CN108653803B - 一种纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制备方法及其所得材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制备方法及其产品：先采用离子置换的方法制得掺杂锌的纳米羟基磷灰石，然后采用沉积工艺在其表面依次沉积纳米氧化锌和纳米银即得到纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石。本发明在羟基磷灰石表面沉积纳米氧化锌、纳米银的同时实现了锌的掺杂。锌的掺杂能够提高羟基磷灰石的生物活性和抗菌性能，还能够促进纳米氧化锌在羟基磷灰石表面的沉积，加强纳米氧化锌、纳米银的高效抗菌效果，并在此基础上实现长效抗菌。同时，掺杂的锌和沉积的纳米氧化锌能促进骨细胞在纳米羟基磷灰石上的增殖，加快骨折的恢复。

Description

一种纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制 备方法及其所得材料
技术领域
本发明涉及一种纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制备方法及其所得材料，属于生物医用材料制备领域。
背景技术
羟基磷灰石是脊椎动物的骨骼和牙齿的主要无机组成成分，约占骨总质量的65％。人工合成的纳米羟基磷灰石与人自然骨中的磷灰石晶体在结构和组成上非常接近，在生理环境下能保持稳定的热力学性能，并且具有良好的生物相容性、生物活性和骨传导性，被广泛应用于药物载体、整形、骨修复材料和牙科材料等。但是在临床使用中细菌感染是制约纳米羟基磷灰石广泛应用的主要因素，因此通过改性使纳米羟基磷灰石具有抗菌性能，可以使其得到更广泛的应用。
为了改善纳米羟基磷灰石的抗菌能力，可以在羟基磷灰石基体上掺杂不同的具有抗菌性能的离子。Mayer等(Mayer I,Featherstone J D B.Dissolution studies of Zn-containing carbonated hydroxyapatites.Journal of Crystal Growth,2000,219(1-2):98-101)通过离子交换的方法制备了锌掺杂的羟基磷灰石。含银、锌离子的羟基磷灰石无机抗菌剂及其制造方法(国别：中国，公开号：1711847，公开日期：2005-12-28)，公开了采用离子交换的方法制备了含银、锌离子的羟基磷灰石无机抗菌剂。Storrie等(Storrie H,Stupp S I.Cellular response to zinc-containing organoapatite:An in vitrostudy of proliferation,alkaline phosphatase activity andbiomineralization.Biomaterials,2005,26(27):5492-5499)通过离子置换的方法制成了锌掺杂羟基磷灰石涂层的钛合金材料。
在纳米羟基磷灰石表面沉积具有抗菌性能的纳米材料也可以提高其抗菌性能。刘文英等(刘文英,杨立斗,金建烽,张文云,李明秋,陈庆华.纳米ZnO改性HAP晶须的工艺研究.临床口腔医学杂志,2013,(05):274-277.)采用溶胶-凝胶法制备了羟基磷灰石-氧化锌纳米复合材料。一种含纳米氧化锌的胶原-羟基磷灰石支架的制备方法(国别：中国，公开号：106552292，公开日期：2017.04.05)公开了采用液相还原反应制得纳米氧化锌，将其与胶原-羟基磷灰石溶液混合均匀后冻干交联制备得到含纳米氧化锌的胶原-羟基磷灰石支架。一种银、氧化锌双相沉积羟基磷灰石纳米材料及其制备方法(国别：中国，公开号106430134A，公开日期：2017.02.22)公开了使用液体化学还原法制备同时沉积银和氧化锌的羟基磷灰石纳米材料及其制备方法。周健等(周健.钛复合纳米氧化锌多孔抗菌涂层的制备及在经皮种植中的初步研究[D].第四军医大学,2016.)对制备的纳米氧化锌多孔抗菌涂层进行经皮种植，发现成骨细胞能够在涂层表面良好黏附和铺展，表现出较强的增殖能力和ALP活性。张文云等(张文云,喻健.羟基磷灰石晶须纳米氧化锌新型复合骨修复材料抗菌机理的微观研究[C].中华口腔医学会口腔材料专业委员会第九次全国口腔材料学术交流会论文集,2014,117)利用直接沉淀法制备了羟基磷灰石-氧化锌纳米复合材料，抗菌性能研究结果表明复合材料具有良好的抗菌性能。
掺杂抗菌离子和沉积抗菌纳米材料两种方法都有不足之处。由于纳米银、纳米氧化锌的比表面积很大，较低的沉积量就会出现很强的抗菌效果，但是其释放速度过快，长期抗菌效果不明显，不利于纳米羟基磷灰石的长期应用。纳米羟基磷灰石掺杂锌离子等具有抗菌效果的离子有长期的抗菌效果，但是掺杂量较低时抗菌效果不明显，掺杂量较高时会降低纳米羟基磷灰石的纯度，使少量羟基磷灰石转化为磷酸三钙。
发明内容
发明目的：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种能够同时具备长期高效抗菌性能的纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石生物材料的制备方法，以及通过该制备方法制得的产品。
技术方案：为了实现上述目的，本发明公开了一种纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，锌离子掺杂：将含有硝酸锌的磷酸溶液逐滴加入到氢氧化钙悬浮液中进行反应，反应后通过离心、球磨、陈化、洗涤、烘干、煅烧，制得锌掺杂纳米羟基磷灰石；
步骤二，纳米氧化锌沉积：将步骤一的产物加入到硝酸锌溶液中，滴加氨水产生沉淀，然后搅拌加热进行反应，反应完全后经离心、洗涤、烘干，即得到锌掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石；
步骤三，纳米银沉积：将氨水滴加到硝酸银溶液中使硝酸银溶液从浑浊到澄清形成银氨溶液，将步骤二的产物加水形成悬浊液，将银氨溶液和分散剂依次加入到该悬浊液中，最后加入还原剂进行反应，反应完全后经烘干，煅烧，即制得所述纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石。
步骤一中，硝酸锌中的Zn原子与氢氧化钙中的Ca原子两者之和与磷酸中的P原子的摩尔比为1.67：1；硝酸锌中的Zn原子质量占硝酸锌中的Zn原子质量与氢氧化钙中的Ca原子质量两者之和的0.5％～1.0％。
步骤一中，煅烧温度为450℃～750℃。
步骤二中，硝酸锌溶液中的硝酸锌与锌掺杂纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:15～1:5。
步骤二中，所述搅拌加热进行反应，其中加热温度为45-55℃，反应时间为35-45分钟。
步骤二中，硝酸锌中的锌与步骤三中硝酸银中的银的摩尔比为1:1～8:1。
步骤三中，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮或可溶性淀粉，分散剂与锌掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:9～1:11。
步骤三中，所述还原剂为葡萄糖，还原剂与硝酸银溶液中的硝酸银的摩尔比为1:1～1:3。
上述制备方法所制得的纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石材料，其平均粒径为60～80nm，沉积的纳米氧化锌平均粒径为18～37nm，沉积的纳米银的平均粒径为4nm～9nm。
技术效果：与现有技术相比，本发明的优点是：在羟基磷灰石表面沉积纳米氧化锌、纳米银的同时实现了锌的掺杂。锌的掺杂能够提高羟基磷灰石的生物活性和抗菌性能，还能够促进纳米氧化锌在羟基磷灰石表面的沉积，加强纳米氧化锌、纳米银的高效抗菌效果，并在此基础上实现长效抗菌。同时，掺杂的锌和沉积的纳米氧化锌能促进骨细胞在纳米羟基磷灰石上的增殖，加快骨折的恢复。
附图说明：
图1是实施例1制得的产品纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的透射电子显微镜图片，其显示为局部氧化锌形貌；
图2是实施例1制得的产品纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的透射电子显微镜图片，其显示为复合材料整体形貌。
具体实施方式
下面结合具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
一种纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：锌离子掺杂：在快速搅拌条件下，将含有硝酸锌的磷酸溶液逐滴加入到氢氧化钙悬浮液中进行反应，反应6小时后通过离心、球磨、陈化、洗涤、80℃烘干12小时、750℃煅烧2小时，制得锌掺杂纳米羟基磷灰石。
其中，硝酸锌中的Zn原子、氢氧化钙中的Ca原子两者之和与磷酸中的P原子的摩尔比为1.67∶1。硝酸锌中的Zn原子质量占硝酸锌中的Zn原子质量、氢氧化钙中的Ca原子质量和的0.5％。
步骤二：纳米氧化锌沉积：将步骤一的产物加入到硝酸锌溶液中，滴加适量氨水产生沉淀。将混合溶液搅拌加热至50℃进行反应，反应40分钟后经离心、洗涤、80℃烘干12小时，即得到锌掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石。
其中，硝酸锌溶液中的硝酸锌与锌掺杂纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:10。
步骤三：纳米银沉积：将氨水滴加到硝酸银溶液中使硝酸银溶液从浑浊到澄清形成银氨溶液，将步骤二的产物加水形成悬浊液，将银氨溶液和聚乙烯吡咯烷酮依次加入到悬浊液，最后加入葡萄糖进行反应，反应完全后经80℃烘干12小时，300℃煅烧2小时，制得纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石。
其中，聚乙烯吡咯烷酮与锌掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:10，葡萄糖与硝酸银溶液中的硝酸银的摩尔比为1:2。
其中，步骤二中硝酸锌中的锌与步骤三中硝酸银中的银的摩尔比为1:1。
对本实施例制得的产品纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石进行检测，附图1为透射电子显微镜观察到的局部氧化锌形貌。附图2为透射电子显微镜观察到的复合材料整体形貌。表1为纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石与无掺杂的纳米银、纳米氧化锌双相沉积纳米羟基磷灰石(按照上述方法，步骤一中不加入硝酸锌，其他处理方法均相同制得)的能谱元素分析结果，表明锌的掺杂显著提高了纳米氧化锌的沉积量。纳米羟基磷灰石的平均粒径为68nm，纳米氧化锌的平均粒径为25nm，纳米银的平均粒径为5nm。
表1
Figure BDA0001639982340000041
实施例2
一种纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：锌离子掺杂：在快速搅拌条件下，将含有硝酸锌的磷酸溶液逐滴加入到氢氧化钙悬浮液中进行反应，反应6小时后通过离心、球磨、陈化、洗涤、80℃烘干12小时、450℃煅烧2小时，制得锌掺杂纳米羟基磷灰石。
其中，硝酸锌中的Zn原子、氢氧化钙中的Ca原子两者之和与磷酸中的P原子的摩尔比为1.67∶1。硝酸锌中的Zn原子质量占硝酸锌中的Zn原子质量、氢氧化钙中的Ca原子质量和的1％。
步骤二：纳米氧化锌沉积：将步骤一的产物加入到硝酸锌溶液中，滴加适量氨水产生沉淀。将混合溶液搅拌加热至50℃进行反应，反应40分钟后经离心、洗涤、80℃烘干12小时，即得到锌掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石。
其中，硝酸锌溶液中的硝酸锌与锌掺杂纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:15。
步骤三：纳米银沉积：将氨水滴加到硝酸银溶液中使硝酸银溶液从浑浊到澄清形成银氨溶液，将步骤二的产物加水形成悬浊液，将银氨溶液和聚乙烯吡咯烷酮依次加入到悬浊液，最后加入葡萄糖进行反应，反应完全后经80℃烘干12小时，300℃煅烧2小时，制得纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石。
其中，聚乙烯吡咯烷酮与锌掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:10，葡萄糖与硝酸银溶液中的硝酸银的摩尔比为1:2。
其中，步骤二中硝酸锌中的锌与步骤三中硝酸银中的银的摩尔比为3:1。
对本实施例制得的产品纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石进行检测，纳米羟基磷灰石的平均粒径为60nm，纳米氧化锌的平均粒径为20nm，纳米银的平均粒径为6nm。
实施例3
一种纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：锌离子掺杂：在快速搅拌条件下，将含有硝酸锌的磷酸溶液逐滴加入到氢氧化钙悬浮液中进行反应，反应6小时后通过离心、球磨、陈化、洗涤、80℃烘干12小时、600℃煅烧2小时，制得锌掺杂纳米羟基磷灰石。
其中，硝酸锌中的Zn原子、氢氧化钙中的Ca原子两者之和与磷酸中的P原子的摩尔比为1.67∶1。硝酸锌中的Zn原子质量占硝酸锌中的Zn原子质量、氢氧化钙中的Ca原子质量和的0.5％。
步骤二：纳米氧化锌沉积：将步骤一的产物加入到硝酸锌溶液中，滴加适量氨水产生沉淀。将混合溶液搅拌加热至50℃进行反应，反应40分钟后经离心、洗涤、80℃烘干12小时，即得到锌掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石。
其中，硝酸锌溶液中的硝酸锌与锌掺杂纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:12。
步骤三：纳米银沉积：将氨水滴加到硝酸银溶液中使硝酸银溶液从浑浊到澄清形成银氨溶液，将步骤二的产物加水形成悬浊液，将银氨溶液和聚乙烯吡咯烷酮依次加入到悬浊液，最后加入葡萄糖进行反应，反应完全后经80℃烘干12小时，300℃煅烧2小时，制得纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石。
其中，聚乙烯吡咯烷酮与锌掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:10，葡萄糖与硝酸银溶液中的硝酸银的摩尔比为1:2。
其中，步骤二中硝酸锌中的锌与步骤三中硝酸银中的银的摩尔比为6:1。
对本实施例制得的产品纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石进行检测，纳米羟基磷灰石的平均粒径为72nm，纳米氧化锌的平均粒径为29nm，纳米银的平均粒径为5nm。
实施例4
一种纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：锌离子掺杂：在快速搅拌条件下，将含有硝酸锌的磷酸溶液逐滴加入到氢氧化钙悬浮液中进行反应，反应6小时后通过离心、球磨、陈化、洗涤、80℃烘干12小时、700℃煅烧2小时，制得锌掺杂纳米羟基磷灰石。
其中，硝酸锌中的Zn原子、氢氧化钙中的Ca原子两者之和与磷酸中的P原子的摩尔比为1.67∶1。硝酸锌中的Zn原子质量占硝酸锌中的Zn原子质量、氢氧化钙中的Ca原子质量和的0.8％。
步骤二：纳米氧化锌沉积：将步骤一的产物加入到硝酸锌溶液中，滴加适量氨水产生沉淀。将混合溶液搅拌加热至50℃进行反应，反应40分钟后经离心、洗涤、80℃烘干12小时，即得到锌掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石。
其中，硝酸锌溶液中的硝酸锌与锌掺杂纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:5。
步骤三：纳米银沉积：将氨水滴加到硝酸银溶液中使硝酸银溶液从浑浊到澄清形成银氨溶液，将步骤二的产物加水形成悬浊液，将银氨溶液和可溶性淀粉依次加入到悬浊液，最后加入葡萄糖进行反应，反应完全后经80℃烘干12小时，300℃煅烧2小时，制得纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石。
其中，可溶性淀粉与锌掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:10，葡萄糖与硝酸银溶液中的硝酸银的摩尔比为1:2。
其中，步骤二中硝酸锌中的锌与步骤三中硝酸银中的银的摩尔比为3:1。
对本实施例制得的产品纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石进行检测，纳米羟基磷灰石的平均粒径为80nm，纳米氧化锌的平均粒径为23nm，纳米银的平均粒径为6nm。
实施例5
一种纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：锌离子掺杂：在快速搅拌条件下，将含有硝酸锌的磷酸溶液逐滴加入到氢氧化钙悬浮液中进行反应，反应6小时后通过离心、球磨、陈化、洗涤、80℃烘干12小时、450℃煅烧2小时，制得锌掺杂纳米羟基磷灰石。
其中，硝酸锌中的Zn原子、氢氧化钙中的Ca原子两者之和与磷酸中的P原子的摩尔比为1.67∶1。硝酸锌中的Zn原子质量占硝酸锌中的Zn原子质量、氢氧化钙中的Ca原子质量和的0.5％。
步骤二：纳米氧化锌沉积：将步骤一的产物加入到硝酸锌溶液中，滴加适量氨水产生沉淀。将混合溶液搅拌加热至50℃进行反应，反应40分钟后经离心、洗涤、80℃烘干12小时，即得到锌掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石。
其中，硝酸锌溶液中的硝酸锌与锌掺杂纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:6。
步骤三：纳米银沉积：将氨水滴加到硝酸银溶液中使硝酸银溶液从浑浊到澄清形成银氨溶液，将步骤二的产物加水形成悬浊液，将银氨溶液和可溶性淀粉依次加入到悬浊液，最后加入葡萄糖进行反应，反应完全后经80℃烘干12小时，300℃煅烧2小时，制得纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石。
其中，可溶性淀粉与锌掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:10，葡萄糖与硝酸银溶液中的硝酸银的摩尔比为1:2。
其中，步骤二中硝酸锌中的锌与步骤三中硝酸银中的银的摩尔比为8:1。
对本实施例制得的产品纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石进行检测，纳米羟基磷灰石的平均粒径为75nm，纳米氧化锌的平均粒径为27nm，纳米银的平均粒径为6nm。
此外，相关实验研究证实，本发明所制备的纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石具有良好的抗菌性能，而且能够促进成骨细胞的增殖，加快骨折的恢复。

Claims (9)

1.一种纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，锌离子掺杂：将含有硝酸锌的磷酸溶液逐滴加入到氢氧化钙悬浮液中进行反应，反应后通过离心、球磨、陈化、洗涤、烘干、煅烧，制得锌掺杂纳米羟基磷灰石；步骤一中，硝酸锌中的Zn原子与氢氧化钙中的Ca原子两者之和与磷酸中的P原子的摩尔比为1.67：1；硝酸锌中的Zn原子质量占硝酸锌中的Zn原子质量与氢氧化钙中的Ca原子质量两者之和的0.5%～1.0%；
步骤二，纳米氧化锌沉积：将步骤一的产物加入到硝酸锌溶液中，滴加氨水产生沉淀，然后搅拌加热进行反应，反应完全后经离心、洗涤、烘干，即得到锌掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石；
步骤三，纳米银沉积：将氨水滴加到硝酸银溶液中使硝酸银溶液从浑浊到澄清形成银氨溶液，将步骤二的产物加水形成悬浊液，将银氨溶液和分散剂依次加入到该悬浊液中，最后加入还原剂进行反应，反应完全后经烘干，煅烧，即制得所述纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石。
2.根据权利要求1所述的纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于：步骤一中，煅烧温度为450℃～750℃。
3.根据权利要求1所述的纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于：步骤二中，硝酸锌溶液中的硝酸锌与锌掺杂纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:15～1:5。
4.根据权利要求1所述的纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述搅拌加热进行反应，其中加热温度为45-55℃，反应时间为35-45分钟。
5.根据权利要求1所述的纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于：步骤二中，硝酸锌中的锌与步骤三中硝酸银中的银的摩尔比为1:1～8:1。
6.根据权利要求1所述的纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮或可溶性淀粉，分散剂与锌掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:9～1:11。
7.根据权利要求1所述的纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述还原剂为葡萄糖，还原剂与硝酸银溶液中的硝酸银的摩尔比为1:1～1:3。
8.由权利要求1～7任一所述的制备方法所制得的纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石材料。
9.根据权利要求8所述的纳米银、纳米氧化锌双相沉积掺锌纳米羟基磷灰石材料，其特征在于，其平均粒径为60～80nm，沉积的纳米氧化锌平均粒径为18～37nm，沉积的纳米银的平均粒径为4nm～9nm。
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