酸钙、浓硝酸和磷酸氢二铵依稀加入到蒸馏水中并不断搅拌直到溶解，蒸馏水与磷酸氢二铵的摩尔比为600:1。
（2）向上述混合溶液中加入浓硝酸调节pH值为3，搅拌8分钟后按照步骤(1)所述的比例加入山梨醇和羟基磷灰石仔晶，继续搅拌7分钟后再高压条件是30Mpa、温度200℃条件下反应15小时，得到晶须形态的反应产物；
（3）待上述反应结束后将反应产物采用蒸馏水清洗，然后抽滤得到晶须滤饼，最后干燥得到羟基磷灰石晶须，干燥的条件是50℃恒温箱中恒温干燥11小时。得到长度为100～700微米的超长羟基磷灰石晶须。
实施方式六：本实施例涉及超长的羟基磷灰石晶须的制备方法:
（1）将硝酸钙、磷酸氢二铵、浓硝酸、山梨醇和羟基磷灰石仔晶按照摩尔比为1：1.1.3：6：0.3：0.1备料，然后将上述配比的可溶性钙盐、可溶性金属盐、浓硝酸和可溶性磷盐依稀加入到蒸馏水中并不断搅拌直到溶解，蒸馏水与磷酸氢二铵的摩尔比为700:1。
（2）向上述混合溶液中加入浓硝酸调节pH值为2.5，搅拌5分钟后按照步骤(1)所述的比例加入山梨醇和羟基磷灰石仔晶，继续搅拌15分钟后再高压条件是20Mpa、温度100℃条件下反应18小时，得到晶须形态的反应产物；
（3）待上述反应结束后将反应产物采用蒸馏水清洗，然后抽滤得到晶须滤饼，最后干燥得到羟基磷灰石晶须，干燥的条件是45℃恒温箱中恒温干燥16小时。得到长度为100～700微米的超长羟基磷灰石晶须。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.一种羟基磷灰石晶须的制备方法，其特征在于具体步骤包括：
（1）将可溶性钙盐、可溶性金属盐与可溶性磷盐的混合物、酸碱度调节剂、模板剂和羟基磷灰石仔晶按照摩尔比为1：1.1～2.2：5～15：0～0.4：0～0.4备料，然后将上述配比的可溶性钙盐、可溶性金属盐、酸碱度调节剂和可溶性磷盐依次加入到蒸馏水中并不断搅拌直到溶解；
（2）向上述混合溶液中加入酸度调节剂调节pH值为1.5～3.5，搅拌5～15分钟后按照步骤(1)所述的比例加入模版剂和羟基磷灰石仔晶，继续搅拌5～15分钟后置于水浴或高压条件下反应10～36小时，得到晶须形态的反应产物；
（3）待上述反应结束后将晶须形态的反应产物采用蒸馏水清洗，然后抽滤得到晶须滤饼，最后干燥得到羟基磷灰石晶须。
2.根据权利要求1所述的羟基磷灰石晶须的制备方法，其特征在于：所述可溶性金属盐与可溶性磷盐的混合物为金属离子与磷的摩尔比为0～0.5：1。
3.根据权利要求1所述的羟基磷灰石晶须的制备方法，其特征在于：所述可溶性钙盐为硝酸钙；可溶性磷盐为磷酸氢二铵。
4.根据权利要求1所述的羟基磷灰石晶须的制备方法，其特征在于：所述可溶性金属盐为硝酸钡、硝酸锌或硝酸镁。
5.根据权利要求1所述的羟基磷灰石晶须的制备方法，其特征在于：所述酸碱度调节剂为浓硝酸，浓度为98wt%以上。
6.根据权利要求1所述的羟基磷灰石晶须的制备方法，其特征在于：所述模版剂为山梨醇。
7.根据权利要求1所述的羟基磷灰石晶须的制备方法，其特征在于：所述蒸馏水与可溶性磷盐的摩尔比为5000～50:1。
8.根据权利要求1所述的羟基磷灰石晶须的制备方法，其特征在于：所述在步骤（2）中水浴的条件是75℃～100℃；高压条件是在压力为0.1MPa～30Mpa、温度100℃～300℃。
9.根据权利要求1所述的羟基磷灰石晶须的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中干燥的条件是45℃～80℃恒温箱中恒温干燥8～20小时。
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