CN109336371A - 微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法 - Google Patents

微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法。所述制备方法包括如下步骤：将模板剂和用于形成硼硅酸盐生物活性玻璃的硅源、磷源、钙源、硼源于醇的水溶液进行混合处理，得到混合溶液；待所述混合溶液发生沉淀完毕后，收集沉淀物，并对所述沉淀物进行洗涤处理；将经洗涤处理的所述沉淀物进行煅烧处理。所述制备方法采用溶胶凝胶法制备硼硅酸盐生物活性玻璃，从而使得制备的硼硅酸盐生物活性玻璃颗粒比表面积大、尺寸均一、颗粒粒径为微纳米级、安全和生物活性高。而且所述制备方法工艺条件易控，条件温、能够有效保证制备的硼硅酸盐生物活性玻璃的性能稳定，且有效提高了制备的效率，降低了生产成本。

Description

微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法
技术领域
本发明生物活性玻璃材料，具体涉及一种微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法。
背景技术
生物活性玻璃(bioactiveglass，BAG)是一类能对机体组织进行修复、替代与再生、具有能使组织和材料之间形成键合作用的材料。其由SiO2、Na2O、CaO和P2O5等基本成分组成的硅酸盐玻璃。生物活性玻璃的降解产物能够促进生长因子的生成、促进细胞的繁衍、增强成骨细胞的基因表达和骨组织的生长。是迄今为止唯一既能够与骨组织成键结合，同时又能与软组织相连接的人工生物材料。
硅酸盐生物活性玻璃特有的网络结构使其能够同时引入多种人体代谢所需元素，如硼(B)。硼的引入会降低硅酸盐生物活性玻璃网络的连接程度，从而提高其化学反应活性，降低其化学稳定性。而相对低的化学稳定性能够加快生物活性玻璃的降解和基体离子的释放，使其更加匹配组织的修复重建速度。同时，硼的引入还具有生物学效应，形成的硼硅酸盐生物活性玻璃也被证实具有优异的组织修复性能，能加快骨骼、皮肤创面的修复重建。
传统的硼硅酸盐生物活性玻璃是通过熔融法制备的，即首先将含硼化合物与硅、钙、磷化合物混合按一定比例混合，然后在1300～1500℃高温下熔融，最后淬冷制得。熔融法制备生物玻璃要求条件高，从而导致对设备要求很高，能耗较大，另外由于其结构较为致密，高温熔融条件下材料组成不够均匀，比表面积小，生物活性相对较低，并且尺寸较大，无法控制得到粒径均一的微纳米颗粒。
近年来，人们探讨了多种制备微纳米生物活性玻璃的方法。包括：
(1)高能研磨法：该高能研磨法中的研磨粉体虽然在一定程度上可以分散颗粒，但是其制备的生物活性玻璃的粒度一般分布较宽，形貌不规则；
(2)添加表面活性剂：该法利用表面活性剂的静电斥力作用和空间位阻作用，来改善胶粒的均匀性和分散性，同时降低胶粒间的表面张力，有效防止团聚。
(3)利用有机溶剂脱水：用表面张力小的有机溶剂置换颗粒表面吸附的水分，以减少颗粒聚集的毛细管力，可以洗去胶粒表面的配位水分子，并以烷氧基团取代颗粒表面羟基团。
虽然上述现有制备生物活性玻璃的方法各自具有一定的优点，但是在实际制备过程中发现，现有制备生物活性玻璃的方法如高能研磨法、添加表面活性剂、利用有机溶剂脱水等存在合成效率低，粒径尺寸可控性低，并且会引入其他毒性大的有机化合物，不利于后续在生物医药领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法，以解决现有硼硅酸盐生物活性玻璃制备方法存在的合成效率低，粒径尺寸可控性低，并且会引入其他毒性大的有机化合物的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明的一方面，提供了一种微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法，包括如下步骤：
将模板剂和用于形成硼硅酸盐生物活性玻璃的硅源、磷源、钙源、硼源于醇的水溶液进行混合处理，得到混合溶液；
待所述混合溶液发生沉淀完毕后，收集沉淀物，并对所述沉淀物进行洗涤处理；
将经洗涤处理的所述沉淀物进行煅烧处理。
与现有技术相比，本发明微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法采用溶胶凝胶法制备微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃，从而使得制备的硼硅酸盐生物活性玻璃颗粒比表面积大、尺寸均一、颗粒粒径为微纳米级、生物活性高，而且采用醇的水溶液为溶剂，使得制备的硼硅酸盐生物活性玻璃安全。另外，本发明制备方法无需高温、表面活性剂，其制备方法工艺条件易控，条件温、能够有效保证制备的硼硅酸盐生物活性玻璃的性能稳定，且有效提高了制备的效率，降低了生产成本，有效克服了现有制备硼硅酸盐生物活性玻璃方法存在的合成效率低，粒径尺寸可控性和安全性低等不足。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法工艺流程示意图；
图2本发明实施例1的微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃扫描电镜图；
图3本发明实施例2的微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃扫描电镜图；
图4本发明实施例3的微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃扫描电镜图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例说明书中所提到的各组分的质量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间质量的比例关系，因此，只要是按照本发明实施例说明书各组分的含量按比例放大或缩小均在本发明实施例说明书公开的范围之内。具体地，本发明实施例说明书中所述的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
本发明实施例提供了一种微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法。所述微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法工艺如图1所示，其包括如下步骤：
S01：将模板剂和用于形成硼硅酸盐生物活性玻璃的硅源、磷源、钙源、硼源于醇的水溶液进行混合处理，得到混合溶液；
S02：待所述混合溶液发生沉淀完毕后，收集沉淀物，并对所述沉淀物进行洗涤处理；
S03：将经洗涤处理的所述沉淀物进行煅烧处理。
具体的，步骤S01中利用模板剂结构导向作用，并与硅源、磷源、钙源、硼源在醇的水溶液形成溶胶凝胶体系。在一实施例中，所述混合溶液也即是溶胶凝胶体系优选按照如下方法配制：
S011：将所述模板剂与所述醇的水溶液进行混合处理，得到第一混合溶液；
S012：将所述硅源加入所述第一混合溶液中进行混合处理，得到第二混合溶液；
S013：将所述磷源加入所述第二混合溶液中进行混合处理，得到第三混合溶液；
S014：将所述钙源加入所述第三混合溶液中进行混合处理，得到第四混合溶液；
S015：将所述硼源加入所述第四混合溶液中进行混合处理，得到所述混合溶液。
其中，步骤S011中的将所述模板剂与所述醇的水溶液进行混合处理过程中，应该使得所述模板剂充分溶解，如可以借助磁力搅拌加速所述模板剂的溶解。一实施例中，所述模板剂可以包括十二胺(DDA)、聚乙二醇或阳离子表面活性剂中的至少一种，其中，所述阳离子表面活性剂可以包括吐温20、十二烷基三甲基氯化铵中的至少一种；所述醇的水溶液所含的醇与水的(4-2):1。在具体实施例中，所述醇可以包括乙醇。
所述步骤S012中，所述硅源加入至第一混合溶液优选的采用分多批次加入，也即是缓慢加入，在加入过程中优选保持搅拌处理，添加完毕后继续搅拌30min以上。在一实施例中，所述硅源可以包括正硅酸乙酯(TEOS)。当所述硅源为正硅酸乙酯时，在将所述硅源加入至所述第一混合溶液的过程中，所述第一混合溶液由澄清透明逐渐变成白色浑浊状。
所述步骤S013中，所述磷源加入至第二混合溶液优选的采用分多批次加入，也即是缓慢加入，在加入过程中优选保持搅拌处理，添加完毕后继续搅拌30min以上。在一实施例中，所述磷源可以包括磷酸三乙酯(TEP)。
所述步骤S014中，所述钙源加入至第三混合溶液过程中优选保持搅拌处理，添加完毕后继续搅拌30min以上，使得钙源充分溶解，并使得各组分分散均匀。在一实施例中，所述钙源可以包括硝酸钙(CN)、氯化钙中的至少一种。
所述步骤S015中，所述硼源加入至第四混合溶液过程中优选保持搅拌处理，添加完毕后继续搅拌3h以上，使得钙源充分溶解，并使得各组分分散均匀。在一实施例中，所述硼源可以包括硼酸(BA)、三氧化二硼(B2O3)中的至少一种。
另外，一实施例中，所述步骤S01中所述模板剂添加量满足模板剂与所述硼酸的质量比为(2-4):(2-5)。用于形成硼硅酸盐生物活性玻璃的硅源、磷源、钙源、硼源的添加量可以按照硼硅酸盐生物活性玻璃的比例添加，如在一实施例中，控制所述硅源、磷源、钙源、硼源的质量比为(15～20):(1.5～3):(3～6):(2～5)。
因此，通过控制和优化上述步骤S01中混合溶液的配制方法和进一步控制和优化各组分的用量比例能够有效配制形成稳定的溶胶凝胶体系，从而进一步增大了硼硅酸盐生物活性玻璃颗粒比表面积，提高了其尺寸均一性，使得其颗粒粒径为微纳米级，提高了其生物活性。
所述步骤S02中，待步骤S01中混合溶液充分发生沉淀反应后，对其进行固液分离，收集沉淀物，如可以采用离心分离，收集沉淀物。对所述沉淀物进行洗涤是为了除去沉淀物上所附的杂质，如残留溶剂和未发生沉淀反应的反应物等，一实施例中，对所述沉淀物进行洗涤处理可以用水或醇进行洗涤，在具体实施例中，用去离子水和乙醇交替洗涤3次后，将所得白色沉淀置于真空干燥箱，干燥12h。
所述步骤S03中对沉淀物进行煅烧处理后，生成微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃，其中，所述模板剂等组分被除去。一实施例中，所述煅烧处理的温度为600～700℃，具体的如650℃。煅烧处理的时间应该是充分的，如3h。另一实施例中，所述煅烧处理是以5～10℃/min具体的如10℃/min的升温速率进行升温至煅烧温度的。该煅烧处理温度能够有效保证微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的生成，而且提高了粒径的均匀性，大的比表面积。
由上文所述，所述微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法采用溶胶凝胶法制备微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃，从而使得制备的硼硅酸盐生物活性玻璃颗粒比表面积大、尺寸均一、颗粒粒径为微纳米级、安全和生物活性高。而且所述制备方法工艺条件易控，条件温、能够有效保证制备的硼硅酸盐生物活性玻璃的性能稳定，且有效提高了制备的效率，降低了生产成本。经对所述微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃进行电镜扫描处理，扫描电镜图如图2所示。由图2可知，由所述制备方法制备的硼硅酸盐生物活性玻璃微纳米级，具体的粒径为800-1200nm。
另外，由于所述微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法能够赋予制备的硼硅酸盐生物活性玻璃比表面积大、尺寸均一、颗粒粒径为微纳米级、安全和生物活性高等特性，可进一步作为制备超细粉体、薄膜、涂层、纤维等多种形式的生物活性玻璃材料的原料。
以下通过多个具体实施例来举例说明本发明实施例微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法。
实施例1
本发明实施例提供了一种微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法。所述制备方法步骤如下：
S11.配制水-乙醇混合溶液：用量筒准确量取20mL水，80mL无水乙醇溶液。室温下磁力搅拌，混合均匀；
S12.准确称取4g十二胺(DDA)，加入到上述水-乙醇混合溶液中，搅拌至DDA完全溶解；
S13.DDA完全溶解后，准确量取16mL正硅酸乙酯(TEOS)，缓慢加入到步骤12中的溶液中，继续搅拌30min。溶液由澄清透明逐渐变成白色浑浊状；
S14.准确量取1.66mL磷酸三乙酯(TEP)，缓慢滴加到步骤13的溶液中。滴加完毕后继续搅拌30min；
S15.准确称取3.39g四水硝酸钙(CN)，加入步骤14的溶液中，四水硝酸钙(CN)完全溶解后，继续搅拌30min；
S16.准确称取2g硼酸(BA),加入步骤15的溶液中，硼酸(BA)完全溶解后，继续搅拌3h；
S17.搅拌3h后，将溶液离心，弃去上清液后可获得白色沉淀物，用去离子水和乙醇交替洗涤3次后，将所得白色沉淀置于真空干燥箱，干燥12h；
S18.干燥后的白色沉淀，置于马弗炉中，程序升温至650℃(10℃/min)，热处理3h。自然冷却，即可获得微纳米级的硼硅酸盐生物活性玻璃。
将本实施例1制备的所得的白色粉末也即是微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃，喷金处理后在电子扫描电镜(SEM)下观察，结果如图2所示，所合成的硼硅酸盐生物活性玻璃为球形颗粒，粒径分布均一，直径在800-1200nm之间。
实施例2
本发明实施例提供了一种微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法。所述制备方法步骤如下：
S11.配制水-乙醇混合溶液：用量筒准确量取20mL水，80mL无水乙醇溶液。室温下磁力搅拌，混合均匀；
S12.准确称取4g十二胺(DDA)，加入到上述水-乙醇混合溶液中，搅拌至DDA完全溶解；
S13.DDA完全溶解后，准确量取20mL正硅酸乙酯(TEOS)，缓慢加入到步骤2中的溶液中，继续搅拌30min。溶液由澄清透明逐渐变成白色浑浊状；
S14.准确量取3mL磷酸三乙酯(TEP)，缓慢滴加到步骤13的溶液中。滴加完毕后继续搅拌30min；
S15.准确称取6g四水硝酸钙(CN)，加入步骤14的溶液中，四水硝酸钙(CN)完全溶解后，继续搅拌30min；
S16.准确称取5g硼酸(BA),加入步骤15的溶液中，硼酸(BA)完全溶解后，继续搅拌3h；
S17.搅拌3h后，将溶液离心，弃去上清液后可获得白色沉淀物，用去离子水和乙醇交替洗涤3次后，将所得白色沉淀置于真空干燥箱，干燥12h；
S18.干燥后的白色沉淀，置于马弗炉中，程序升温至650℃(10℃/min)，热处理3h。自然冷却，即可获得微纳米级的微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃。
将本实施例2制备的所得的白色粉末也即是微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃，喷金处理后在电子扫描电镜(SEM)下观察，结果如图3所示，所合成的硼硅酸盐生物活性玻璃为球形颗粒，粒径分布均一，直径在800-1200nm之间。
实施例3
本发明实施例提供了一种微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法。所述制备方法步骤如下：
S11.配制水-乙醇混合溶液：用量筒准确量取20mL水，80mL无水乙醇溶液。室温下磁力搅拌，混合均匀；
S12.准确称取4g十二胺(DDA)，加入到上述水-乙醇混合溶液中，搅拌至DDA完全溶解；
S13.DDA完全溶解后，准确量取16mL正硅酸乙酯(TEOS)，缓慢加入到步骤2中的溶液中，继续搅拌30min。溶液由澄清透明逐渐变成白色浑浊状；
S14.准确量取1.66mL磷酸三乙酯(TEP)，缓慢滴加到步骤13的溶液中。滴加完毕后继续搅拌30min；
S15.准确称取3.39g四水硝酸钙(CN)，加入步骤14的溶液中，四水硝酸钙(CN)完全溶解后，继续搅拌30min；
S16.准确称取5g三氧化二硼(B2O3),加入步骤15的溶液中，可进行加热至50℃左右有利于三氧化二硼(B2O3)的溶解，完全溶解后，继续搅拌3h；
S17.搅拌3h后，将溶液离心，弃去上清液后可获得白色沉淀物，用去离子水和乙醇交替洗涤3次后，将所得白色沉淀置于真空干燥箱，干燥12h；
S18.干燥后的白色沉淀，置于马弗炉中，程序升温至650℃(10℃/min)，热处理3h。自然冷却，即可获得微纳米级的硼硅酸盐生物活性玻璃。
将本实施例3制备的所得的白色粉末也即是微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃，喷金处理后在电子扫描电镜(SEM)下观察，结果如图4所示，所合成的硼硅酸盐生物活性玻璃为球形颗粒，粒径分布均一，直径在800-1200nm之间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微纳米硼硅酸盐生物活性玻璃的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将模板剂和用于形成硼硅酸盐生物活性玻璃的硅源、磷源、钙源、硼源于醇的水溶液进行混合处理，得到混合溶液；
待所述混合溶液发生沉淀完毕后，收集沉淀物，并对所述沉淀物进行洗涤处理；
将经洗涤处理的所述沉淀物进行煅烧处理。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合溶液按照如下方法配制：
将所述模板剂与所述醇的水溶液进行混合处理，得到第一混合溶液；
将所述硅源加入所述第一混合溶液中进行混合处理，得到第二混合溶液；
将所述磷源加入所述第二混合溶液中进行混合处理，得到第三混合溶液；
将所述钙源加入所述第三混合溶液中进行混合处理，得到第四混合溶液；
将所述硼源加入所述第四混合溶液中进行混合处理，得到所述混合溶液。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述煅烧处理的温度为600-700℃。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述煅烧处理是以5-10℃/min的升温速率进行升温。
5.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于：所述模板剂与所述硼酸的质量比为(2～4):(2～5)；和/或
所述硅源、磷源、钙源、硼源的质量比为(15～20):(1.5～3):(3～6):(2～5)。
6.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于：所述模板剂包括十二胺、聚乙二醇或阳离子表面活性剂中的至少一种；和/或
所述硅源包括正硅酸乙酯；和/或
所述磷源包括磷酸三乙酯；和/或
所述钙源包括硝酸钙、氯化钙中的至少一种；和/或
所述硼源包括硼酸、三氧化二硼中的至少一种。
7.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于：所述醇的水溶液所含的醇与水的(4-2):1。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述醇包括乙醇。
9.根据权利要求1-3、8任一项所述的制备方法，其特征在于：制备获得的硼硅酸盐生物活性玻璃的粒径为微纳米级。
10.根据权利要求1-3、8任一项所述的制备方法，其特征在于：制备获得的硼硅酸盐生物活性玻璃的粒径为800-1200nm。
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