CN104707171A - 一种生物活性玻璃纳米管的制备方法 - Google Patents

一种生物活性玻璃纳米管的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以预钙化细菌纤维素纳米纤维为模板和钙源，采用辅助溶胶凝胶和煅烧的方法制备生物活性玻璃纳米管的工艺，其制备过程包括以下步骤：(1)将细菌纤维素浸泡于含钙源的醇溶液，摇床振荡，使纤维表面均匀吸附上钙源；(2)将吸附钙源的细菌纤维素浸泡于含硅源的醇溶液，使纤维表面再均匀吸附上硅源；(3)将处理之后的细菌纤维素浸泡于醇水混合溶液，使硅源水解、缩聚；(4)用清水反复冲洗，冷冻干燥，煅烧除去细菌纤维素，得到三维生物活性玻璃纳米管。本发明通过调控反应参数可制备出不同钙含量的三维生物活性玻璃纳米管，实现了三维生物活性玻璃纳米材料的可控制备，同时具有操作简单、成本低廉、易实现规模化生产的优点。

Description

一种生物活性玻璃纳米管的制备方法
技术领域
本发明涉及一种利用生物模板制备三维生物活性玻璃纳米管的方法，属于生物材料制备技术领域。
背景技术
生物活性玻璃因具有良好的骨结合能力和优良的力学性能被广泛用于硬组织缺损修复。生物活性玻璃的生物活性和应用与其结构密切相关。将生物活性玻璃设计成具有丰富的、且孔间相互贯通的多孔结构通常适合于硬组织修复，把生物活性玻璃制备成纳米结构(如纳米球、纳米线、纳米棒、纳米管等)则可以显著提高其生物活性。这是因为这些纳米结构具有高的比表面积，从而其纤维表面能快速生长一层类骨羟基磷灰石。
在无机纳米管的诸多制备方法中，模板辅助溶胶凝胶法因工艺可控性强、成本低、产物形态可控等优点而广泛使用。由模板辅助溶胶凝胶法所制备的纳米结构主要取决于模板的几何结构。尽管二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铝等纳米管的公开报道很多，但是至今公开的生物活性玻璃纳米管的制备技术极少。虽然有文献[Collagen-templated sol–gelfabrication,microstructure,in vitro apatite deposition,and osteoblastic cell MC3T3-E1compatibility of novel silica nanotube compacts.J Mater Chem 21,4332–4338]公开了以胶原纤维为模板制备生物活性玻璃纳米管的方法，但是得到的生物活性玻璃纳米管钙含量很低。一般来说，生物活性玻璃中钙含量越高(如60Si35Ca)，生物活性越好[The in-vitro bioactivityof mesoporous bioactive glasses.Biomaterials 27,3396–3403]。但是通过提高溶胶凝胶中钙源的含量并不能有效提高最终生物活性玻璃纳米管的钙含量，反而会使硅源团聚而不利于纳米管的形成。因此，高钙含量生物活性玻璃纳米管的制备技术一直未能取得突破。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种能有效提高生物活性玻璃纳米管钙含量的制备方法。本发明以预钙化细菌纤维素纳米纤维为模板和钙源，改变硅源吸附时间长短来调节硅钙含量，并采用模板辅助溶胶凝胶和煅烧的方法制备生物活性玻璃纳米管。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种三维生物活性玻璃纳米管的制备方法，以预钙化细菌纤维素纳米纤维为模板和钙源，采用模板辅助溶胶凝胶和煅烧制备，包括以下步骤：
步骤一、配制浓度为0.1mol/L的含钙源的醇溶液；
步骤二、将细菌纤维素浸泡于步骤一获得的含钙源的醇溶液中，其中，每3mL含钙源的醇溶液对应1g细菌纤维素；摇床振荡，每24h更换一次含钙源的醇溶液，3d后取出产物，用无水醇浸泡0.5h，洗去产物表面未吸附的钙源；
步骤三、将步骤二获得的表面吸附钙源的细菌纤维素浸泡于浓度为0.1mol/L的含硅源的醇溶液，其中，每4mL含硅源的醇溶液对应1g细菌纤维素，浸泡6～24h，获得表面吸附硅源的细菌纤维素；
步骤四、将步骤三获得的表面吸附硅源的细菌纤维素浸泡于醇与水体积比为10:1-5的混合液A中2d，其中，每4mL的混合液A对应1g细菌纤维素，使硅源水解、缩聚；
步骤五、将步骤四获得的产物用去离子水清洗，冷冻干燥，煅烧2-8h移除细菌纤维素模板，从而制备得到三维生物活性玻璃纳米管，生物活性玻璃纳米管中SiO2:CaO摩尔比为3:2-10:1，管内径为15-50nm，管壁厚为3-15nm。
进一步讲，所述醇溶液包括甲醇或乙醇；所述钙源包括硝酸钙、氯化钙或有机钙源；所述硅源包括正硅酸乙酯、正硅酸甲酯或正硅酸丁酯。
步骤五中，煅烧的工艺条件为：煅烧温度为300-800℃，升温速率为0.5-10℃/min，煅烧时间为2-8h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过生物模板方法获得生物活性玻璃纳米管材料。本发明工艺简单，无需有毒化学试剂，绿色无污染，生产效率高，适合大规模工业生产。同时，生物活性玻璃纳米管继承了细菌纤维素模板的三维空间结构，具有很高的比表面积和孔隙率，可用于骨修复和再生领域。
附图说明
图1为实例1制备的生物活性玻璃纳米管的TEM照片；
图2为实例1制备的生物活性玻璃纳米管的EDS照片；
图3为实例2制备的生物活性玻璃纳米管的TEM照片；
图4为实例2制备的生物活性玻璃纳米管的EDS照片；
图5为实例3制备的生物活性玻璃纳米管的TEM照片；
图6为实例3制备的生物活性玻璃纳米管的EDS照片；
图7为实例4制备的生物活性玻璃纳米管的TEM照片；
图8为实例4制备的生物活性玻璃纳米管的EDS照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明中所用细菌纤维素可以按照下述步骤制备，但并不限制本发明中所采用的细菌纤维素及其制备。
(1)制备培养基：取去离子水，依次加入2.5wt％葡萄糖，0.75wt％酵母粉，1wt％蛋白胨，1wt％磷酸氢二钠，加热搅拌使之完全溶解，溶液澄清透明。冷却后用冰醋酸调节pH值到4-5之间，并分装入锥形培养瓶，最后在高温灭菌器中以115℃灭菌30min，作为细菌生长的培养基；
(2)培养基接种细菌：待灭菌后的培养基冷却至室温，在无菌条件下，按照6％的体积分数将种子溶液接种到所述培养基中，放入转速为160r/min的摇床中，30℃下振荡24h；
(3)菌种的培养：将锥形瓶置于30℃的恒温培养箱内，培养3天，得到细菌纤维素膜；
(4)产物纯化：将细菌纤维素膜放入去离子水中清洗2次，然后将其再置入去离子水并加热煮至沸腾，反复几次，待细菌纤维素膜由浅黄色变成白色后，再将其转移至0.5％的NaOH溶液中加热煮沸30min，接着再换用去离子水煮沸，如此反复煮沸4～6次后，用去离子水将细菌纤维素膜清洗直至中性，备用。
上述制备得到的细菌纤维素纤维的平均直径为68nm。
实施例1、制备一种三维生物活性玻璃纳米管，包括以下步骤：
步骤一、配制浓度为0.1mol/L的含硝酸钙的乙醇溶液；
步骤二、将10g细菌纤维素浸泡于步骤一获得的30mL含硝酸钙的乙醇溶液中摇床振荡，转速为160r/min，每24h更换一次浸泡的含钙源的醇溶液，3d后取出产物，用无水醇浸泡0.5h，洗去产物表面未吸附的硝酸钙；
步骤三、将步骤二获得的表面吸附硝酸钙的细菌纤维素浸泡于40mL正硅酸乙酯浓度为0.1mol/L的乙醇溶液，浸泡6h，取出产物，获得表面吸附硅源的细菌纤维素；
步骤四、将步骤三获得的表面吸附硝酸钙的细菌纤维素浸泡于40mL乙醇与水体积比为10:1的混合液，使正硅酸乙酯水解缩聚2d；
步骤五、将步骤四获得的产物用去离子水反复清洗，冷冻干燥，600℃煅烧3h，其升温速率为1℃/min，移除细菌纤维素模板，从而制备得到三维生物活性玻璃纳米管。从图1可以看到，生物活性玻璃纳米管的管壁均匀，壁厚约为3nm，内径约为15nm；从图2可以看到二氧化硅和氧化钙的物质的量之比为3：2，钙元素的含量明显高于现有技术中报道的44.7:2.7。
实施例2、制备一种三维生物活性玻璃纳米管。
本实施例2与实施例1的步骤基本相同，其不同仅为在步骤三中，表面吸附硝酸钙的细菌纤维素浸泡于正硅酸乙酯浓度为0.1mol/L的乙醇溶液的浸泡时间为8h，最终制备得到三维生物活性玻璃纳米管，如图3所示，该生物活性玻璃纳米管的管壁均匀，壁厚约为5nm，内径约为30nm；从图4可以看到二氧化硅和氧化钙的物质的量之比为3：1，钙元素的含量明显高于现有技术中报道的44.7:2.7。
实施例3、制备一种三维生物活性玻璃纳米管。
本实施例3与实施例1的步骤基本相同，其不同仅为在步骤三中，表面吸附硝酸钙的细菌纤维素浸泡于正硅酸乙酯浓度为0.1mol/L的乙醇溶液的浸泡时间为14h，最终制备得到三维生物活性玻璃纳米管，如图5所示，该生物活性玻璃纳米管的管壁均匀，壁厚约为10nm，内径约为20nm；从图6可以看到二氧化硅和氧化钙的物质的量之比为7：1，钙元素的含量明显高于现有技术中报道的44.7:2.7。
实施例4、制备一种三维生物活性玻璃纳米管。
本实施例4与实施例1的步骤基本相同，其不同仅为在步骤三中，表面吸附硝酸钙的细菌纤维素浸泡于正硅酸乙酯浓度为0.1mol/L的乙醇溶液的浸泡时间为24h，最终制备得到三维生物活性玻璃纳米管，如图7所示，该生物活性玻璃纳米管的管壁均匀，壁厚约为15nm，内径约为50nm；从图6可以看到二氧化硅和氧化钙的物质的量之比为10：1，钙元素的含量明显高于现有技术中报道的44.7:2.7。
实例中的细菌纤维素纤维的平均直径为68nm，上述四个实施例制备获得的生物活性玻璃纳米管内径为15-50nm，小于纤维素平均直径，说明煅烧过程中纳米管体积收缩，这也与宏观的体积收缩现象相吻合。随着吸附硅源时间的延长，硅含量升高，二氧化硅和氧化钙的物质的量之比变大，纳米管壁厚从3nm增加到15nm。各实施例产物的TEM和EDS(如图1至图8所示)结果表明以预钙化的细菌纤维素纳米纤维为模板和钙源既能得到不同钙含量的生物活性玻璃纳米管，又能继承细菌纤维素的三维空间结构。
尽管上面结合附图对本发明进行了详细描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种三维生物活性玻璃纳米管的制备方法，其特征在于，以预钙化细菌纤维素纳米纤维为模板和钙源，采用模板辅助溶胶凝胶和煅烧的方法制备，包括以下步骤：
步骤一、配制浓度为0.1mol/L的含钙源的醇溶液；
步骤二、将细菌纤维素浸泡于步骤一获得的含钙源的醇溶液中，其中，每3mL含钙源的醇溶液对应1g细菌纤维素；摇床振荡，每24h更换一次含钙源的醇溶液，3d后取出产物，用无水醇浸泡0.5h，洗去产物表面未吸附的钙源；
步骤三、将步骤二获得的表面吸附钙源的细菌纤维素浸泡于浓度为0.1mol/L的含硅源的醇溶液，其中，每4mL含硅源的醇溶液对应1g细菌纤维素，浸泡6～24h，获得表面吸附硅源的细菌纤维素；
步骤四、将步骤三获得的表面吸附硅源的细菌纤维素浸泡于醇与水体积比为10:1-5的混合液A中2d，其中，每4mL的混合液A对应1g细菌纤维素，使硅源水解、缩聚；
步骤五、将步骤四获得的产物用去离子水清洗，冷冻干燥，煅烧2-8h移除细菌纤维素模板，从而制备得到三维生物活性玻璃纳米管，生物活性玻璃纳米管中SiO2:CaO摩尔比为3:2-10:1，管内径为15-50nm，管壁厚为3-15nm。
2.根据权利要求1所述的生物活性玻璃纳米管的制备方法，其特征在于，所述醇溶液包括甲醇或乙醇。
3.根据权利要求1所述的生物活性玻璃纳米管的制备方法，其特征在于，所述钙源包括硝酸钙、氯化钙或有机钙源。
4.根据权利要求1所述的生物活性玻璃纳米管的制备方法，其特征在于，所述硅源包括正硅酸乙酯、正硅酸甲酯或正硅酸丁酯。
5.根据权利要求1所述三维生物活性玻璃纳米管的制备方法，步骤五中，煅烧的工艺条件为：煅烧温度为300-800℃，升温速率为0.5-10℃/min，煅烧时间为2-8h。
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