CN107161974A - 一种多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料的制备方法 - Google Patents

一种多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料的制备方法，所述的多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料的组成通式为[CaaM10‑a][(PO4)6‑b‑c(SiO4)b(CO3)c][(OH)2‑e‑fFe(CO3)f]，其中M为能掺杂替代Ca位的金属离子，0≤a＜10，0≤b≤6，0≤c＜6，0≤e＜2，0≤f＜2，且a、b、c、e、f不同时为零。本发明使用水热制备方法操作简单，产量较大，原料成本低廉，适用于规模化生产，具有工业应用前景和价值。本发明制备多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体具有优良成骨性能以及一定的抗菌性，可以广泛用于药物载体、硬组织修复材料、食品和化妆品等领域。

Description

一种多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料的制备方法
技术领域
本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种制备多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料的方法。
背景技术
硬组织植入材料是硬组织损伤修复和重建的重要生物医用材料。由于疾病、老龄化、交通事故频发等因素的影响，硬组织植入材料需求量日益增加。羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2(HA)是一种生物活性材料，是人体硬组织的主要成分，植入人体后能与人体的软硬组织形成紧密结合，诱导新骨组织在表面生成。成为目前临床应用最广泛的硬组织替代材料之一。然而单纯羟基磷灰石材料的稳定性、骨整合速率和力学强度等方面存在缺点，在一定范围内制约了HA的临床应用。
研究发现天然骨组织的无机成分HA中含有其它许多离子，如F-、CO3 2-、Sr2+、Zn2+、Al3+、Si4+、Na+等。研究显示这些微量元素在骨骼的生化作用中起着重要的作用。因此通过掺杂改性可以使人工合成的羟基磷灰石具备更优异的生物学活性。目前对已单一离子掺杂改性羟基磷灰石得到了较为广泛的研究，对如：硅掺杂羟基磷灰石更易于在体内降解吸收，促进成骨。氟掺杂羟基磷灰石可提高羟基磷灰石的结晶性和稳定性，并能抑制细菌粘附。掺锌羟基磷灰石可促进羟基磷灰石晶体的生长，晶粒增大，并能促进骨的生长及钙化。镁掺杂羟基磷灰石有利于成骨细胞增殖及促进成骨。锶掺杂羟基磷灰石，能促进成骨细胞的增殖分化，并能够增强骨愈合和促进骨再生。因此通过多元离子掺杂改性使人工合成的羟基磷灰石具备与天然硬组织相同的生物学性能包括成骨性、相容性、抑菌性等具有重要的意义。
目前已见报道的多元离子掺杂羟基磷灰石材料很少，例如：授权号为CN104058380B的中国发明专利中提供了一种表面多孔的椭球形离子掺杂型羟基磷灰石微球的制备方法，中空型HA微球可负载多种功能离子。但此方法是将离子吸附在微球表面，而不是掺杂在HA结构中，而且不能实现对掺杂离子量的控制。授权号为CN101837147B的中国发明专利中提供了掺杂微量元素的羟基磷灰石生物活性涂层的制备方法，结构式为：Ca10-xMx(PO4)6-y(SiO4)y(OH)2-y，掺杂离子为Mg，Zn，Fe和Si。但该方法掺杂离子数量较少，而且所使用的原料会使结构中引入其他杂质离子。总的来说，从现有技术可以看出，目前对多元离子掺杂羟基磷灰石材料的研究较少，主要存在的问题在于：(1)掺杂种类少；(2)掺杂含量不可控，(3)掺杂源同时会引入大量Cl-、NO3 -、Na+等杂质离子。
发明内容
针对上述所述问题，本发明的目的是提供了一种将Na、K、Mg、Al、Zn、Sr、Si、F和C等多种元素引入羟基磷灰石晶格内部，实现多元离子掺杂，其中掺入的目的离子不冲突且不会引入除了掺杂离子之外其他离子的掺杂，还能够实现对掺杂离子的种类和含量的可控性的多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料的制备方法。
本发明提供了一种多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料的制备方法，所述的多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料的组成通式为[CaaM10-a][(PO4)6-b-c(SiO4)b(CO3)c][(OH)2-e-fFe(CO3)f]，其中M为能掺杂替代Ca位的金属离子，0≤a＜10，0≤b≤6，0≤c＜6，0≤e＜2，0≤f＜2，且a、b、c、e、f不同时为零，所述的制备方法包括：
按照计量比分别称取钙源、磷源和掺杂离子源于0-250℃下反应10-76小时，分离产物、干燥得所述多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料；
其中钙源为氢氧化钙、氧化钙、磷酸二氢钙、磷酸一氢钙、磷酸钙中的至少一种；
所述磷源为磷酸、磷酸二氢钙、磷酸一氢钙、磷酸钙中的至少一种；
所述掺杂离子源不引入外源离子且根据所述组成通式选自下述组中的至少一种：氟化钙、硅酸钙、碳酸钙、掺杂金属的氢氧化物、掺杂金属的氧化物、掺杂金属的磷酸盐、掺杂金属的磷酸二氢盐、掺杂金属的磷酸一氢盐、掺杂金属的氟化物、掺杂金属的硅酸盐、掺杂金属的碳酸盐、氧化硅。
较佳地，所述掺杂离子源的通式为MX。若掺杂金属阳离子，M为所掺杂金属离子，如K+，Na+，Mg2+，Al3+，Zn2+，Sr2+等，则X为O2-，OH-，PO3 4-，HPO3 3-，H2PO3 -，中的一种或几种；当同时共掺杂阴离子F-，CO3 2-，SiO4 2-时，X也包含对应阴离子F-，CO3 2-，SiO4 2-。若掺杂阴离子，X为对应的阴离子或者对应的酸根离子，如SiO4 2-，F-，CO3 2-等，则M为Ca2+。若同时共掺杂金属离子，M可为对应的金属离子。对于掺杂Si离子，掺杂源也包含氧化物SiO2。
本发明的方法实现了控制掺杂离子的种类和含量，且反应原料(包括掺杂离子源)不会引入除了目的离子以外的外源离子，并实现了难溶性原料(例如氟化钙等)可以参与反应。而且本发明的方法按照计量比分别称取钙源、磷源和掺杂离子源，加水搅拌均匀。在一定水热温度下反应一定时间后，抽滤，烘干，即得流动性良好的均匀多元离子共掺杂纳米羟基磷灰石粉体。本发明工艺简单，原料价格低廉，生产成本低，产量大，适用于规模化生产。本发明所得到的多元离子掺杂的羟基磷灰石粉体更接近人体硬组织的成分，在硬组织植入体、骨粉等生物材料方面将具有重要的应用价值。
较佳地，所述掺杂金属M可为K、Na、Mg、Al、Zn、Sr中的至少一种。K、Na、Mg、Al、Zn、Sr、Si、F、C等微量元素在骨骼的生化作用中起着重要的作用，通过掺杂多元离子对羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2(HA)生物活性材料进行改性可以使人工合成的羟基磷灰石具备更优异的生物学活性。所述的多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料更接近人体硬组织的成分，能明显促进成骨性能兼具一定的抗菌性。
较佳地，a不为零，b和c不同时为零，e和f不同时为零。
较佳地，所述反应为在可旋转均相反应器中进行动态水热反应，其中反应器的转速为0-20转/分钟。
较佳地，所述动态水热反应的反应釜的填充比为50～90％。
较佳地，所述动态水热反应的反应温度为100～200℃，反应时间为12～36小时。
与现有技术相比本发明的优点如下：
1)本发明使用水热制备方法操作简单，产量较大，原料成本低廉，适用于规模化生产，具有工业应用前景和价值；
2)多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料的制备过程中实现了控制掺杂离子的种类和含量，且不会引入任何的表面活性剂和高浓度的外源离子，实现了难溶性原料可以参与反应；
3)本发明制备多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体不需要清洗处理就具备的生物相容性。多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料具有优良的生物相容性和成骨性能以及一定的抗菌性，可以广泛用于药物载体、硬组织修复材料、食品和化妆品等领域。
附图说明
图1为未掺杂HA和实施例1中三元离子共掺杂HA的XRD图谱；
图2为未掺杂HA和实施例2中四元离子共掺杂HA的XRD图谱；
图3为未掺杂HA和实施例3中多元离子共掺杂HA的XRD图谱；
图4为未掺杂HA((a)和(b))和实施例3中多元离子共掺杂HA((c)和(d))的扫描电镜图；
图5为未掺杂HA(a)和实施例3中多元离子共掺杂HA(b)片材表面细菌数涂板计数；
图6是在培养成骨细胞过程中加入未掺杂HA和实施例3中多元离子共掺杂HA粉体对碱性磷酸酶(ALP)基因表达量随培养时间变化图。
具体实施方式
以下通过下述实施方式说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明提供一种多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料的制备方法，即、本发明提供一种在Ca10(PO4)6(OH)2中Ca位(A位)、PO4位(B位)和OH位(C位)上通过掺杂引入掺杂离子，其中A位掺杂元素可选择能够替代Ca的金属离子，包括但不限于K、Na、Mg、Al、Zn、Sr等。B位掺杂可引入SiO4 2-和CO3 2-。C位掺杂可引入F-和CO3 2-。
本发明提供的K，Na，Mg，Al，Zn，Sr，Si，F，C等离子掺杂的多元离子共羟基磷灰石粉体材料更接近人体硬组织的成分，能明显促进成骨性能兼具一定的抗菌性。该多元离子微量掺杂仿骨成分羟基磷灰石纳米粉体材料可作为药物载体材料、硬组织修复材料、骨粉、保健品、牙膏、食品或化妆品添加物材料使用。
本发明选用的原料以不引入目的离子以外的外源离子为限，即、原料选择的基本原则是选用钙盐、磷酸一氢盐、磷酸二氢盐、磷酸盐、碳酸盐、氟化物、硅酸盐、氧化物、氢氧化物等，以及与所要掺入的目的离子不冲突且不会引入除了掺杂离子之外的其他离子的盐。例如钙源可为但不仅限于氢氧化钙、氧化钙、磷酸二氢钙、磷酸一氢钙、磷酸钙中的任意一种或几种的混合物。例如所述磷源可为但不仅限于磷酸、磷酸二氢钙、磷酸一氢钙、磷酸钙中的任意一种或几种的混合物。其中磷酸钙、磷酸一氢钙、磷酸二氢钙既可作为钙源，又可作为磷源。
若掺杂离子源的通式为M1X1。对于掺杂金属阳离子，M1为所掺杂金属离子，如K+，Na+，Mg2+，Al3+，Zn2+，Sr2+中的一种或多种等，X1为O2-，OH-，PO3 4-，HPO3 3-，H2PO3 -，F-，CO3 2-，SiO4 2-中的一种或多种；对于掺杂阴离子，X1为对应的阴离子或者对应的酸根离子，如SiO4 2-，F-，CO3 2-等，M1为Ca2+。若同时共掺杂金属离子，M1可为对应的金属离子。对于掺杂Si离子，掺杂源也包含氧化物SiO2。本发明中反应物和掺杂离子源可为难溶性原料避免了为可溶性盐(例如，硝酸盐、氯盐、铵盐、钠盐或钾盐等)造成的外源离子(例如，Na+、Cl-、NO3 -等)通过反应物引入固溶进空旷的羟基磷灰石结构中，从而对粉体造成干扰。本发明利用掺杂离子源作为反应物直接与钙源和磷源发生反应，更有利于掺杂离子进入到HA晶格中，而且本发明反应的副产物只有水，使得本发明制备多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体不需要清洗处理就具备的生物相容性。只要所选取的掺杂离子源能够使所要掺入的目的离子不冲突且不会引入除了掺杂离子之外的其他离子均可以作为本发明的掺杂离子源使用。
然后按照计量比分别称取钙源、磷源和掺杂离子源，加水并搅拌均匀，得反应液；或者分别制备钙源、磷源和掺杂离子源前驱悬浮液，然后按照计量比配比，均匀混合，得到反应液。
将上述所得反应液进行反应。所述反应优选为动态水热反应，这样可提高反应产物多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料的纯度和反应效率。所述反应可为利用水热体系，将反应液转移到聚四氟乙烯容器内，在可旋转均相反应器中进行动态水热反应，转速为0-20转/分钟，优选10～20转/分钟，反应条件为0-250℃下反应10-76h，优选在100-200℃下反应12-36h。所述动态水热反应的反应釜的填充比为50～90％。
上述反应也可利用水热体系，将反应液转移到聚四氟乙烯容器内，在烘箱里进行，反应条件为0-250℃下反应10-76h。
上述反应还可以反应条件可为：在搅拌器上，温度在0-200℃下反应10-76小时。
最后将上述反应产物进行抽滤，烘干得到粉体。利用抽滤可得到反应产物的湿粉，烘干后可得到分散性良好的多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料。
以下示例更进一步说明所述多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体的制备方法：
(1)分别制备含微量元素(掺杂离子)的钙源和磷源先驱液；
(2)在搅拌条件下，将含有微量元素的钙源前驱悬浮液倒入磷源前驱悬浮液中，搅拌1-60分钟；
(3)将反应液转移到100ml聚四氟乙烯容器内，定容至50-90ml。将混合液进行水热反应，用不锈钢容器固定在反应器中，转速为0-20转/分钟，反应条件为50-250℃下反应10-76h；
(4)反应完毕后，抽滤得到湿粉，将产物进行抽滤，烘干得到粉体。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，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作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1：三元微量Si、Sr、F共掺杂HA的制备
(1)前驱悬浮液的配置：按照下列化学式Ca10-xSrx(PO4)6-y(SiO4)y(OH)2-y-zFz(x＝0.001,y＝0.002,z＝0.01)的化学计量比准确称取Ca(H2PO4)2配成磷源前驱悬浮液，以及将Ca(OH)2配成钙源前驱悬浮液。在搅拌过程中按照比例加入所需的微量元素源CaF2、SiO2、SrO的均匀悬浮液至Ca(OH)2钙源前驱悬浮液中；
(2)在搅拌条件下，将含有微量元素的钙源前驱悬浮液缓慢用玻璃棒导流进入磷源前驱悬浮液中，搅拌10分钟；
(3)将反应液转移到100ml聚四氟乙烯容器内，定容至90ml。用不锈钢容器固定在反应器中，转速为10转/分钟，反应条件为100℃下反应20h；
(4)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干得到分散性良好的三元共掺杂HA。
图1是三元掺杂HA的XRD的图谱。从图1中可知，图中每个衍射峰都属于HA相(JCPDS No.09-0432)。没有观察到除了HA相的以外的杂相峰，说明所得产物是纯HA相，掺入三种离子以后没有引入杂相。并且峰形尖锐，说明产物结晶性良好。
实施例2：四元微量Si、Sr、F、Mg共掺杂HA的制备
(1)前驱悬浮液的配置：按照下列化学式Ca10-x-aSrxMga(PO4)6-y(SiO4)y(OH)2-y-zFz(x＝0.001,y＝0.002,z＝0.01)的化学计量比准确称取Ca(H2PO4)2配成磷源前驱悬浮液，以及将Ca(OH)2配成钙源前驱悬浮液。在搅拌过程中按照比例加入所需的微量元素源CaF2、SiO2、SrO的均匀悬浮液至Ca(OH)2钙源前驱悬浮液中，将Mg(H2PO4)2溶液加入至Ca(H2PO4)2配成磷源前驱悬浮液中；
(2)在搅拌条件下，将含有微量元素的钙源前驱悬浮液缓慢用玻璃棒导流进入磷源前驱悬浮液中，搅拌10分钟；
(3)将反应液转移到100ml聚四氟乙烯容器内，定容至90ml。用不锈钢容器固定在反应器中，转速为10转/分钟，反应条件为100℃下反应20h；
(4)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干得到分散性良好的三元共掺杂HA。
图2是四元掺杂HA的XRD的图谱。从图2中可知，图中每个衍射峰都属于HA相(JCPDS No.09-0432)。没有观察到除了HA相的以外的杂相峰，说明所得产物是纯HA相，掺入四种离子以后没有引入杂相。并且峰形尖锐，说明产物结晶性良好。
实施例3：多元离子共掺杂仿骨骼成分HA的制备
选择以式1所示化学反应，以Ca(H2PO4)2·H2O和Ca(OH)2为反应原料，采用水热法来制备纯HA粉体。为了实现对多重离子Si、Sr、F、Mg、Zn、Na、K、Al和C的掺杂，在此基础上分别引入掺杂离子源SiO2、SrO、NaF、Mg(H2PO4)2(将MgO按照1:2摩尔比溶解在H3PO4中配得溶液)、Zn(H2PO4)2·2H2O、NaH2PO4·2H2O、KH2PO4、Al(H2PO4)3·H2O和CaCO3，以式2所示。本实验方法与以往文献中使用的方法相比更具有优势。文献曾经报道的反应物和掺杂源大多数为可溶性硝酸盐、氯盐、铵盐、钠盐或钾盐等。这些反应物容易造成Na+、Cl-、NO3 -等外源离子通过反应物引入，并不可避免地固溶进空旷的羟基磷灰石结构中，从而对实验造成干扰。本方法的副产物只有水，产物羟基磷灰石结构中不会引入除了目标离子以外其他杂质离子，更有利于实现精确的微量离子掺杂。更重要的是，本方案中选用 的所有掺杂源都是可以参与反应的反应物，更有利于目标离子进入到HA晶格中。
3Ca(H2PO4)2·H2O+7Ca(OH)2+→Ca10(PO4)6(OH)2+15H2O (1)；
2.4175Ca(H2PO4)2+6.1685Ca(OH)2+CaCO3+0.29NaH2PO4+0.01KH2PO4+0.1Mg(H2PO4)2+0.002A l(H2PO4)3+0.001Zn(H2PO4)2+0.001Sr(OH)2+0.002SiO2+0.01NaF→[Ca9.586Na0.3K0.01Mg0.1Al0.002Zn0.001Sr0.001][(PO4)5.343(SiO4)0.002(CO3)0.655][(OH)1.645F0.01(CO3)0.345]+10.69H2O (2)。
具体操作如下：
(1)前驱悬浮液的配置：按照下列化学式[Ca9.586Na0.3K0.01Mg0.1Al0.002Zn0.001Sr0.001][(PO4)5.343(SiO4)0.002(CO3)0.655][(OH)1.645F0.01(CO3)0.345]的化学计量比准确称取Ca(H2PO4)2配成磷源前驱悬浮液，以及将Ca(OH)2配成钙源前驱悬浮液。在搅拌过程中按照比例加入所需微量元素源的溶液或者均匀悬浮液；
(2)在搅拌条件下，将含有微量元素的钙源前驱悬浮液缓慢用玻璃棒导流进入磷源前驱悬浮液中，搅拌10分钟；
(3)将反应液转移到100ml聚四氟乙烯容器内，定容至90ml。用不锈钢容器固定在反应器中，转速为20转/分钟，反应条件为120℃下反应24h；
(4)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干得到分散性良好的多元共掺杂HA。
在合成过程中原料的配比如表1所示，合成了9种离子共掺杂的HA。所述含量与文献中报道的人体硬组织中微量元素的含量保持在同一数量级。
表1.多元离子掺杂仿骨成分的配料表
图3是未掺杂HA和本实施例的多元离子掺杂HA的XRD图谱。从图3中可知，其中每个衍射峰都属于HA相(JCPDS No.09-0432)。没有观察到除了HA相的以外的杂相峰，说明所得产物是纯HA相，多离子掺杂HA依然保持了HA的结构，没有杂相。得到了均一稳定的粉体。掺杂后HA的结晶性有明显的减弱。
图4中(a)、(b)是未掺杂HA的SEM图谱，(c)、(d)是本实施例的多元离子掺杂HA的SEM图谱。从图4中可知，产物HA形貌具有等级结构，其中纳米颗粒有序地排列组装成微米级的片状结构。可以看到在片状颗粒的表面20-50nm宽100-200nm长的HA短棒状结构沿着长轴方向整齐排列。掺杂后依然保持了等级结构，对形貌没有明显的影响。
图5是(a)未掺杂HA和(b)本实施例的多元离子掺杂HA片材表面细菌数涂板计数。从图5中可知，掺杂后HA表面具有一定的抗菌性。7h后片材表面的抗菌率达到约80％。
图6是在培养成骨细胞过程中加入未掺杂HA和本实施例的多元离子掺杂HA粉体对碱性磷酸酶(ALP)基因表达量随培养时间变化图。图6中包括：空白组(阴性对照)；M为矿化组(阳性对照)；HA为未掺杂HA组；多元离子掺杂HA。(*p<0.05；**p<0.005；***p<0.0001)从图6中可知，多离子掺杂HA比纯HA更能促进细胞成骨蛋白碱性磷酸酶相关基因的表达。
多元掺杂改性使人工合成纳米羟基磷灰石粉体更接近人体骨的无机成分，具有优良的成骨性能和抗菌性能，是一种有前途的硬组织植入体材料。

Claims (6)

1.一种多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料的制备方法，其特征在于，所述的多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料的组成通式为[CaaM10-a][(PO4)6-b-c(SiO4)b(CO3)c][(OH)2-e-fFe(CO3)f]，其中M为能掺杂替代Ca位的金属离子，0≤a＜10，0≤b≤6，0≤c＜6，0≤e＜2，0≤f＜2，且a、b、c、e、f不同时为零，所述的制备方法包括：
按照计量比分别称取钙源、磷源和掺杂离子源于0-250℃下反应10-76小时，分离产物、干燥得所述多元离子共掺杂羟基磷灰石粉体材料；
其中所述钙源为氢氧化钙、氧化钙、磷酸二氢钙、磷酸一氢钙、磷酸钙中的至少一种；
所述磷源为磷酸、磷酸二氢钙、磷酸一氢钙、磷酸钙中的至少一种；
所述掺杂离子源不引入外源离子且根据所述组成通式选自下述组中的至少一种：氟化钙、硅酸钙、碳酸钙、掺杂金属的氢氧化物、掺杂金属的氧化物、掺杂金属的磷酸盐、掺杂金属的磷酸二氢盐、掺杂金属的磷酸一氢盐、掺杂金属的氟化物、掺杂金属的硅酸盐、掺杂金属的碳酸盐、氧化硅。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述掺杂金属M为K、Na、Mg、Al、Zn、Sr中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，a不为零，b和c不同时为零，e和f 不同时为零。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述反应为在可旋转均相反应器中进行动态水热反应，其中反应器的转速为0-20转/分钟。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述动态水热反应的反应釜的填充比为50～90%。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述动态水热反应的反应温度为100～200℃，反应时间为12～36小时。
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