CN104909345A

CN104909345A - 碳酸根掺杂的棒状羟基磷灰石粉体的制备方法

Info

Publication number: CN104909345A
Application number: CN201510328665.XA
Authority: CN
Inventors: 朱沛志; 薛才宝; 柴昕
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2015-09-16

Abstract

碳酸根掺杂的棒状羟基磷灰石粉体的制备方法，本发明涉及人体骨组织的替代材料的研究技术，将磷、碳酸根源溶液缓和钙源溶液混合后用氨水调节pH至9～11后，将混合液进行水热反应后，经过洗涤、干燥、研磨，得到碳酸根掺杂羟基磷灰石纳米短棒粉体。本发明的合成方法具有原料来源廉价，实验手段简单易实现等优点，同时合成的粉末样品的稳定性也很好。合成的得到羟基磷灰石有着均一的纳米短棒晶体结构，而且成功掺杂碳酸根的羟基磷灰石与人骨的矿物质更为相近，体外溶解速度快，在人体内也非常容易被吸收利用。

Description

碳酸根掺杂的棒状羟基磷灰石粉体的制备方法

技术领域

本发明涉及人体骨组织的替代材料的研究技术，特别是羟基磷灰石纳米短棒的制备技术领域。

背景技术

羟基磷灰石(HA，hydroxyapatite)，又叫羟磷灰石，是动物硬骨组织的主要无机成分，拥有很好的生物活性和生物相容性，在生物材料中有着非常重要的地位。人工合成的羟基磷灰石同样的在化学成分和晶体结构与人骨骼组织主要的无机矿物成分基本相同，引入人体后不会产生排斥的现象。由于人造羟基磷灰石的优良的生物相容性使得羟基磷灰石在骨修复替代材料在世界上的临床应用历史上已经被使用几十年的时间。随着几十年的微观粒子技术的发展，纳米级材料引起了人们关注，人们发现人体骨骼中的羟基磷灰石主要是纳米级针状单晶结构。由于纳米材料有着特别的效应，纳米羟基磷灰石相对于普通羟基磷灰石有更好的生物相容性和生物活性。

羟基磷灰石由于其本身非常好的生物相容性和生物活性在近几十年一直受到世界各国研究者的关注。目前羟基磷灰石的研究方向主要是羟基磷灰石的元素掺杂和羟基磷灰石形貌控制，碳酸根掺杂的羟基磷灰石相关的报道也非常多，并且很多实验也表明掺杂了碳酸根羟基磷灰石获得比纯的羟基磷灰石更好的生物活性。由于纳米级的羟基磷灰石和天然人骨晶体结构非常接近，这些纳米羟基磷灰石在人体内更容易被身体吸收利用。

具有纳米级结构的羟基磷灰石粉体，如果同时掺杂进去适量的碳酸根，获得的碳酸根掺杂的短棒羟基磷灰石粉体从理论上说可以获得更好的生物活性，更加适合用于人体骨组织的替代材料。如专利文献CN 201210298413.3 介绍了一个碳酸根掺杂羟基磷灰石纳米线粉体的制备方法，先将油酸、十八胺和乙醇搅拌均匀后得到混合溶液待用，然后向上述混合溶液中加入硝酸钙充分搅拌，再依次加入可溶性磷酸盐和可溶性磷酸盐溶液。将最终制得混合溶液倒入反应釜中，在120～220℃下水热反应12～48h，自然冷却收样。该制备技术使用了大量不易除去的有机试剂，对后面合成出来的粉末样品的生物相容性有着很大的影响，从菘红外图结果中就可以轻易的看到，样品中存在很多未除尽的有机物。

发明内容

本发明旨在发明一种体内易降解吸收，具有较好的生物活性，跟人类骨组织晶型更为相似的碳酸根掺杂的短棒羟基磷灰石的方法。

本发明包括以下步骤：

1）分别制备磷源与碳酸根源溶液和钙源溶液：将磷酸氢盐溶于去离子水中，完全搅拌溶解后，再溶入碳酸氢盐，得到磷、碳酸根源溶液；将可溶性钙盐溶于去离子水中后，再加入乙二胺四乙酸和十六烷基三甲基溴化铵，制得钙源溶液。

2）合成碳酸根掺杂的短棒羟基磷灰石粉体：将磷、碳酸根源溶液缓和钙源溶液混合后用氨水调节混合液pH至9～11，然后将混合液进行水热反应后，经过洗涤、干燥、研磨，得到碳酸根掺杂羟基磷灰石纳米短棒粉体。

本发明是以表面活性剂——十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和乙二胺四乙酸（EDTA）为纳米棒合成的软模板，合成了含有不同含量碳酸根的羟基磷灰石纳米棒。本发明的合成方法具有原料来源廉价，实验手段简单易实现等优点，同时合成的粉末样品的稳定性也很好。

合成的得到羟基磷灰石有着均一的纳米短棒晶体结构，而且成功掺杂碳酸根的羟基磷灰石与人骨的矿物质更为相近，体外溶解速度快，在人体内也非常容易被吸收利用。合成得到羟基磷灰石粉末可以制作成骨水泥，从而应用于生物医疗领域。

另外，以上表面活性剂与可溶性钙盐的混合质量比为1:4～8。在该用量比条件下，不仅可以合成较好的羟基磷灰石纳米棒，同时也方便后期的表面活性的润洗除尽。

所述步骤1）中，所述磷酸氢盐优先选用磷酸氢二铵。用磷酸氢二铵作为磷源，首先就是磷酸氢二铵这个试剂来源很广泛，同时原料便宜，有助于降低合成产物的成。同时磷酸氢二铵溶于水后呈pH=7-8的弱碱性，这样就减少了后面用来调节pH氨水的用量，从而达到节能减排的目的。

本发明所述步骤2）中，磷、碳源的总摩尔量与钙源的摩尔量的混合比1：1～2。不同的用量比，不仅可以影响到羟基磷灰石的晶型结构，同时也直接影响着合成样品中碳酸根的含量。这两个方面都和羟基磷灰石的生物活性有着直接的联系。采用1:1～2的用量范围，和标准的羟基磷灰石1：1.67的钙磷比接近，有利于六方形羟基磷灰石晶体的生成和碳酸根的掺杂。

本发明所述步骤2）中，水热反应的温度条件为140℃～220℃，水热反应时间为12h～36h。在水热反应过程中，水热的时间和温度都对水热产物的晶型有着很大的影响。当钙源磷源在140℃～220℃温度下，水热反应12h～36h后，可以最大程度地转化为羟磷灰石产物，并且在上述温度和时间条件下可以得到结晶度较为适中的棒状羟基磷灰石晶体。

本发明所用的表面活性剂对所得样品后期的细胞实验有着很大的影响，为了必须彻底除去表面活性剂，本发明所述步骤2）中，洗涤是采用去离子水和无水乙醇反复水洗3次，并抽滤。

本发明所述步骤2）中，所述干燥的温度条件为80℃～100℃，可以得到完全干燥的样品，以利于后期研磨成粉。

附图说明

图1为各样品产品的FTIR红外光谱图。

图2为各样品的XRD衍射图。

图3为各样品的XPS光谱图。

图4、图5、图6、图7、图8分别为样品pure HA和CHA1、CHA2、CHA3、CHA4的透射电镜图。

图9样品pure HA、CHA1、CHA2、CHA3的拉曼光谱图。

图10为各样品的细胞毒性图。

具体实施方式

为了能够让本发明的实验的方法更加明确，发明目的和特色更突出，可以结合下面具体的实施案例进一步加以阐述。以下的具体实施案例都是在本发明下进行。本发明的保护范围不限于以下实施案例。

实施案例1：

将7.88g的四水硝酸钙完全溶解于30ml去离子水中，形成硝酸钙溶液。再向硝酸钙溶液中加入1.00g十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、5.70g乙二胺四乙酸（EDTA），充分搅拌均匀，形成钙源溶液。

将2.64g的磷酸氢二铵作为磷源溶于20ml去离子水中，再将0.28g碳酸氢铵溶解于其中，形成磷、碳酸根源溶液。

将磷、碳酸根源溶液全量滴加到钙源溶液中，并用氨水调剂pH至10，采用电动搅拌器，以500r/min的转速搅拌10min后，得到乳白色的混合液，并将其倾倒至高压反应釜中。

将装有乳白色的混合液的反应釜放在烘箱中，在180℃条件下水热反应24h。

水热反应结束后，冷却至室温后，将样品以去离子水和无水乙醇反复水洗3次，并抽滤后，在80℃条件下烘干6h，经用玛瑙研磨充分研磨，得到白色粉末样品，标记为CHA1。

实施案例2：

将3.70g的无水氯化钙溶解于30ml去离子水中，向该溶液中继续添加1.00g CTAB和5.70g EDTA，用高速搅拌桨充分搅拌均匀，得到粘稠透明的钙源溶液。

将2.64g的磷酸氢二铵溶于20ml去离子水中，然后再混入加入0.52g碳酸氢钠，得到磷、碳酸根源溶液。

在500r/min转速的搅拌条件下，将磷、碳酸根源溶液全量滴加入钙源溶液中，用氨水调节pH在9.5左右，完成滴加之后，继续维持500r/min的转速10min，得到均匀的乳白色的混合液。

将乳白色的混合液加入到反应釜中，经220℃水热反应12小时。

反应结束后，将样品以去离子水和无水乙醇反复水洗3次，并抽滤后，在90℃条件下烘干5h，再用玛瑙研磨充分研磨之后，即可取得碳酸根羟基磷灰石纳米棒粉末，标记为CHA2。

实施案例3：

将7.88g硝酸钙溶解30ml去离子水后，继续加入5.73g的EDTA和1.12g的CTAB，用高速搅拌桨进行快速搅拌直至溶液变为透明粘稠状的液体，即得钙源溶液。

将2.62g磷酸氢二钠完全溶解在20ml的去离子水中作为磷源，再将0.83g的碳酸氢钠溶于磷源溶液中，取得磷、碳酸根源溶液。

将磷、碳酸根源溶液匀速地加到粘稠的钙源溶液中，同时用氨水准确调整pH至11，所得到的混合物倒入具有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中。

将高压反应釜放置于140℃烘箱中进行水热反应36h。

待水热反应结束后，所得沉淀样品以去离子水和无水乙醇反复水洗3次，并抽滤后，在100℃条件下烘干6h，再用玛瑙研磨充分研磨，收集白色碳酸根掺杂的粉末羟基磷灰石，标记为CHA3。

实施案例4：

其他的条件都和实例1相同，只是改变碳酸氢铵的质量为1.11g，从而得到不同碳酸根掺杂量的羟基磷灰石粉末，标记为CHA4。

对照案例：

在相同的反应条件下，通过水热反应合成对照组样品，在这个对照组实验中，所掺杂的碳酸根的量为0，并标记为pure HA。

二、制备的产品性能测试结果：

1、将合成的样品CHA1、CHA2、CHA3、CHA4和pure HA分别进行红外光谱扫描，取得如图1所示的红外谱图结果。

图1中出现了磷酸根的峰（473cm^-1，560cm^-1，601cm^-1，960cm^-1，1023cm^-1，1095cm^-1），和羟基振动峰（634cm^-1和3566cm^-1），其中560cm^-1和601cm^-1为P-O基团的弯曲振动峰，634cm^-1为O-H的摆动振动峰，据此可进一步证实所得样品为羟基磷灰石晶体。图中可见1400～1500cm^-1之间C-O反对称伸缩振动吸收带出现了分裂，不同于碳酸盐或者自由基CO₃ ^2-的单峰，该分裂缝表明CO₃ ^2-已经进入到了HA晶格内部。据文献可知，在羟基磷灰石中CO₃ ^2-存在两类替换，即A型：CO₃ ^2-替代OH-；B型：CO₃ ^2-替代PO₄ ^3-。这两种替换在红外光谱图上表现不同，替代类型不同CO₃ ^2-所处的谱带位置亦不同：A型替换CO₃ ^2-所处的谱带位置为884 cm^-1，1 465cm^-1，1 534 cm^-1，B型替换CO₃ ^2-所处的谱带位置为864 cm^-1，1 430cm^-1，1 455 cm^-1。图1中CHA1、CHA2、CHA3和CHA4谱图中880cm^-1，1407cm^-1和1456cm^-1为均有不同程度CO₃ ^2-的吸收谱带出现，证明使用该实验方法可制备出掺杂CO₃ ^2-的羟基磷灰石，且CO₃ ^2-的两种替代均存在，其中A型：880cm^-1，1547cm^-1，B型1456cm^-1，1415cm^-1。据图1可知，相较于HA，CHA样品有明显CO₃ ^2-振动峰。且1400~1500cm^-1间的CO₃ ^2-分裂峰强度依序增强，634cm-1处吸收谱带则逐渐减弱至消失，与掺杂量增加相符合。

2、将合成的样品CHA1、CHA2、CHA3、CHA4和pure HA分别被进行XRD扫描来表征和成样品的晶型结构，取得如图2所示的XRD表征结果。

从图2中可以看出，由于碳酸根含量不同，产物粉体的晶形度发生了变化，碳酸根取代导致羟基磷灰石的结晶度下降，反应浓度影响CHA的晶格畸变程度。碳酸根进入到磷灰石的结构中而使结构发生畸变，衍射线的峰位会发生偏移，但并没有引起结构的破坏，从而不能通过XRD图谱来区分CHA与HA。从CHA4到纯HA相，随着碳酸根含量减少，峰强增加，峰形尖锐。根据XRD测试原理，主峰的角宽度反比于参加衍射的晶体尺寸，晶体尺寸越小，衍射线宽化程度越高，这意味着随着碳酸根含量升高，结晶度降低，晶体尺寸减小。其原因是碳酸根的替代引起了晶格畸变，这种畸变阻碍了HA的进一步结晶，使其结晶程度变差，结晶度降低。添加表面活性剂后这种变化趋势仍存在。

3、用XPS光电子能谱仪对样品CHA1、CHA2、CHA3、CHA4和pure HA分别进行精确的元素分析，得到图3所示。

从图3的XPS光谱可知：合成出来的羟基磷灰石的Ca/P比在1.30左右，这时候的羟基磷灰石处于钙缺状态。同时通过分析XPS光谱，可知样品中的C元素的质量分数分别为1.54 wt.%, 2.26 wt.%, 3.84 wt.%, 5.22 wt.%。

4、样品pure HA和CHA1、CHA2、CHA3、CHA4分别用透射电镜进行晶体结构和形貌分析，得到电镜图4至8。

从透射电镜图的结果可以和XRD的结论很好的印证。合成的羟基磷灰石有着非常好的晶型结构，长度为60～90 nm，宽度为10～30 nm。但是随着碳酸根掺杂量的增加，获得的CHA的晶型受到很大影响，并且CHA的长径比也在逐渐变小。

5、合成的样品CHA1、CHA2、CHA3的官能团结构的更深入的研究是通过拉曼光谱仪来实现的，结果收集在图9。

图9的拉曼谱图是合成产物的官能团结构的进一步表征。本发明合成的不同碳酸根掺杂量的棒状羟基磷灰石粉末在用FTIR进行官能团鉴定表征之后，在Raman光谱仪的检测下进行进一步的官能团结构的表征。拉曼光谱在研究物质内部结构变化时候非常敏感，所以红外和拉曼两个表征手段可以弥补各自检测的薄弱点。纯羟基磷灰石检测图谱中在400cm^-1～1600cm^-1之间存在4个明显的拉曼位移特征峰，分别是432cm^-1，589cm^-1，969cm^-1和1070cm^-1，这4个拉曼峰分别属于磷酸根的不同形式的振动峰。随着不同的量的碳酸根进入羟基磷灰石的晶格后，从图中可以看出1040cm^-1处的碳酸根的振动峰的强度越来越强，逐渐的盖掉了磷酸根在1070cm^-1处的振动峰。

6、通过细胞毒性，对合成的各样品进行生物相容性和生物活性进行研究，各样品的细胞毒性结果如图10所示，其中，Control代表空白对照组实验；HA代表未掺杂碳酸根羟基磷灰石（pure HA）。

从细胞毒性实验的结果可以看出，合成碳酸根掺杂的羟基磷灰石粉末相比较于纯的羟基磷灰石要有着更好的生物活性和生物相容性。但是碳酸根的掺杂量的多少同时也对样品的生物相容性有很大影响。

Claims

1.碳酸根掺杂羟基磷灰石纳米短棒粉体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）分别制备磷源与碳酸根源溶液和钙源溶液：将磷酸氢盐溶于去离子水中，完全搅拌溶解后，再溶入碳酸氢盐，得到磷、碳酸根源溶液；将可溶性钙盐溶于去离子水中后，再加入乙二胺四乙酸和十六烷基三甲基溴化铵，制得钙源溶液；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤1）中，所述磷酸氢盐为磷酸氢二铵。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤1）中，所述可溶性钙盐为硝酸钙或氯化钙。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤1）中，乙二胺四乙酸和十六烷基三甲基溴化铵的总量与可溶性钙盐的混合比为1:4～8。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤2）中，磷、碳源的总摩尔量与钙源的摩尔量的混合比1：1～2。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤2）中，水热反应的温度条件为140℃～220℃，水热反应时间为12h～36h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤2）中，洗涤是采用去离子水和无水乙醇反复水洗3次，并抽滤。

8.根据权利要求1或7所述的制备方法，其特征在于所述步骤2）中，所述干燥的温度条件为80℃～100℃。