CN105271160A - 一种纳米氟磷灰石生物材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米氟磷灰石生物材料的制备方法，包括：1)将氟化铵溶液与磷酸氢二铵溶液混合得透明混合液；2)将硝酸钙溶液加入所得透明混合液中，控制体系的pH值为9～12得混合液；3)将所得混合液密封陈化24～48h，将反应沉淀物分离、洗涤、干燥后得前驱体；4)将所得前驱体煅烧即得纳米粉体。该制备方法得到的是平均直径为20～50nm、长度为60～80nm的无团聚、无杂相、高纯度、粒径分布窄的氟磷灰石针状粉体；原料均采用无机盐，不必加表面活性剂，不必真空干燥或冷冻干燥，无需长时间高温过程；该方法制备的纳米粉体质量好，工艺简单稳定，生产成本低，容易实现大规模生产。

Description

一种纳米氟磷灰石生物材料的制备方法

技术领域

本发明属于无机生物材料技术领域，具体涉及一种纳米氟磷灰石生物材料的制备方法。

背景技术

氟磷灰石(FA，Ca₅(PO₄)₃F)是常见的钙氟磷酸盐矿物，其具有溶解度低、热膨胀系数小且生物活性好的特点，在临床医学中有着广泛的应用前景。氟磷灰石主要是羟基磷灰石(HA，Ca₅(PO₄)₃OH)中的羟基被F^-离子取代实现的。氟元素的引入可以显著增强磷灰石晶体的矿化速率、提高磷灰石晶体的化学稳定性，对机体硬组织自身生长、修复等方面具有重要作用，用于牙科方面时可以有效减轻牙釉质早期釉质龋时釉质的脱矿速度，此外，一定浓度的氟元素对细菌的粘附和增值有抑制作用，有效减少牙体硬组织表面生物膜的形成，防止龋齿。

氟磷灰石的合成最早是采用固相反应法和热分解法等，固相反应法是按照化学计量比混合CaF₂、Ca₃(PO₄)₂和Ca₂P₂O₇等原料，在气氛保护下加热至1000℃并长期保温得到FA相；热分解法是将预水解的苯基二氯化磷的丙酮溶液和含有硝酸钙的三氟醋酸钙丙酮等溶液混合，使其氧化和热处理后，可得到FA。固相反应法和热分解法由于要经过很高温度，可能会导致F挥发，因此F含量较难控制，而且过程较为复杂。

近些年，氟磷灰石的液相法制备得到发展。液相法种类较多，包括水热合成法、溶胶凝胶法等。M.Okazaki等人(M.Okazaki,H.Tehda,T.Yanagisawa,M.Taira,Takahashi.Heterogeneousfluoridatedapatitessynthesizedwithathree-stepfluoridesupplysystem,Biomaterials,19(1998)919-923)采用水热合成法，在80℃、pH＝7.4的条件下在HA溶液中加入含F^-溶液，使F^-离子不断取代OH^-离子，逐渐形成FA。溶胶凝胶法基本原理是将Ca²⁺、PO₄ ^3-、F^-的无水醇溶液在合适的条件下进行反应，最终形成氟磷灰石粉末或块体。由于液相法制备氟磷灰石的主要特点是反应在溶液中发生，避免了固相反应法和热分解法的直接高温过程，大大减少了F元素的挥发和损失，并使得氟磷灰石的合成过程更加容易控制。

目前，已有的液相法合成氟磷灰石的方法仍然存在着较大的不足，例如水热合成的制备条件较复杂，不容易实现产业化大规模生产，加热条件可能促使粉体生长较快，不利于保持纳米粒度，从而对材料的性能产生不利影响，加热条件也不利于降低规模化生产的成本，溶液的混合方式也有待改进以实现成分更加均匀，材料合成时的酸碱环境有待进一步确定等。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米氟磷灰石生物材料的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种纳米氟磷灰石生物材料的制备方法，包括下列步骤：

1)按照F^-与HPO₄ ^2-的摩尔比为1～3:3的比例，将氟化铵溶液与磷酸氢二铵溶液混合，得透明混合液；

2)按照Ca²⁺与F^-的摩尔比小于5:1～3，将硝酸钙溶液加入步骤1)所得透明混合液中，加入过程中控制体系的pH值为9～12，得混合液；

3)将步骤2)所得混合液密封陈化24～48h生成沉淀，将反应沉淀物分离、洗涤、干燥后，得前驱体；

4)将步骤3)所得前驱体在600～900℃温度下煅烧，即得纳米粉体。

上述制备方法中，是将硝酸钙Ca(NO₃)₂·4H₂O、磷酸氢二铵(NH₄)₂HPO₄和氟化铵NH₄F分别溶于去离子水中，制成硝酸钙溶液、磷酸氢二铵溶液和氟化铵溶液。

本发明的纳米氟磷灰石生物材料的制备方法，通过将磷酸氢二铵和氟化铵溶液充分混合，然后缓慢加入硝酸钙溶液，使得混合液中的F^-充分参与反应，在溶液中均匀的形成氟磷灰石纳米粉体；原料均采用无机盐，不添加表面活性剂，不必真空干燥或冷冻干燥，无需长时间高温过程，避免了F元素在高温流失较快，并大大节省了能源，得到的氟磷灰石纳米粉体无团聚，无杂相，高纯度，粒径均匀而且细小。该方法制备的纳米粉体质量好，工艺简单稳定，生产成本低，晶粒尺度、结构和主体成分与自然骨的磷灰石晶体接近，采用溶液合成使其带有羟基，因而具备较好的生物活性和生物相容性，因此，是一种用于骨修复和骨填充的极好的生物材料。

步骤1)中，所述氟化铵溶液中F^-的浓度为0.4～1.2mol/L；所述磷酸氢二铵溶液中HPO₄ ^2-的浓度为1.2mol/L。步骤2)中，所述硝酸钙溶液中Ca²⁺的浓度为2.0mol/L。本发明所用的无机盐溶液均为无机盐水溶液，通过控制无机盐水溶液中所需离子的浓度，混合反应过程中，使所需离子充分参与进行，有助于在溶液中均匀形成氟磷灰石纳米粉体。

步骤2)中，硝酸钙溶液的加入方式为滴加。

所述滴加的速度为1滴/秒。滴加的方式使各原料溶液混合更均匀，反应更充分，有助于形成最终氟磷灰石纳米针状粉体结构。

步骤2)中，采用加入氨水的方式控制体系的pH值。采用氨水控制体系的pH值可实现精确调节，不会引入新的杂质。

步骤3)的密封陈化是生成沉淀的过程。密封的作用是保证材料合成环境不受污染，以及保证必须的碱性环境不会有较快的变化，否则会影响最终合成材料的纯度和性能。陈化过程是沉淀法合成材料的重要过程，作用首先是保证内部合成的粉体的晶体生长发育相对成熟，避免粉体粒径有较大差异而影响到材料的性能；其次可以通过控制陈化时间等工艺参数来对粉体粒度进行调控，实现材料性能的可控制备；另外，陈化有助于促使材料充分反应，去除沉淀中包含的杂质等。

步骤3)中，所述分离的方法为过滤分离；所述洗涤是采用去离子水和无水乙醇交替进行洗涤；所述干燥是在80～120℃条件下进行干燥。洗涤所用的去离子水和无水乙醇很容易在后续干燥过程中挥发去除。所述分离、洗涤、干燥过程中保证接触环境无污染。

步骤4)中，所述煅烧的时间为1h。煅烧时间短，能耗低，成本低。

步骤4)中，所得纳米粉体为针状粉体；所述针状粉体的平均直径为20～50nm，长度为60～80nm。

本发明的纳米氟磷灰石生物材料的制备方法，以磷酸氢二铵(NH₄)₂HPO₄，氟化铵NH₄F，硝酸钙Ca(NO₃)₂·4H₂O的水溶液为原料，混合并控制体系pH值，密封陈化沉淀、过滤、洗涤、干燥后煅烧，得到平均直径为20～50nm、长度为60～80nm的无团聚、无杂相的氟磷灰石针状粉体。该制备方法的突出特点是：原料均采用无机盐，不必加表面活性剂，不必真空干燥或冷冻干燥，无需长时间高温过程，可得到无团聚、无杂相、高纯度、粒径分布窄的氟磷灰石纳米粉体；该方法制备的纳米粉体质量好，工艺简单稳定，生产成本低，容易实现大规模生产。

与现有技术相比，本发明的纳米氟磷灰石生物材料的制备方法具有如下优点：

1)本发明通过沉淀法制备纳米氟磷灰石，制备出具有针状结构的纳米氟磷灰石，液相环境有助于使氟磷灰石带有少量的羟基，进而提高氟磷灰石在生物体中的生物相容性和生物活性，以及与自然骨的反应和结合速率，克服了传统氟磷灰石过于稳定，与自然骨反应活性不足的缺点；

2)本发明通过沉淀法制备纳米氟磷灰石，避免了纳米氟磷灰石在制备过程中成分和形貌的不均匀，保证了所制备材料性能的均匀和稳定。

3)本发明主要反应在液相中发生，有利于保持液相法合成纳米氟磷灰石的纳米结构，克服高温熔融煅烧制备氟磷灰石晶体粒径过大，与自然骨磷灰石的晶体尺寸和结构差异过大的缺点。

4)本发明通过沉淀法制备纳米氟磷灰石，有利于实现氟磷灰石的可控制备，制备过程中无需加入催化剂，制备过程更加简化，减少了残余杂质对生物材料制品的污染。

综上，本发明的纳米氟磷灰石生物材料的制备方法细化了各种无机盐水溶液的配比和混合顺序，促进反应进行，实现了所得粉体材料的微细化和纳米化；所得粉体材料为纳米级的氟磷灰石针状粉体，具有良好的生物活性和生物相容性，作为生物材料使用，为后续成型块状或其他形状的超微结构奠定基础，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为实施例1所得氟磷灰石针状粉体的粉末X射线衍射图；

图2为实施例1所得氟磷灰石针状粉体的透射电镜图；

图3为实施例1所得氟磷灰石针状粉体的选区电子衍射图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例的纳米氟磷灰石生物材料的制备方法，包括下列步骤：

1)将Ca(NO₃)₂·4H₂O、(NH₄)₂HPO₄和NH₄F分别溶于去离子水中，制成Ca²⁺浓度为2.0mol/L的硝酸钙溶液、HPO₄ ^2-的浓度为1.2mol/L的磷酸氢二铵溶液和F^-的浓度为0.4mol/L的氟化铵溶液，备用；

2)按照F^-与HPO₄ ^2-的摩尔比为1:3的比例，在不停搅拌条件下，将氟化铵溶液与磷酸氢二铵溶液混合，不断搅拌至混合液透明，得透明混合液；

3)按照Ca²⁺与F^-的摩尔比小于5:1，将硝酸钙溶液以1滴/秒的速度滴加入步骤2)所得透明混合液中，加入过程中同时添加氨水，控制体系的pH值为9，并不停搅拌直至硝酸钙溶液滴加完，得混合液；

4)将步骤3)所得混合液密封陈化24h生成沉淀，将反应沉淀物分离、洗涤(采用去离子水和无水乙醇交替洗涤各2次)、120℃干燥后，得白色的前驱体；

5)将步骤4)所得前驱体在600℃温度下煅烧1h，即得纳米粉体。

所得纳米粉体即为氟磷灰石针状粉体，平均直径为20nm，长度为60nm。

对本实施例所得氟磷灰石针状粉体进行检测，结果如图1-3所示。

图1为本实施例所得氟磷灰石针状粉体的粉末X射线衍射图，其中上方图谱(Measurement)为本实施例所得氟磷灰石针状粉体的粉末X射线衍射图；下方图谱(Simulation)为氟磷灰石晶体模拟的粉末X射线衍射图。从图1中上方图谱与下方图谱的比较可以看出：所有特征峰均为氟磷灰石相，基本未出现其它杂相，说明所得氟磷灰石粉体的纯度比较高。

图2为本实施例所得氟磷灰石针状粉体的透射电镜图；从图2可以看出：粉体无团聚，粒径均匀而且细小，粉体分散性良好。

图3为本实施例所得氟磷灰石针状粉体的选区电子衍射图；从图3可以看出：衍射环清晰，表明氟磷灰石晶型完整，粉体质量好。

实施例2

本实施例的纳米氟磷灰石生物材料的制备方法，包括下列步骤：

1)将Ca(NO₃)₂·4H₂O、(NH₄)₂HPO₄和NH₄F分别溶于去离子水中，制成Ca²⁺浓度为2.0mol/L的硝酸钙溶液、HPO₄ ^2-的浓度为1.2mol/L的磷酸氢二铵溶液和F^-的浓度为0.8mol/L的氟化铵溶液，备用；

2)按照F^-与HPO₄ ^2-的摩尔比为2:3的比例，在不停搅拌条件下，将氟化铵溶液与磷酸氢二铵溶液混合，不断搅拌至混合液透明，得透明混合液；

3)按照Ca²⁺与F^-的摩尔比小于5:2，将硝酸钙溶液以1滴/秒的速度滴加入步骤2)所得透明混合液中，加入过程中同时添加氨水，控制体系的pH值为11，并不停搅拌直至硝酸钙溶液滴加完，得混合液；

4)将步骤3)所得混合液密封陈化48h生成沉淀，将反应沉淀物分离、洗涤(采用去离子水和无水乙醇交替洗涤各2次)、100℃干燥后，得白色的前驱体；

5)将步骤4)所得前驱体在700℃温度下煅烧1h，即得纳米粉体。

所得纳米粉体即为氟磷灰石针状粉体，平均直径为40nm，长度为70nm。

实施例3

本实施例的纳米氟磷灰石生物材料的制备方法，包括下列步骤：

1)将Ca(NO₃)₂·4H₂O、(NH₄)₂HPO₄和NH₄F分别溶于去离子水中，制成Ca²⁺浓度为2.0mol/L的硝酸钙溶液、HPO₄ ^2-的浓度为1.2mol/L的磷酸氢二铵溶液和F^-的浓度为1.2mol/L的氟化铵溶液，备用；

2)按照F^-与HPO₄ ^2-的摩尔比为3:3的比例，在不停搅拌条件下，将氟化铵溶液与磷酸氢二铵溶液混合，不断搅拌至混合液透明，得透明混合液；

3)按照Ca²⁺与F^-的摩尔比小于5:3，将硝酸钙溶液以1滴/秒的速度滴加入步骤2)所得透明混合液中，加入过程中同时添加氨水，控制体系的pH值为12，并不停搅拌直至硝酸钙溶液滴加完，得混合液；

4)将步骤3)所得混合液密封陈化48h生成沉淀，将反应沉淀物分离、洗涤(采用去离子水和无水乙醇交替洗涤各2次)、80℃干燥后，得白色的前驱体；

5)将步骤4)所得前驱体在900℃温度下煅烧1h，即得纳米粉体。

所得纳米粉体即为氟磷灰石针状粉体，平均直径为50nm，长度为80nm。

Claims (8)

1.一种纳米氟磷灰石生物材料的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：

1)按照F^-与HPO₄ ^2-的摩尔比为1～3:3的比例，将氟化铵溶液与磷酸氢二铵溶液混合，得透明混合液；

2)按照Ca²⁺与F^-的摩尔比小于5:1～3，将硝酸钙溶液加入步骤1)所得透明混合液中，加入过程中控制体系的pH值为9～12，得混合液；

3)将步骤2)所得混合液密封陈化24～48h生成沉淀，将反应沉淀物分离、洗涤、干燥后，得前驱体；

4)将步骤3)所得前驱体在600～900℃温度下煅烧，即得纳米粉体。

2.根据权利要求1所述的纳米氟磷灰石生物材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述氟化铵溶液中F^-的浓度为0.4～1.2mol/L；所述磷酸氢二铵溶液中HPO₄ ^2-的浓度为1.2mol/L。

3.根据权利要求1所述的纳米氟磷灰石生物材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述硝酸钙溶液中Ca²⁺的浓度为2.0mol/L。

4.根据权利要求1所述的纳米氟磷灰石生物材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中，硝酸钙溶液的加入方式为滴加。

5.根据权利要求4所述的纳米氟磷灰石生物材料的制备方法，其特征在于：所述滴加的速度为1滴/秒。

6.根据权利要求1所述的纳米氟磷灰石生物材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中，采用加入氨水的方式控制体系的pH值。

7.根据权利要求1所述的纳米氟磷灰石生物材料的制备方法，其特征在于：步骤4)中，所述煅烧的时间为1h。

8.根据权利要求1所述的纳米氟磷灰石生物材料的制备方法，其特征在于：步骤4)中，所得纳米粉体为针状粉体；所述针状粉体的平均直径为20～50nm，长度为60～80nm。