CN105457090A

CN105457090A - 一种镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN105457090A
Application number: CN201410449106.XA
Authority: CN
Inventors: 沈宇辉; 张伟滨
Original assignee: Ruinjin Hospital Affiliated to Shanghai Jiaotong University School of Medicine Co Ltd
Current assignee: Ruinjin Hospital Affiliated to Shanghai Jiaotong University School of Medicine Co Ltd
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2016-04-06

Abstract

本发明公开了一种镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维及其制备方法和应用。所述的羟基磷灰石纤维中的钙元素由镁元素部分取代，钙元素与镁元素的摩尔比为(85：15)～(99：1)，单根纤维为带状有序结构，纤维宽度为3～10微米，厚度为0.1～3微米，长度为40～230微米。本发明是采用水溶性镁盐、水溶性钙盐和水溶性磷酸盐为原料，以乙酰胺为均相沉淀剂，采用无模板剂水热均相沉淀方法制备得到。应用该纤维作为力学增强剂可制得高强度生物活性骨修复陶瓷、骨水泥或生物高分子基复合骨修复材料；同时，本发明方法具有容易调控微量元素镁的掺杂含量，制备工艺环保、简单易行、成本低廉且易于工业化实施等优点。

Description

一种镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维及其制备方法和应用

技术领域

本发明是涉及一种镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维及其制备方法和应用，属于生物材料技术领域。

背景技术

羟基磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂,HAp)是人体骨骼、牙齿的主要无机成分。人工合成的HAp材料由于与骨骼、牙齿的无机成分相似，因而具有良好的生物相容性和生物活性，并在临床骨修复领域得到广泛应用。然而，传统颗粒状HAp粉体经高温烧结后制备得到的HAp生物陶瓷材料尚存在明显的缺点，如降解性和力学强度差，尤其是断裂韧性显著低于人体的天然骨组织；此外，高温烧结得到的HAp产品还缺乏诱导成骨的活性，使得这类材料在大段骨缺损修复领域、骨再生差的修复领域受到极大限制[MaterialsScienceandEngineering:R:Reports,2010,70；225]。

近年来，研究开发高力学性能的HAp生物活性骨修复材料越来越受到重视。研究表明，材料的组成和结构显著影响了材料的生物活性和力学性能，进而直接影响到材料的临床应用效果。研究表明：功能性无机微量元素的掺杂是提高HAp生物陶瓷材料的成骨活性的重要途径；此外，通过掺杂还能引起HAp晶格的畸变，进而改善HAp材料的降解速率。同复合有机类生长因子以促进生物活性和成骨性能的方法相比，无机元素掺杂具有极低的制备成本、易规模化和批量制备、且产品质量稳定等诸多优点。大量的研究发现镁(Mg)元素在改善骨修复材料的生物学性能方面起到重要的作用。Mg元素能直接影响并调控骨骼的钙化过程及形成矿化骨，它是人体中矿物质新陈代谢的主要影响因素，它直接影响甚至控制着新生骨中矿物质的晶化及形成过程[ColloidsandsurfacesB:Biomaterials,2005,42:205]。Ilich等人证实镁通过骨矿表面反应调节骨的形成和重塑[JournalofAmericanCollegeofNutrition,2000,19(6):715]。Mg元素的掺杂还有利于成骨细胞附着在HAp表面[RareMetalMaterialsandEngineering，2007，36(6):1102]。此外，Mg与Ca是同族元素，Mg能够容易掺杂并取代HAp中的钙位点，并引起HAp晶格发生畸变，从而加快其降解速率[人工晶体学报，2014，43(3)：648]。因此，开发制备含镁羟基磷灰石生物陶瓷材料在骨修复材料领域具有重要的意义和临床应用价值。

近年来，由于一维材料(如微纳米线、微纳米管和微纳米棒等)具备优良的力学性能，如超高的韧性和抗弯强度，而超长一维材料的力学性能尤其突出。因此，超长一维材料的制备及其应用引起了学术和产业界的广泛关注。目前一维结构HAp生物陶瓷粉体材料也已经引起生物材料和骨科临床医生的广泛关注，并被广泛应用于制备高强度HAp生物陶瓷，以及用于与生物高分子材料复合以制备高力学性能的复合骨修复材料。例如，在生物材料领域，研究证实了采用碳纳米管纤维可以显著增强高分子及生物陶瓷的力学性能[MaterialsScienceandEngineering:C,2012,32；1727]。因此，开发制备含镁的超长一维HAp材料有望获得既具备良好促成骨活性又具有优良力学性能的新型骨修复材料，在临床应用领域有重要的科学意义和应用价值。迄今，一维结构HAp材料主要采用水热法[JournalofCrystalGrowth,2012,361；73]、溶剂热方法[MaterialsLetters,2008,62；1642]、水热微乳液法[Materialsletters,2007；61(8～9):1683]、前躯体水热转化法[Nanoscale,2011；3(8):3052]等方法制备获得。其中，常规的水热方法只能获得短棒状HAp材料；溶剂热法和水热微乳液方法虽然能够获得较长的HAp纤维，但需要用到大量的有毒有害溶剂和表面活性剂；近期的研究报道采用前躯体水热转化法也能获得一维HAp纤维，但该方法需要多步化学反应过程，因此制备效率较低，同时获得的产物通常团聚严重[MaterialsSciencesandEngineeringC,2014；37:286]。此外,采用常规的尿素作为水热均相沉淀剂,难以获得分散性良好的HAp粉体,产物通常为纳米结构团聚材料[CrystalGrowth&Design,2009；9:177]。分散性差的团聚体材料的烧结性能差、作为力学增强剂的力学增强效果也不理想。

可见，开发一种绿色环保、工艺技术简单、成本低廉、分散均匀的镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维的工艺技术具有非常重要的意义。从而构思出本发明的目的，以克服上面所述的常规通用的水热法、溶剂热方法、水热微乳液法、前躯体水热转化法等方法的缺点。

发明内容

本发明的目的之一在于提出镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维，该羟基磷灰石纤维中的钙元素由镁元素部分取代，钙元素与镁元素的摩尔比为(85：15)～(99：1)，单根纤维为带状有序结构，纤维宽度为3～10微米，厚度为0.1～3微米，长度为40～230微米。

作为优选方案，该羟基磷灰石纤维中的钙元素与镁元素的摩尔比为(90：10)～(97.5：2.5)。

本发明的目的之二在于提供所述的镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维的制备方法。

本发明所述的制备镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维的方法，是采用无模板剂水热均相沉淀方法，以水溶性钙盐为钙源、水溶性镁盐为镁源、水溶性磷酸盐作为磷源，依次溶解于水中形成水溶液，以乙酰胺为水热沉淀剂制备获得产物；其中，乙酰胺的摩尔数为钙源与镁源总摩尔数的3～20倍；钙元素与镁元素的摩尔比为(85：15)～(99：1)。

作为优选方案，钙元素与镁元素的摩尔比为(90：10)～(97.5：2.5)。

作为优选方案，钙元素和镁元素的总摩尔数与磷元素的摩尔数之比为1.67：1。

作为优选方案，所述的水溶性钙盐为硝酸钙或氯化钙，溶液中的钙离子浓度为0.001～1mol/L；所述的水溶性镁盐为硝酸镁或氯化镁，溶液中的镁离子浓度为0.001～1mol/L；所述的水溶性磷盐为磷酸钠或磷酸铵，溶液中的磷酸根离子浓度为0.001～1mol/L。

作为优选方案，在搅拌下调控水溶液的pH值为2～4。

作为进一步优选方案，通过加入浓度为0.05～0.5mol/L的氨水和0.05～0.5mol/L的硝酸水溶液调控水溶液的pH值。

作为优选方案，所述的无模板剂水热均相沉淀反应是在120～200℃水热处理10～36小时。

作为进一步优选方案，所述的无模板剂水热均相沉淀反应是在密闭高压反应釜中进行。

作为优选方案，无模板剂水热均相沉淀反应的产物经冷却、过滤、洗涤和烘干。

本发明的目的之三在于提出所述的镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维作为生物活性骨修复陶瓷、骨水泥或生物高分子基复合骨修复材料的力学增强剂的用途。

作为优选方案，所述的镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维作为力学增强剂在生物活性骨修复陶瓷、骨水泥或生物高分子基复合骨修复材料中的加入量为3～15wt％。

作为进一步优选方案，所述的镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维作为力学增强剂在生物活性骨修复陶瓷、骨水泥或生物高分子基复合骨修复材料中的加入量为5wt％或10wt％。

羟基磷灰石纤维作为一类单晶纤维材料，具有高长径比，拥有高强度、高坚韧、高生物相容性等许多优点和功能。作为单晶纤维，其纤维内部原子结构高度有序排列，使其内部存在的缺陷很少，它的强度接近于材料原子间价键的理论强度，同时具有增强增韧的双重作用。此外，分散性良好的纤维材料能够更容易分散到其他无机和有机聚合物的基体中，可以实现材料在加工过程中纤维的均匀分布、降低复合材料体系的缺陷程度、提高复合材料表面的光洁度。由于嵌合在复合材料基体中的纤维具有高的力学强度和高韧性，使得复合材料在弯曲变形、断裂、压缩等受力过程中，纤维能够显著支撑基体并延缓裂纹的扩展；同时，基体断裂和形变过程中纤维的拔出也极大地消耗了相应的能量。因此，纤维的加入可以显著增强基体材料的力学性能。

采用本发明的纤维作为力学增强剂，能够显著提高目前临床上应用的无机磷酸盐类骨水泥材料的力学性能。研究表明，纤维的添加量为骨水泥质量的5wt％时，制备得到的增强型骨水泥的抗压强度较纯骨水泥提高了约2倍。

采用本发明的纤维作为力学增强剂，能够显著提高生物高分子复合材料的力学强度。如采用冷冻干燥技术获得纤维/胶原蛋白复合多孔支架材料体系，当纤维的添加量为10wt％时，获得的纤维增强复合支架材料的抗压强度较纯胶原蛋白支架提高了约2.5倍，电镜观察还证实镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维能够良好地分散于胶原蛋白支架中。

此外，由于采用本发明制备得到的纤维在体内植入环境下能够缓慢释放出镁离子，从而除了可以提高植入体的力学性能外，还能有效提高植入材料的成骨活性。

本发明简单方便、工艺绿色环保、成本低廉，所制备的纤维具有超长的尺寸、且分散性良好。为临床骨缺损修复领域提供既具备优良促成骨、又具备良好力学性能的新型骨修复陶瓷材料及力学增强剂。

附图说明

图1为实施例所制备的镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维的扫描电镜(SEM)照片。可见，所制得的纤维直径为0.1～100微米、厚度为0.1～3微米、最长长度超过200微米，且分散性良好。

图2为所制备的不同含量镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维的X～射线衍射图谱(XRD)，图中：a为纯HAp纤维，b为2.5mol％镁掺杂HAp纤维，c为5mol％镁掺杂HAp纤维，d为10mol％镁掺杂HAp纤维。由图2可见：与标准XRD图谱(卡片号：JCPDSNo.09–0432)比对后，可以分析得出制备得到的产物均为纯羟基磷灰石物相。

图3为所制备的不同含量镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维的傅立叶、红外变换光谱图(FTIR)，图中：a为纯HAp纤维，b为2.5mol％镁掺杂HAp纤维，c为5mol％镁掺杂HAp纤维，d为10mol％镁掺杂HAp纤维。由图3可见：与纯羟基磷灰石物质对比，表明制备得的镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维与纯羟基磷灰石的官能团吸收峰一致，FTIR结果进一步证实采用本发明的制备方法可以获得镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维。

具体实施方式

以下结合具体实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，例如是工艺手册中的条件，或按照制造厂商所建议的条件。比例和百分比基于摩尔比例(或称为原子比例)，除非特别说明。

除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。

实施例1

(1)将0.045mol的硝酸钙、0.005mol的硝酸镁、0.02994mol的磷酸二氢铵依次溶解于1L去离子水中，在搅拌下加入1mol乙酰胺，然后用0.1mol/L的硝酸水溶液将上述水溶液的pH值调到2.8，获得澄清水溶液。

(2)取步骤(1)的水溶液85mL，装入100mL聚四氟乙烯内衬的高压釜中，置于烘箱内于180℃水热12小时。

(3)待高压釜自然冷却后，打开高压釜，抽滤去溶液。用去离子水洗涤白色沉淀物3次，然后在烘箱内干燥获得10mol.％镁掺杂的镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维。

SEM(图1)观察表明：获得的单根纤维为带状有序结构，纤维宽度为3～10微米，厚度为0.1～3微米，长度为40～230微米。XRD和FTIR结果证实获得的材料物相为羟基磷灰石物相。

采用制备得到的纤维为力学增强剂，经干压成型和1100度无压烧结3小时后获得生物活性骨修复陶瓷，其断裂韧性为1.15MPam^1/2、较文献中报道的采用传统化学沉淀法获得的粉体原料经相同烧结工艺制备得到的陶瓷提高了约35～53％。

或者，采用制备得到的纤维为力学增强剂，用于增强磷酸盐类骨水泥，纤维的添加量为骨水泥质量的5wt％，制备得到的增强型骨水泥的抗压强度较纯骨水泥提高了约2倍。

或者，采用制备得到的纤维为力学增强剂，用于增强天然生物高分子～胶原蛋白。采用冷冻干燥技术获得纤维增强胶原蛋白多孔复合支架材料，纤维的添加量为10wt％时，获得的纤维增强复合支架材料的抗压强度较纯胶原蛋白支架提高了约2.5倍，电镜观察还证实了含镁羟基磷灰石纤维能够良好地分散于胶原蛋白支架中。

实施例2

(1)将0.0475mol的硝酸钙、0.0025mol的硝酸镁、0.02994mol的磷酸氢二铵依次溶解于1L去离子水中，在搅拌下加入1mol乙酰胺，然后用0.1mol/L的硝酸水溶液将上述水溶液的pH值调到3，获得澄清水溶液。

(2)取步骤(1)的水溶液85mL，装入100mL聚四氟乙烯内衬的高压釜中，置于烘箱内于160℃水热24h。

(3)待高压釜自然冷却后，打开高压釜，抽滤去溶液。用去离子水洗涤白色沉淀物3次，然后在烘箱内干燥获得5mol.％镁掺杂的镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维。

SEM观察表明：获得的纤维与图1所示的形貌和尺寸类似，单根纤维为带状有序结构，纤维宽度为3～10微米，厚度为0.1～3微米，长度为40～230微米。XRD和FTIR结果证实获得的材料物相为羟基磷灰石物相。

实施例3

(1)将0.4875mol的硝酸钙、0.0125mol的硝酸镁、0.2994mol的磷酸氢二铵依次溶解于1L去离子水中，在搅拌下加入3mol乙酰胺，然后用0.2mol/L的硝酸水溶液将上述水溶液的pH值调到2.4，获得澄清水溶液。

(2)取步骤(1)的水溶液85mL，装入100mL聚四氟乙烯内衬的高压釜中，置于烘箱内于140℃水热24h。

(3)待高压釜自然冷却后，打开高压釜，抽滤去溶液。用去离子水洗涤白色沉淀物3次，然后在烘箱内干燥获得2.5mol.％镁掺杂的镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维。

对比例1

(1)采用硝酸钙、硝酸镁、磷酸氢二铵为原料，以传统文献报道中采用的尿素为水热均相沉淀剂，按照实施例3的配比，用尿素替换乙酰胺作为均相沉淀剂，然后用0.2mol/L的硝酸水溶液将溶液的pH值调到2.4，获得澄清水溶液。

(2)取步骤(1)的水溶液85mL，装入100mL聚四氟乙烯内衬的高压釜中，置于烘箱内于140℃水热24小时。

(3)待高压釜自然冷却后，打开高压釜，抽滤去溶液。用去离子水洗涤白色沉淀物3次，然后在烘箱内干燥获得镁掺杂的镁元素部分取代的羟基磷灰石粉末。

XRD检测表明获得的产物为羟基磷灰石物相。但SEM观察表明：采用尿素作为均相水热沉淀剂获得的产物为纳米片组装的花状团聚体，极大不同于采用本发明专利描述的采用乙酰胺为水热均相沉淀剂获得的产物形貌。

进一步采用尿素作为沉淀剂制备得到的纳米片组装的花状团聚体产物与天然生物高分子——胶原蛋白复合，并用冷冻干燥技术获得复合多孔支架。力学测试结果研究表明，添加量为10wt％时，制备得到的复合支架的抗压强度仅较纯胶原蛋白支架提高了约25wt％，远低于采用本发明方法制备得到的超长纤维的力学增强效果。电镜观察还表明，尿素淀剂获得的团聚体不能均匀分散于高分子基体中，因而导致力学增强效果不是特别明显。

对比例2

采用传统文献报道的水热处理化学沉淀得到的含镁羟基磷灰石粉体，获得一维短棒状含镁羟基磷灰石。

(1)以硝酸钙、硝酸镁、磷酸氢二铵为原料，采用传统的化学沉淀法制备含镁羟基磷灰石粉体，然后将沉淀物经水热处理后获得一维短棒状产物。

(2)按照实施例3的配比，将0.4875mol的硝酸钙、0.0125mol的硝酸镁溶解于1L去离子水中，用氨水调节pH＝10.8，配制成A溶液；将0.2994mol的磷酸氢二铵溶解于1L去离子水中，用氨水调节pH＝10.8，配制成B溶液。在搅拌下，将B溶液逐滴加入A溶液中得白色沉淀物，滴加过程中用氨水保持pH在10.8左右。

(3)取步骤(2)中得到的白色沉淀物85mL，装入100mL聚四氟乙烯内衬的高压釜中，置于烘箱内于180℃水热24h。

(4)待高压釜自然冷却后，打开高压釜，抽滤去溶液。用去离子水洗涤白色沉淀物3次，然后在烘箱内干燥获得镁掺杂的镁元素部分取代的羟基磷灰石粉末。

XRD检测表明获得的产物为羟基磷灰石物相。但SEM观察表明：采用传统的水热处理化学沉淀得到的含镁羟基磷灰石粉体只能获得短棒状粉末材料；产物的直径为20～40纳米、长度为50～360纳米，极大不同于采用本发明专利描述的采用乙酰胺为水热均相沉淀剂获得的一维超长带状有序结构。

进一步采用水热处理化学沉淀得到的短棒状含镁羟基磷灰石产物与天然生物高分子——胶原蛋白复合，并用冷冻干燥技术获得复合多孔支架。力学测试结果研究表明，添加量为10wt％时，制备得到的复合支架的抗压强度仅较纯胶原蛋白支架提高了约12.5wt％，远低于采用本发明方法制备得到的超长纤维的力学增强效果。可见，采用本发明方法制备得到的镁元素部分取代的羟基磷灰石一维超长纤维具有优越的力学增强效果。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案做进一步详细说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维，其特征在于：该羟基磷灰石纤维中的钙元素由镁元素部分取代，钙元素与镁元素的摩尔比为(85：15)～(99：1)，单根纤维为带状有序结构，纤维宽度为3～10微米，厚度为0.1～3微米，长度为40～230微米。

2.一种制备权利要求1所述的镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维的方法，其特征在于：采用无模板剂水热均相沉淀方法，以水溶性钙盐为钙源、水溶性镁盐为镁源、水溶性磷酸盐作为磷源，依次溶解于水中形成水溶液，以乙酰胺为水热沉淀剂制备获得产物；其中，乙酰胺的摩尔数为钙源与镁源总摩尔数的3～20倍；钙元素与镁元素的摩尔比为(85：15)～(99：1)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：钙元素和镁元素的总摩尔数与磷元素的摩尔数之比为1.67：1。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的水溶性钙盐为硝酸钙或氯化钙，溶液中的钙离子浓度为0.001～1mol/L；所述的水溶性镁盐为硝酸镁或氯化镁，溶液中的镁离子浓度为0.001～1mol/L；所述的水溶性磷盐为磷酸钠或磷酸铵，溶液中的磷酸根离子浓度为0.001～1mol/L。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：在搅拌下调控水溶液的pH值为2～4。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：通过加入浓度为0.05～0.5mol/L的氨水和0.05～0.5mol/L的硝酸水溶液调控水溶液的pH值。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的无模板剂水热均相沉淀反应是在120～200℃水热处理10～36小时。

8.如权利要求2或7所述的方法，其特征在于：所述的无模板剂水热均相沉淀反应是在密闭高压反应釜中进行。

9.一种权利要求1所述的镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维的应用，其特征在于：以所述的羟基磷灰石纤维作为生物活性骨修复陶瓷、骨水泥或生物高分子基复合骨修复材料的力学增强剂。

10.如权利要求9所述的应用，其特征在于：所述的镁元素部分取代的羟基磷灰石纤维作为力学增强剂在生物活性骨修复陶瓷、骨水泥或生物高分子基复合骨修复材料中的加入量为3～15wt％。