CN104582675A - 具有光催化活性且包含利用二氧化钛(TiO2)纳米粒子来表面官能团化的无机粒子的口腔保健与口腔卫生产品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有光催化活性且包含以晶体形式的二氧化钛纳米粒子来表面官能团化的磷酸钙化合物粒子的口腔保健与口腔卫生产品，该些二氧化钛(TiO2)纳米粒子具有：a)实质为片层状的形态；b)介于5与30之间的长宽比(AR)；c)表面结构以晶面(001)作为晶格的最外层晶面：及d)该TiO2为锐钛矿，且在需要时，还可混入金红石及/或板钛矿。

Description

具有光催化活性且包含利用二氧化钛(TiO2)纳米粒子来表面官能团化的无机粒子的口腔保健与口腔卫生产品
技术领域
本发明关于多种包含利用二氧化钛(TiO2)纳米粒子来表面官能团化的无机粒子的口腔保健与口腔卫生产品及其制备方法。
更具体地，本发明关于多种包含利用TiO2纳米粒子来表面官能团化的磷酸钙化合物粒子的口腔保健与口腔卫生产品，例如牙膏、牙粉、口香糖、牙龈用软膏、漱口水及口浴浓缩物、漱口液、咬合物及护齿套的填料，以及专业牙齿增白产品。
根据其他态样，本发明关于将前述口腔保健与口腔卫生产品用于预防及消除牙渍(牙齿异色症)及齿斑，此外，本发明关于一种套件，其包含至少一种上述产品以及可选地至少一发光装置，该发光装置的波长介于280纳米与450纳米之间(紫外线B－紫外线A－可见光)。
背景技术
齿斑(明确而言则为牙菌斑)是由彼此紧密附着且又紧密附着于牙齿表面的细菌所形成的聚集体(生物膜)，其可助长龋齿及牙周病等常见口腔疾病的发生。
去除齿斑的唯一方式是通过机械清洁的手段，因此，更易沉积齿斑的部位即为自我清洁不彻底，且口腔卫生状况不佳的区域。黏着于牙齿表面的齿斑可经由其化学产物损坏珐琅质，此等化学产物包括可侵蚀羟磷灰石(珐琅质主要成分)的乳酸与焦磷酸酶，以及可破坏珐琅质釉柱间蛋白质成分的胺肽酶。珐琅质受损乃龋齿的前兆，由于珐琅质硬度甚高，龋齿形成初期的进展速度十分缓慢，且水平扩大的速度大于垂直扩大的速度。一旦珐琅质被蚀透，细菌便可直达牙本质，而牙本质去矿质化的速度更快，直至细菌到达齿髓后将导致齿髓发炎，并引发巨痛。初期齿斑略带白色及粘性，且为丝状。随着钙盐的沉积，齿斑将于短时间内干酪化及白垩化，最后成为齿石，即一淡黄色的高密度硬块，而齿石无法以牙刷去除，去除齿石必须仰赖超声波或外科工具。
在各种磷酸钙化合物中，羟磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)是一具有重要科技应用的离子化合物(HA)，除了构成骨骼及牙齿的无机相外，羟磷灰石系以地质矿物及生物矿物的形态存在于大自然中，但也可以多种化学方法合成。人工合成的羟磷灰石是生物医药领域中一应用广泛的生物材料，不仅为最常用的蛋白层析分离材料，也可作为骨骼替代物及药物分配媒介。
WO 2007/137606号国际专利申请案公开一种以碳酸根取代的羟磷灰石纳米粒子，更具体地，该种纳米粒子用于牙齿的局部再矿化。
近数十年来，二氧化钛(TiO2)已被深入研究并广泛应用，其特征在于具有三种同素异形体：锐钛矿、金红石及板钛矿，但三者中仅锐钛矿具有光催化活性。金红石的应用甚广，可作为涂料、塑胶、水泥及化妆品的白色来源；锐钛矿则为众所熟知的光触媒或光促进剂，可令有机化合物在紫外线照射下降解。具有促进此种化学转变的能力使得它们在环境污染的相关领域中备受瞩目，可用以改善空气品质与水质，并为固态表面防腐杀菌。而且，它可用于建筑物，例如以其制备灰泥及各种用作外部涂料的材料，使洁净表面(水泥、玻璃及陶瓷)不受污染(“自洁”表面)，或用于高架桥及道路，以降低内燃机废气中的氮氧化物(NOx)与碳(微粒)含量。
TiO2锐钛矿可吸收太阳能，使污染物在太阳能的作用下产生特定的自由基反应，并因而分解。锐钛矿之所以具有此一性质，乃因钛(Ti)为半导体，即其导电性介于金属(导体)与绝缘体(非导体)的典型导电性之间。更具体地，一固体的组成原子是以化学键相互结合，而化学键则涉及键结电子，整体物质的电子占据不同能阶，并首先填满能量最低且未被占用的能阶。当构成物质的原子数增加时，形成键结的电子数及电子所占用的能阶数也随之增加。若能阶的数量极大且其能量相近，该能阶便形成连续能带。此能带由整体物质共用，且电子可在整个固体的连续能带中自由移动(非定域电子)。
若上述电子带(亦称为价带)并未被电子占满，电子便有可能移动，并进而导电。此种物质即为电子导体。
反之，若价带被电子占满，其他电子便无法占用。但存在另外的能量较高且未与价带邻接的能带，即传导带。价带与传导带是以一界限明确的能量(能隙)相隔，若对系统供应一大于此能隙的能量，即可促使价带中的电子移至传导带。
倘若能隙远大于所供应的能量，电子将无法跨越能隙，导致此物质的行为近似绝缘体。但若能隙并非远大于所供应的能量，则价带中的部分电子便可进入传导带，并占用传导带的能阶，同时在价带中留下电洞。具有上述性质的物质即为半导体。促使电子移动的限制条件为：电子必须吸收能量，而此能量的形式可为诸如热能或本案的光子。
锐钛矿的能隙为约3电子伏特(eV)，此能量恰好对应于紫外线范围(波长小于400纳米)的辐射。
紫外线辐射可促使电子进入传导带并在价带中留下电洞。电洞与电子均可在水溶液或空气中与环境中的氧化或还原剂产生反应，从而产生具有高氧化力的自由基种类。
上述的自由基种类可通过复杂的反应，氧化大部分有机物质，并将其转化为二氧化碳(CO2)与硝酸盐，直到其被完全移除为止。
可利用二氧化钛锐钛矿促进光催化作用，减少一般有机物质，并通过使细胞壁劣化的方式减少细菌。
发明内容
申请人观察到，常用的二氧化钛必须以紫外线(波长小于400纳米)活化，此一限制使其不适合在环境光(可见光)的条件下使用。
因此，申请人致力提供具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品，其能预防并消除牙渍及齿斑，甚至通过可见光达成此一目的。
申请人于实验中意外发现，即使在日常牙齿卫生保健的有限时间内，仍可达成持续抗牙渍及抗齿斑的效果。
更具体地，本发明的第一方面涉及具有光催化活性且包含以晶形TiO2纳米粒子来表面官能团化(functionalised，功能化)的磷酸钙化合物粒子的口腔保健与口腔卫生产品，其中该TiO2纳米粒子具有：
a)实质为(substantially，基本)片层状的形态；
b)介于5与30之间的长宽比(AR)；
c)表面结构，其以晶面(001)作为晶格的最外层：及
d)其中该TiO2为锐钛矿，可选地可混入金红石及/或板钛矿。
申请人于实验中发现，二氧化钛的前述特定特征(下文将有进一步说明)使得可以提供具有光催化活性及一系列极为有利的技术效果的口腔保健与口腔卫生产品，该技术效果包括通过使口腔内细菌(其为齿斑及牙渍主要成因之一)的细胞膜产生劣化，减少该口腔内细菌。
在本文及所附的权利要求书的范围中，除非另有说明，否则所有表示用量、数量、百分比等等的数字，均应视为概略值。此外，所有数值范围除了下文特别指明外，包括最大值与最小值的所有可能组合，及其间所有可能的中间范围。
在本文及所附权利要求的范围中，“粒子”一词指纳米粒子或微粒子。
在本文及所附权利要求的范围中，“微粒子”一词指前述无机纳米粒子的聚集体或“团簇”。
在本发明的优选实施例中，该磷酸钙化合物粒子具有微米级的尺寸，优选地，其长度介于0.2微米与10微米之间；更优选地，其长度介于0.5微米与5微米之间。
在本发明的优选实施例中，该TiO2纳米粒子的长度小于0.1微米，优选地介于0.01微米与0.1微米之间。
在本发明的优选实施例中，该TiO2纳米粒子的厚度介于2与5纳米之间。
在本发明的优选实施例中，该TiO2纳米粒子的宽度系介于1与20纳米之间。
在本发明的优选实施例中，前述磷酸钙化合物选自下列各项组成的组：磷酸八钙、磷酸三钙、磷灰石、羟磷灰石、碳羟磷灰石(carbonate hydroxyapatite)及其类似物。
优选地，该磷酸钙化合物为磷灰石或羟磷灰石。
在另一优选实施例中，该羟磷灰石是可以下式表示的碳羟磷灰石：
Ca10-x Znx(PO4)6-y(CO3)y+z(OH)2-z
其中x是介于0.0055与0.6之间的数值，y是介于0.065与0.9之间的数值，z是介于0与0.32之间的数值。
在本文及所附权利要求的范围中，“表面官能团化”一词用于指明二氧化钛纳米粒子以形成强大相互作用(例如静电键)的方式结合于磷酸钙化合物粒子的表面。
单一的磷酸钙化合物纳米粒子可具有不同形态，但优选地具有实质为(基本上)片层状或针状的形态。
有利的是，该实质为片层状的形态有助于增加该纳米粒子的表面积，进而提高其反应性。
在本文及所附权利要求的范围中，“实质为片层状的形态”一词指长而扁平的形态，例如为片状。
在本文及后附的权利要求的范围中，“长宽比(AR)”一词指一粒子的长/宽比。
在本文及后附的权利要求的范围中，“晶格的最外层晶面”一词指对应于锐钛矿晶面(001)且宽度最大的一平坦部分。
在本发明的优选实施例中，该磷酸钙化合物进一步包含锌离子。
优选地，锌离子在该磷酸钙化合物结构中的取代度以重量计介于总钙含量的0.1％与20％之间。
在本发明的另一优选实施例中，该磷酸钙化合物还包含碳酸根离子。
优选地，碳酸根离子(碳酸盐)在该磷酸钙化合物结构中的取代度以重量计介于总磷酸盐含量的0.5％与10％之间。
优选地，前述磷酸钙化合物粒子的表面具有自由的正和/或负电荷，以免正电荷(阳离子)与负电荷(阴离子)相互中和；此有利于磷酸钙化合物粒子与二氧化钛纳米粒子形成强大的相互作用，例如形成静电键。
在本发明的一优选实施例中，以TiO2纳米粒子来表面官能团化的磷酸钙化合物粒子的结晶度(CD)介于50％与80％之间，更优选地介于58％与75％之间。
就本发明的目的而言，结晶度(CD)可以本领域技术人员所熟知的方法测量，例如使用X光衍射分析法。
在本文中，结晶度(CD)的测量采用Landi,E.、Tampieri,A.、Celotti,G.与Sprio,S.在“Densification behaviour and mechanisms of synthetic hydroxyapatites”(J.Eur.Ceram.Soc.,2000,20,2377-2387)一文中所说明的方法：
CD＝(1-X/Y)·100
其中：
Y为2θ＝33°处的最大绕射高度，X为纳米粒子X光绕射图案在2θ＝33°处的背景绕射高度。
在一优选实施例中，本发明关于一种具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品，其中该产品的形态为悬浮液、油、凝胶或固体。
根据本发明的一优选实施例，该具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品的形态为悬浮液，包含介于1％与40％之间的重量百分比的以TiO2纳米粒子来表面官能团化的磷酸钙化合物粒子。
在本发明的一优选实施例中，该悬浮液的pH值介于6与13之间。
这样，可直接使用该悬浮液，或将该悬浮液与有效的口腔保健与口腔卫生产品配方中的其他成分混合后再加以使用。
更有利的是，该悬浮液可以相当简单且具经济效益的方法制成(下文将有进一步说明)，且可直接使用(例如作为漱口液或漱口水)，以治疗牙齿及牙龈，或当制成诸如牙膏或漱口水等固态或液态产品时与其他成分混合。
在一优选实施例中已经证明，无论该悬浮液是供直接使用或于混合后使用，添加适当的防腐剂(例如对羟苯甲酸酯，或其他口腔可接受且为本领域技术人员所熟知的防腐剂)均有助于延长其库存寿命，且可防止该悬浮液受霉菌或细菌污染。
发明人意外发现，本发明的悬浮液即使未添加稳定剂，仍可长期维持在稳定状态。
更具体地，根据观察，本发明的悬浮液在不使用任何稳定剂的情况下，至少可于30天内保持稳定，一般而言则可在约二至三个月内保持稳定。
根据本发明的一优选实施例，所述口腔保健与卫生产品是从下列各项组成的组中选择：牙膏、牙粉、口腔及牙齿卫生用口香糖、牙龈用软膏、漱口水及口浴浓缩物，及漱口液。
根据另一优选实施例，以膏状或浓缩凝胶的形态的本发明的口腔保健与口腔卫生产品可用作咬合物及护齿套(mouthguard，牙托)的填料，或直接涂于受试者的牙齿上，然后受试者再将咬合物或护齿套装于牙齿上，使用者在日间持续佩戴数小时，或整晚佩戴。如此一来，使用者不需牙医的专业介入即可于家中获得牙齿增白的效果。
根据一优选实施例，本发明的口腔保健与口腔卫生产品可为专业牙齿增白产品，其可在牙医的专业介入下，发挥牙齿增白的作用。
当然，本发明的口腔保健与口腔卫生产品最好也含有本领域中用以构成该些产品的其他常用及已知成分，根据该口腔产品的形态而定。
例如，若为牙膏形态的口腔产品，该产品最好包含微粒研磨剂、含有保湿剂的液相，及粘合剂或增稠剂，其中该粘合剂或增稠剂可使该研磨剂在该液相中稳定悬浮。在市场可接受的牙膏中，表面活性剂及调味剂也是商用可接受牙膏的常见的优选的成分。
就本发明的目的而言，适当的微粒研磨剂优选地从下列各项组成的组中选择：二氧化硅、氧化铝、水化氧化铝、碳酸钙、无水磷酸氢钙(anhydrous dicalcium phosphate)、二水磷酸氢钙(dicalcium phosphate dihydrate)和不溶于水的偏磷酸钠。一般而言，微粒研磨剂的用量以牙膏重量计一般介于0.5％与40％之间。
较佳的保湿剂为甘油及山梨醇液(通常为约70％的溶液)。本领域技术人员已知其他保湿剂，包括1,2-丙二醇、乳糖醇(lactitol)及氢化玉米糖浆。一般而言，保湿剂的用量以牙膏重量计介于10％与85％之间。所述液相可为水相或非水相。
同样，适用于牙膏的粘合或增稠剂甚多，优选地为羧甲基纤维素钠盐及黄原胶。其他适用的粘合或增稠剂包括天然胶粘合剂，例如黄蓍胶、刺梧桐树胶及阿拉伯胶、藻酸盐及卡拉胶。二氧化硅增稠剂则包括硅气凝胶及各种沉淀二氧化硅。可使用粘合剂的混合物。一般而言，牙膏中粘合剂的用量以重量计一般介于0.1％与5％之间。
牙膏中通常且最好包括表面活性剂，而文献中同样揭露多种适用的物质。应用甚广的表面活性剂为月桂硫酸钠及月桂酰肌氨酸钠(sodium lauroylsarcosinate)。也可使用其他阴离子表面活性剂及其他种类的表面活性剂，例如阳离子表面活性剂、两性表面活性剂及非离子表面活性剂。表面活性剂的用量以牙膏重量计通常介于0.5％与5％之间。
可用的调味剂为牙膏(dentifrice，或牙粉)中常用的那些，例如以绿薄荷油及薄荷油为基底的调味剂。其他可用的调味物质的实例则包括薄荷脑、丁香、冬青、尤加利及大茴香。加入牙膏中调味剂的适当用量以重量计介于0.1％与5％之间。
本发明的口腔保健与口腔卫生产品可包括多种其他可选成分。
若该口腔产品的形态为牙膏，则该可选成分可包括抗齿斑剂(如苔藓萃取物)、抗齿石的成分(如缩合磷酸盐，例如碱金属的焦磷酸盐、六偏磷酸盐或多磷酸盐)、甜味剂(如糖精及其盐类)、不透明剂(如二氧化钛)、防腐剂(如福尔马林)、着色剂，及pH值控制剂(如酸、碱或缓冲剂，例如柠檬酸)。本领域技术人员可轻易选定该些可选成分的适当用量，其中该些用量为欲赋予该牙膏的特定特征的一函数。
若该口腔产品的形态为口香糖，则所述组合物除上述成分外，还将包含适当的胶基。本领域技术人员可轻易选定所需的胶基。
若该口腔产品的形态为漱口水或漱口液，则所述组合物将包含适当的液态或可溶成分，本领域技术人员可轻易选定所需的成分，例如山梨醇、甘油、油及调味物质、助溶剂(如氢化及乙氧化的蓖麻子油)、表面活性剂(如月桂硫酸钠及月桂酰肌氨酸钠)、防腐剂、粘性调节剂，及其他可由本领域技术人员轻易选定的成分。
有关口腔用组合物的配方的更充分讨论，详见“Harry's Cosmeticology”一书(第七版，1982，J.B.Wilkinson与R.J.Moore合编)。
根据本发明的第二方面，本发明涉及包含以TiO2纳米粒子来表面官能团化的磷酸钙化合物粒子的具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生组合物。根据本发明的第三方面，本发明涉及前述以TiO2纳米粒子来表面官能团化的磷酸钙化合物粒子。
根据本发明的第四方面，本发明涉及一种具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品的第一制造方法，其中该产品从下列各项组成的组中选择：牙膏、牙粉、口香糖、牙龈用软膏、漱口水及口浴浓缩物、漱口液、咬合物及护齿套的填料，以及专业牙齿增白产品，该第一制造方法包含下列步骤：
a)提供包括本文所述粒子的含水悬浮液；及
b)将该含水悬浮液与该口腔保健与口腔卫生产品的其他成分混合。
该第一制造方法的优点在于，可以相当简便的方式，将粒子轻易加入该口腔保健与卫生产品中，进而充分发挥上述粒子悬浮液的有用特性，尤其是稳定性及酸碱特性。
根据本发明的第五方面，本发明涉及一种具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品的第二制造方法，其中该产品从下列各项组成的组中选择：牙膏、牙粉、口香糖、牙龈用软膏、漱口水及口浴浓缩物、漱口液、咬合物及护齿套的填料，以及专业牙齿增白产品，该第二制造方法包含下列步骤：
a’)提供本文所述的固体粒子；及
b’)将该些固体粒子与该口腔保健与口腔卫生产品的其他成分混合。
根据该第一制造方法的一优选实施例，步骤a)包含下列步骤：
a1)制备包含钙离子的水溶液，其中钙离子的浓度介于10-4M与10-2M之间，优选地为10-3M；
b1)将该水溶液加热0.5至4小时，直到该水溶液到达介于30℃与120℃之间的温度为止；优选地，该温度为80℃；
c1)以滴入方式添加含有磷酸根离子的水溶液，其中磷酸根离子的浓度介于0.5×10-4M与0.5×10-2M之间，优选地为0.6×10-3M，滴入的总时间介于2小时与8小时之间，优选地为4小时；
d1)在添加该含有磷酸根离子的水溶液的同时，以滴入方式添加钛化合物的醇溶液，其中该钛化合物的浓度介于0.05×10-4M与0.05×10-2M之间，优选地为0.05×10-3M；及
e1)使所得的混合物回流，回流时间介于4小时与12小时之间，优选地为8小时。
优选地，步骤d1)中用以制备该醇溶液的醇类从下列各项组成的组中选择：甲醇、乙醇、异丙醇、丙醇、丁醇、辛醇及其混合物。
优选地，步骤d1)所用的钛化合物从下列各项组成的组中选择：烷氧化钛(优选地为钛酸四异丙酯或钛酸四丁酯)及二氧化钛的无机前驱物。
优选地，该二氧化钛无机前驱物选自氧氯化钛(TiOCl2)、四氯化钛(TiCl4)及其混合物，且以上三者均溶于非质子性溶剂中。
优选地，所述钙离子来自Ca(OH)2、CaCO3、Ca(NO3)2·4H2O、Ca(NO3)2·2H2O、Ca(CH3COO)2或其混合物的盐类水解。
优选地，步骤a1)中的水溶液还包含锌离子，且该些锌离子的形态为锌的氧化物或盐类。
优选地，步骤c1)水溶液中的磷酸根离子来自NH4H2PO4、K2HPO4、KH2PO4、H3PO4或其混合物的盐类水解。
在一优选实施例中，步骤c1)的水溶液还包含碳酸根离子。
优选地，本发明以TiO2来表面官能团化的磷酸钙化合物粒子的结晶度介于50％与80％之间，优选地介于58％与75％之间。
在上述方法的一优选实施例中，步骤c1)是通过同时搅拌该溶液来实施的，优选地以机械搅拌器进行搅拌，以捕集大气(或气氛)中的CO2，并在所得的磷酸钙结构中实现碳酸根的取代。
如此一来，通过简单地搅拌该溶液或悬浮液，例如利用机械搅拌器，即可达成碳酸根的取代。
优选地，步骤c1)中含有磷酸根离子的水溶液还包含碳酸根离子。
在上述方法的一优选实施例中，步骤c1)的实施方式是同时添加一含有碳酸根离子的第一溶液及一含有磷酸根离子的第二溶液。
有利的是，上述制备方法可用以获得以二氧化钛完成官能团化且具有上述特征的磷酸钙化合物粒子。
申请人还意外地观察到：通过将合成过程的特定参数(例如温度、机械搅拌速度、反应物的混合速度等)最佳化，微米级聚集体中的磷酸钙纳米晶体便有可能出现自组装(self assembling)的现象，即磷酸钙纳米晶体将由尺寸远小于该些磷酸钙纳米晶体的纳米级锐钛矿纳米晶体覆盖，因而于表面完成自发性的自我中和。磷酸钙纳米晶体的自组装通过晶体表面非晶形层的作用而自发性产生，其中无须遵守钙/磷的化学计量比率，且正、负电荷可自由相互中和。因此，磷酸钙纳米晶体之间将以较快的速度进行自组装，之后才与锐钛矿纳米晶体产生相互作用；该锐钛矿纳米晶体在磷酸钙团簇表面仍能找到可加以中和的自由电荷，并将其对应于锐钛矿晶面(001)且宽度最大的平坦部分外露，其中晶面(001)因稳定性最低，故为最具反应性的晶面(Hua Gui Yang等人，SolvothermalSynthesis and Photoreactivity of Anatase TiO2 Nanosheets with Dominant{001}Facets,J.AM.CHEM.SOC.VOL.131,No.11,2009)。
根据本发明该第二制造方法的一优选实施例，步骤a’)包含下列步骤：
a3)根据步骤a)制备包括该些粒子的含水悬浮液；
b3)从得自步骤a3)的悬浮液中分离出该些固体粒子；及
c3)使所得的潮湿固体粒子干燥。
在一优选实施例中，该分离步骤b3)以本领域技术人员所熟知的装置及技术，通过倾析、离心或过滤等方式完成。
在一优选实施例中，该干燥步骤c3)是通过以低于0℃的温度冷冻干燥该些潮湿固体粒子，直到其达到一恒定重量为止而实施。
在这个优选实施例中，该干燥步骤c3)最好以介于-20°与-50℃的温度冷冻干燥该些潮湿固体粒子，该温度最优选为约-40℃。
在一优选实施例中，该方法可另包含步骤d3)，即在进行该干燥步骤c3)前，先以水或碱性溶液清洗已分离出的固体粒子。
有利的是，该额外清洗步骤d3)起到去除所有可能为该些粒子所吸收或捕集的酸性残余物的有利作用。
在本发明上述制造方法的一优选实施例中，该混合步骤b)与b’)是在一混合装置中实施，且该混合装置维持一预定的真空度。该真空度可由本领域技术人员轻易选定，并通过常规的真空泵实现，以使所有成分均匀混合。
在本发明第一制造方法的另一优选实施例中，该混合步骤b)通过以下实施：
b1)将步骤a)的含水悬浮液与该口腔保健与口腔卫生产品的其他成分(表面活性剂除外)混合；及
b2)将至少一种表面活性剂加入所得的混合物中。
如此一来，可使在混合过程中泡沫形成最少化。
在此实施例中，该加入步骤b2)优选以常规设备于真空状态下进行，以使不期望的泡沫产生最少化。
根据本发明的第六方面，本发明涉及本文所述具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品用于预防及消除牙渍与齿斑的应用。
根据本发明的第七方面，本发明涉及一种套件，其包含至少一种如本发明所述具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品，以及可选地至少一发光装置，其中该发光装置的波长介于280纳米与450纳米之间(紫外线B－紫外线A－可见光)。
有利的是，倘若使用该发光装置，可在短时间内快速达到光活化的作用。
有利的是，本发明具有光催化活性的组合物及产品经由紫外线(约380纳米)及可见光(最大波长可达450纳米，即蓝光)适当活化后，即可产生抗菌及抗齿斑的效果，且持续作用更长。因此，有利的是，仅须曝露于少量日光下即可获得上述特性并活化本发明的组合物及产品。
能隙的测量通过测量漫反射光谱进行。在覆有粉末的物质上直接进行的上述测量是使用一具有螳螂式漫反射附件与采样套件的紫外线－可见光分光光度计(由HarrickScientific Products公司制造)获得，所用的参考基准为一“全白”物质。样本的能隙值是以用于漫反射光谱的库贝卡－孟克方程式求出，其方法详见S.Ardizzone、C.L.Bianchi、G.Cappelletti、A.Naldoni及C.Pirola的著作(Environ Sci.Technol.2008,42,6671-6676)。
申请人于实验中意外发现，可利用波长高达450纳米的辐射(可见光)活化本发明具有光催化活性的粒子，而日光恰在此波段具有最大强度。
有利的是，本发明具有光催化活性的产品一旦以适当波长(紫外线A－紫外线B－可见光)活化，即可于口腔内产生抗菌作用，并于牙齿表面产生增白作用。
附图说明
通过参照附图的对一些优选实施例(通过示例性非限制性方式给出)的以下描述，本发明的其他特征和优势将变得更明显，在这些附图中：
图1是用于制造本发明的一个方面的具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品的以TiO2来表面官能团化的微米级羟磷灰石粒子实施例(实施例1)的X光衍射光谱。
图2是用于制造本发明的一个方面的具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品的以TiO2来表面官能团化的微米级羟磷灰石粒子实施例(实施例1)的傅立叶变换红外(FT-IR)光谱。
图3是用于制造本发明的一个方面的具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品的以TiO2来表面官能团化的微米级羟磷灰石粒子实施例(实施例1)的扫描式电子显微镜(SEM)图像。
图4是用于制造本发明的一个方面的具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品的以TiO2来表面官能团化的微米级羟磷灰石粒子实施例(实施例1)的能量分散光谱(EDS)。
图5是用于制造本发明的一个方面的具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品的以TiO2来表面官能团化的微米级羟磷灰石粒子实施例(实施例1)的透射电子显微镜(TEM)图像。
图6a是珐琅质以本发明的牙膏刷洗后的扫描式电子显微镜(SEM)图像，图6b为对应的能量分散X光(EDX)光谱(离体试验)。
图7a是珐琅质以一般牙膏刷洗后的SEM图像，图7b则为对应的EDX光谱。
具体实施方式
参见图1，该X光衍射光谱所示的结晶物质具有羟磷灰石及锐钛矿特有的最大衍射峰。
羟磷灰石于2θ＝25.7°处的最大衍射(002)与锐钛矿于2θ＝25.3°处的最大衍射(100)部分重叠。羟磷灰石在2θ＝30-35°范围内特有的三次最大衍射显示此磷灰石相的结晶度偏低。
参见图2，来自实施例1的微米级粒子的傅立叶变换红外(FT-IR)光谱出现羟磷灰石及锐钛矿的特征吸收带。
其实，可从图中发现下列谱带：435cm-1的谱带为νTi-O-Ti拉伸的特征；1639cm-1的谱带为碳羟磷灰石的特征；1093与1025cm-1的谱带是关于磷灰石磷酸盐的拉伸；而602与565cm-1的谱带是关于O-H及O-P-O键的弯曲。也可于2906及2855cm-1发现两个源于异丙基内νCH2、CH3拉伸运动的谱带，这是由于合成过程所用的异丙醇还有部分残留。
更具体地，图3的扫描式电子显微镜(SEM)形态分析结果所示，根据本发明一个方面的粒子具有尺寸有大有小的晶相形成，其尺寸介于0.01微米与0.1微米之间。粒子的组成则进一步以元素微量分析法加以确认。
参见图4，能量分散光谱法(EDS)微量分析所得的光谱显示，来自实施例1的粒子聚集体的元素组成包括钙与磷，且两者的比率是介于1.5与1.7之间的变数，平均值为1.6，此结果与非化学计量的羟磷灰石相符。钛与氧的信号均十分清楚。在减去羟磷灰石对照样本中的相对氧含量后，可得钛－氧比介于1与2之间。EDS分析结果显示，由于所有聚集体以不同点位进行分析时均呈现相同的组成和大约相同的钙、磷、钛与氧的组成比例，故所形成者为二氧化钛－羟磷灰石(TiO2-HA)聚集体。
更具体地和如图5所示，透射电子显微镜(TEM)分析结果显示，根据本发明一个方面的粒子呈现结晶聚集体的形态，且其尺寸介于200与400纳米之间。
以下实施例为申请人针对本发明口腔保健与口腔卫生产品进行一系列实验的实验成果。该些实施例仅供说明，并不具有限制性。
实施例1
在一温度恒定为70℃的恒温环境下，将含有钙离子的溶液100毫升导入一反应球，其中该溶液的浓度等于3.60(前驱物)克/公升。
另外制备一含有磷酸根离子的溶液20毫升，其浓度等于17.85克/公升；以及一含有钛前驱物与醇的溶液40毫升，其浓度等于20毫摩尔(mmol)。
将所得的该含有钛前驱物的溶液与该含有磷酸根离子的溶液同时导入两液滴形成装置中，然后在剧烈搅拌的条件下，以0.7毫升/分钟的速率加入该内含钙离子的反应球中。
上述步骤结束后，将合成产物留在反应环境中，在恒温环境中持续搅拌，静待产物成熟，需时共6.5小时。
所得的碳羟磷灰石粒子悬浮液即用于制造本发明具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品，其中该些碳羟磷灰石粒子已由TiO2纳米粒子来表面官能团化。
实施例2
在一温度恒定为80℃的恒温环境下，将含有钙离子的溶液200毫升导入一反应球，其中该溶液的浓度等于3.50(前驱物)克/公升。
另外制备一含有磷酸根离子的溶液20毫升，其浓度等于16.58克/公升；以及一含有钛前驱物与醇的溶液38毫升，其浓度等于21毫摩尔。
将由此获得的该含有钛前驱物的溶液与该含有磷酸根离子的溶液同时导入两液滴形成装置中，然后在剧烈搅拌的条件下，以0.5毫升/分钟的速率加入该内含钙离子的反应球中。
上述步骤结束后，将合成产物留在反应环境中，在恒温环境下持续搅拌，静待产物成熟，需时共9小时。
所得的碳羟磷灰石粒子悬浮液即用于制造本发明具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品，其中该些碳羟磷灰石粒子已由TiO2纳米粒子来表面官能团化。
实施例3
在一温度恒定为60℃的恒温环境下，将含有钙离子的溶液100毫升导入反应球，其中该溶液的浓度等于3(前驱物)克/公升。
另外制备含有磷酸根离子的溶液20毫升，其浓度等于14.83克/公升；以及含有一钛前驱物与醇的溶液40毫升，其浓度等于16.67毫摩尔。
将该含有钛前驱物的溶液与该含有磷酸根离子的溶液同时导入两液滴形成装置中，然后在剧烈搅拌的条件下，以0.4毫升/分钟的速率加入该内含钙离子的反应球中。
上述步骤结束后，将合成产物留在反应环境中，在恒温环境下持续搅拌，静待产物成熟，需时共5.5小时。
所得的碳羟磷灰石粒子悬浮液即用于制造本发明具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品，其中该些碳羟磷灰石粒子已由TiO2纳米粒子来表面官能团化。
实施例4
(评估实施例1样本的抗菌活性)
抗菌活性的评估试验在悬浮液中进行，所用菌株为大肠杆菌ATCC 8739。
菌株在胰蛋白酶大豆琼脂(TSA)培养基中进行隔夜培养。将培养物的部分试样接种于培养基(胰蛋白酶大豆培养液)后，以37℃的好氧条件进行培养，直到其达到指数级生长阶段为止。之后再以循序稀释的方式，将培养物制成标准悬浮液。
为测量抗微生物活性，将实施例1的样本(TiO2-HA)悬浮液2毫升或4毫升与培养基混合，然后将已知浓度的细菌悬浮液2毫升接种于各样本培养皿中，并将培养皿置于紫外线A灯下8至9cm处照射2小时。
从各个经照射后的样本中取出适度稀释的部分试样(1毫升)，并将其接种于富含琼脂的培养基中，以判定其中的活菌数(以菌落形成单位为计数的单位，即cfu/毫升)。经接种的培养皿以37℃的温度培养24小时，然后计算菌落数。
试验结果以存活百分比S/S0表示(抑制百分比则为1-S/S0)。
如表1所示，使用本发明以TiO2完成官能团化的微米级羟磷灰石粒子时，其优点十分明显。事实上，经紫外线A灯照射2小时后，微生物减量百分比是78％；若使本发明样本的浓度加倍(double)，则微生物减量百分比更可达到99.7％。
表1
(以大肠杆菌菌株评估抗菌活性)
实施例5
(牙膏)
本发明的牙膏由下列成分依照下列方法制成。
首先，依实施例1的步骤制备含水悬浮液，其中该含水悬浮液包括以TiO2纳米粒子来表面官能团化的碳羟磷灰石粒子(TiO2-HA)(总固体含量以重量计为30％)。
将所得的含水悬浮液与下表中的其他牙膏成分(表面活性剂除外)混合。
所述混合是在一个常规混合装置中进行，且该混合装置维持一适当的真空度，该真空度从本领域技术人员所知的常用数值中选择。
一旦形成均质混合物，即可将表面活性剂加入该混合装置中，在此同时，仍使该混合装置维持预定的真空度。
这样即可制成具有如表2所示成分的牙膏。
表2
实施例6
(于体外评估珐琅质表面覆盖层的形成状况)
采集基于牙科矫正的目的而拔除的前臼齿，并自其邻接面(interproximal surfaces)取得珐琅片(3×3mm)。更具体地，所述前臼齿经拔除后，以钻石磨盘进行切割，然后将所得的珐琅片置于重量百分比为50％的乙醇内，以超声振动10分钟，以便去除所有碎屑。珐琅片以重量百分比为37％的正磷酸蚀刻1分钟后，利用电动牙刷搭配蒸馏水反复刷洗，然后风干。试验时，各珐琅片分别以一般牙膏及本发明的牙膏(含有重量百分比为10％的TiO2-HA粒子)加以处理。
为提高实验重复率并取得更好的统计数据，共有五组试验同时(平行)进行。
所用的试验程序如下：
各珐琅片以每日三次的频率刷洗，为期21天。刷洗的时间间隔大于5小时。刷洗时以固定压力操作电动牙刷30秒，并使用份量如豆粒大小且以自来水沾湿的牙膏，以便模拟实际的刷牙程序。每次以牙膏刷洗完毕后，各珐琅片均以干净的牙刷及自来水再次刷洗，其目的为去除残余的牙膏。牙刷于每次使用后均以自来水反复清洗。
依上述方式刷洗21天后，以X光衍射法(DRX)、搭配EDX探针的扫描式电子显微法(SEM)以及傅立叶转换红外线法(FT-IR)判定珐琅片的特征。
根据图7a及7b所示的SEM-EDX探针分析显示，珐琅质表面以一般牙膏处理后，其钙/磷(Ca/P)摩尔比率为1.9，此为天然珐琅质的特征值。
但在图6b中，申请人则通过EDX探针证明覆盖层中的钙/磷比率并非天然珐琅质的特征值，而是以TiO2纳米粒子来表面官能团化的磷酸钙粒子的特征值。
此外，钛的单峰也清晰可见，此为二氧化物的特征。
因此，即使在日常牙齿卫生保健的有限时间内，以本发明牙膏处理的珐琅质外表面仍可形成一覆盖层，此为一大优点。
实施例7
(漱口水)
包括本发明TiO2-HA粒子的漱口水系以下列方式制备：先依实施例1的步骤制作悬浮液，然后以常规方式，将此悬浮液与常规成分混合。
该漱口水的组成如表3所示。
表3
实施例8
(口香糖)
包括本发明TiO2-HA粒子的口香糖以下列方式制备：先依实施例1的步骤制作悬浮液，然后以常规方式，将此悬浮液与常规成分混合。
所得的口香糖的组成如表4所示。
表4
显然，为满足特定及可能的要求，本领域技术人员可以多种方式变化及修改上述发明，但该些变化及修改仍属于所附权利要求所界定的专利保护范围。

Claims (28)

1.一种具有光催化活性且包含以二氧化钛纳米粒子来表面官能团化的磷酸钙化合物粒子的口腔保健与口腔卫生产品，其中所述TiO2纳米粒子具有：
a)实质为片层状的形态；
b)介于5与30之间的长宽比(AR)；
c)表面结构以晶面(001)作为晶格的最外层晶面：以及
d)其中该TiO2为锐钛矿的形式，可选地能混入金红石及/或板钛矿。
2.如权利要求1所述的产品，其中所述磷酸钙化合物粒子具有微米级的尺寸，是优选地介于0.2微米与10微米之间的长度。
3.如权利要求1或2所述的产品，其中所述TiO2纳米粒子具有小于0.1微米的长度，优选地介于0.01微米与0.1微米之间。
4.如权利要求1至3中任一项所述的产品，其中所述TiO2纳米粒子具有介于2纳米至5纳米之间的厚度。
5.如权利要求1至4中任一项所述的产品，其中所述磷酸钙化合物从下列各项组成的组中选择：磷酸八钙、磷酸三钙、磷灰石、羟磷灰石和碳羟磷灰石。
6.如权利要求1至5中任一项所述的产品，其中所述磷酸钙化合物还包含锌离子和/或碳酸根离子。
7.如权利要求1至6中任一项所述的产品，其中所述磷酸钙化合物粒子的表面具有自由的正电荷和/或负电荷。
8.如权利要求1至7中任一项所述的产品，其中所述以TiO2纳米粒子来表面官能团化的磷酸钙化合物粒子具有介于50％与80％之间的结晶度(CD)，更优选地介于58％与75％之间。
9.如权利要求1至8中任一项所述的产品，其形态为悬浮液、油、凝胶或固体。
10.如权利要求9项所述的产品，其形态为悬浮液，包含按重量计介于1％与40％之间的所述粒子。
11.如权利要求10所述的产品，其具有介于6与13之间的pH值。
12.如权利要求9所述的产品，其从下列各项组成的组中选择：牙膏、牙粉、口腔及牙齿卫生用口香糖、牙龈用软膏、漱口水及口浴浓缩物、漱口液、咬合物及护齿套的填料，或专业牙齿增白产品。
13.一种具有光催化活性的组合物，其包含如权利要求1至8中任一项中所述的以TiO2纳米粒子来表面官能团化的磷酸钙化合物粒子。
14.一种如权利要求1至8中任一项所述的以TiO2纳米粒子来表面官能团化的磷酸钙化合物粒子。
15.一种用于制造具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品的方法，其中该产品从下列各项组成的组中选择：牙膏、牙粉、口香糖、牙龈用软膏、漱口水及口浴浓缩物、漱口液、咬合物及护齿套的填料和专业牙齿增白产品，所述方法包含下列步骤：
a)提供含水悬浮液，所述含水悬浮液包括如权利要求1至8中任一项所述的粒子；以及
b)将所述含水悬浮液与所述口腔保健与口腔卫生产品的其他成分混合。
16.一种用于制造具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品的方法，其中所述产品从下列各项组成的组中选择：牙膏、牙粉、口香糖、牙龈用软膏、漱口水及口浴浓缩物、漱口液、咬合物及护齿套的填料和专业牙齿增白产品，所述方法包含下列步骤：
a’)提供如权利要求1至8中任一项所述的固体粒子；以及
b’)将所述固体粒子与所述口腔保健与口腔卫生产品的其他成分混合。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述步骤a)还包含下列步骤：
a1)制备包含钙离子的水溶液，其中钙离子的浓度介于10-4M与10-2M之间，优选地为10-3M；
b1)将所述水溶液加热0.5至4小时，直到其到达介于30℃与120℃之间的温度为止，优选地，该温度为80℃；
c1)以滴入方式添加含有磷酸根离子的水溶液，其中磷酸根离子的浓度介于0.5×10-4M与0.5×10-2M之间，优选地为0.6×10-3M，滴入的总时间介于2小时与8小时之间，优选地为4小时；
d1)在添加该含有磷酸根离子的水溶液的同时，以滴入方式添加钛化合物的醇溶液，其中该钛化合物的浓度介于0.05×10-4M与0.05×10-2M之间，优选地为0.05×10-3M；以及
e1)使所得的混合物回流，回流时间介于4小时与12小时之间，优选地为8小时。
18.如权利要求17所述的方法，其中在步骤d1)中用以制备所述醇溶液的醇从由下列各项组成的组中选择：甲醇、乙醇、异丙醇、丙醇、丁醇、辛醇和其混合物。
19.如权利要求17所述的方法，其中在步骤d1)中所用的所述钛化合物从下列各项组成的组中选择：烷氧化钛及二氧化钛的无机前驱物，其中烷氧化钛优选地为钛酸四异丙酯或钛酸四丁酯。
20.如权利要求17至19中任一项所述的方法，其中步骤c1)的实施方式是同时搅拌所述溶液，优选地利用机械式搅拌器进行搅拌，以便捕集大气中的二氧化碳(CO2)、或添加碳酸根离子至所述含有磷酸根离子的水溶液、或同时添加含有碳酸根离子的第一溶液及含有磷酸根离子的第二溶液。
21.如权利要求16所述的方法，其中步骤a’)包含下列步骤：
a3)根据步骤a)制备包含所述粒子的含水悬浮液；
b3)从得自步骤a3)的悬浮液中分离出所述固体粒子；
c3)使所得的潮湿固体粒子干燥。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述分离步骤b3)通过倾析法、离心法或过滤法实施。
23.如权利要求21所述的方法，其中所述干燥步骤c3)是通过以低于0℃的温度，冷冻干燥所述潮湿固体粒子，直到其达到恒定重量为止来实施的。
24.如权利要求21所述的方法，还包含下列步骤：
d3)在进行该干燥步骤c3)前，以水或碱性溶液清洗所述已分离出的固体粒子。
25.如权利要求15或16所述的方法，其中混合步骤b)和b’)在混合装置中实施，且所述混合装置维持在真空下。
26.如权利要求15所述的方法，其中该混合步骤b)通过下列步骤实施：
b1)将步骤a)的所述含水悬浮液与所述口腔保健与口腔卫生产品中除表面活性剂以外的其他成分混合；
b2)将至少一种表面活性剂加入所得的混合物中。
27.一种如权利要求1至12中任一项所述具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品用于预防及消除牙渍与齿斑的应用。
28.一种套件，其包含至少一种如权利要求1至12中任一项所述具有光催化活性的口腔保健与口腔卫生产品，可选地包含至少一发光装置，其中所述发光装置具有介于280纳米与450纳米之间的波长。
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