CN109432507B - 含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料及其制备方法，先制备羟基磷灰石溶胶和掺杂物前驱体溶胶，将二者混合后，再干燥、煅烧，得到含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料。本发明旨在制备出既有良好生物活性和生物兼容性，又兼具抗菌性能，能不改变本身晶格结构，不影响本身溶解性的复合材料。

Description

含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物医药材料技术领域，具体涉及一种含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料及其制备方法。

背景技术

羟基磷灰石(HAP)是一种有巨大利用潜质的生物材料，在治疗口腔疾病中占有重要地位。它与人体自然骨和牙齿等硬组织中的无机质在化学成分和晶体结构上具有相似性，且具有优良的生物相容性和生物活性，可作为一种骨骼或牙齿的诱导因子；在植入人体后在短时间内能诱导骨组织在其表面生长，并与骨组织形成良好的结合。然而羟基磷灰石优良的生物相容性也使得细菌细胞易于附着在其表面、形成菌膜、增殖。

经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号200810028762.7，公开号CN101294297A，公开了一种“银-羟基磷灰石纳米复合材料的制备方法”，采用阴极电沉积法，将含钙离子、磷酸二氢根和银离子的水溶液，以钛片作为工作电极，外加电场进行恒电位沉积，然后通过碱溶液热处理，即得银-羟基磷灰石纳米复合材料。中国专利申请号200810205056.5，授权公告号CN101462708B，公开了一种“纳米抗菌羟基磷灰石及其制备方法”，将锌元素和稀土元素同时溶融进纳米羟基磷灰石晶格中，采用柠檬酸三钠作为纳米材料表面改性剂，制备出具有针状晶型的高分散性纳米颗粒。CN200510035642.6公开一种纳米防龋齿抗菌材料，其为纳米羟基磷灰石的金属复合物，分子式为Ca_xM_y(PO₄)₆(OH)₂，M代表金属元素，X+Y＝10，粒径为100纳米以下；其中，所述M为Zn(锌)、La(镧)、Ce(铈)、Y(钇)中任选一种，所述纳米羟基磷灰石的金属复合物采用溶胶－凝胶法合成，直接用其他金属元素取代羟基磷灰石中的一部分钙元素。上述现有技术将抗菌粒子溶融进羟基磷灰石晶格中，改变了羟基磷灰石的晶格结构，可能导致其溶解性、结晶度及生物学性能变化。

因此，如何抑制细菌在HAP表面附着，阻止其形成菌膜，制备出既有良好生物活性和生物相容性，又兼具抗菌性能，不改变其晶格结构的羟基磷灰石至关重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料及其制备方法，旨在制备出既有良好生物活性和生物兼容性，又兼具抗菌性能，能不改变本身晶格结构，不影响本身溶解性的复合材料。

为实现上述目的，本发明提供一种含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)制备羟基磷灰石溶胶：配制硝酸钙乙醇溶液和五氧化二磷乙醇溶液，将五氧化二磷乙醇溶液缓慢滴加至硝酸钙乙醇溶液中，加热搅拌得到溶胶；

2)制备掺杂物前驱体溶胶：将金属盐、柠檬酸、聚乙二醇溶于无水乙醇中，加热搅拌得到澄清溶胶；所述金属盐包括硝酸镁和其他金属盐；所述其他金属盐不存在，或包括硝酸铜、硝酸锌、硝酸铋、氯化铈中的一种或多种；优选地，所述金属盐为硝酸镁，硝酸铋，硝酸镁和硝酸铜(优选地，二者的摩尔比为2:1)，硝酸镁和硝酸锌(优选地，二者的摩尔比为1:1)，硝酸镁和氯化铈(优选地，二者的摩尔比为2:1)；

3)在加热情况下，将步骤2)所得溶胶缓慢滴加至步骤1)所得溶胶中，调节混合溶液pH为5～11；

4)将步骤3)所得溶胶继续加热保温至转变为果冻状凝胶，取出干燥，干燥所得粉末进行煅烧，得到含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料。

进一步地，所述硝酸钙乙醇溶液的浓度为3～4mol/L。

进一步地，所述五氧化二磷乙醇溶液的浓度为1～2mol/L。

进一步地，所述硝酸钙乙醇溶液和五氧化二磷乙醇溶液的钙磷摩尔比为1.67。只有当钙磷比为1.67时，最后才可能生成羟基磷灰石，否则将产生其他物质。

进一步地，步骤1)中所述加热的温度为60～80℃，所述搅拌的时间为2～4h；所述溶胶为无色透明溶胶。优选地，加热的温度为60、70、80℃。本发明的加热温度范围有特定的作用，温度不宜过高，否则溶剂大量挥发；温度太低会降低反应速率。搅拌时间即为反应形成溶胶的时间，形成溶胶后若继续搅拌，溶剂大量蒸发，使溶胶向凝胶转变，也会缩短后期陈化时间，陈化时间过短易使产物颗粒增大。

进一步地，所述金属盐与柠檬酸的摩尔比为1:1；所述聚乙二醇质量为金属盐总质量的25％～75％。(聚乙二醇作为分散剂，选取较优的比例以改善产物团聚。)

进一步地，步骤2)中所述加热的温度为60～80℃，所述搅拌的时间为2～4h。优选地，加热的温度为60、70、80℃。

进一步地，步骤3)中所述加热的温度为60～80℃。优选地，加热的温度为60、70、80℃。

进一步地，所述复合材料中掺杂物与羟基磷灰石的质量比为1:1～3。(掺杂物与羟基磷灰石的比例要符合：1.使最终产物具有较优的抗菌性能。2.不影响羟基磷灰石原有的生物活性、生物相容性。)

进一步地，步骤4)中所述加热的温度为60～80℃；所述干燥的温度为80～100℃，干燥的时间为12～24h；所述煅烧的温度为400～900℃，保温时间为2～4h。优选地，煅烧温度为400、500、600、700、800或900℃；加热的温度为60、70、80℃。干燥温度不宜过高，干燥过程中挥发的溶剂为乙醇，温度过高会使产物由于乙醇沸腾而溅出；而且干燥过程凝胶会膨胀，温度过高易导致膨胀速度过快溢出。

另一方面，本发明提供一种含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料，包括羟基磷灰石和金属氧化物，所述金属氧化物包括氧化镁和其他金属氧化物；所述其他金属氧化物不存在，或包括氧化铜、氧化锌、氧化铈、氧化铋中的一种或多种。

进一步地，所述羟基磷灰石和金属氧化物的质量比为1～3:1。

进一步地，所述含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料，通过本发明所述的方法制备而成。

又一方面，本发明提供一种牙膏，其包含本发明所述的含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料。

本发明通过先制备羟基磷灰石溶胶和掺杂物溶胶，将二者混合后，再干燥、煅烧，得到含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料。

在本发明的材料中，金属氧化物包括氧化镁和其他金属氧化物，其他金属氧化物不存在、或包括氧化铜、氧化锌、氧化铈、氧化铋中的一种或多种。其中的金属氧化物，具有如下的作用：1)纳米氧化镁具有强耐热性、持久及广谱抗菌活性，不易产生抗性菌株等优点，且其环境友好，不易变色，无需光照诱导，能够灭活芽孢等具有较强抗性的病原体；2)将纳米氧化镁与其他金属进行配合使用，其他金属氧化物具有如下作用：a)纳米氧化锌粒子在细菌菌膜上的物理相互作用，可导致细胞破裂、变形；b)铈可以分离细菌细胞外膜与细胞质膜，以达到杀菌的效果；当它以氧化铈形式存在时，可通过与细胞膜的相互作用对细菌细胞产生毒性，被应用于治疗严重烧伤；c)氧化铜是一种多功能的纳米材料，如用于储磁、能量转换、电池及催化剂等，其化学物理性质稳定，此外，纳米氧化铜对大肠杆菌、枯草杆菌、沙门杆菌、绿脓杆菌和金黄色葡萄球菌等均具有较好的抗菌活性。可见，本发明的复合材料具有广谱的抗菌抑菌效果。

在制备过程中，采用乙醇作为溶剂可以有效溶解其他有机反应物；使反应物不易水解，从而控制水解速率，水解速率过快易发生沉淀；使活性组分更分散，不至于凝结成块；提高体系的稳定性。仅用水作为溶剂导致水解速率过快。

而本发明将金属氧化物与羟基磷灰石复合采用溶胶-凝胶法，在制备过程中，将羟基磷灰石溶胶和掺杂物溶胶混合后，以柠檬酸为络合剂(柠檬酸可以与多种金属离子结合形成稳定络合物，从而提高凝胶的稳定性，以及减少煅烧过程中粒子的团聚。)、聚乙二醇为表面活性剂(聚乙二醇作为表面活性剂，可以增强粒子分散性，使金属氧化物分散更均匀，还可以减少团聚。)，通过煅烧得到含金属氧化物的复合材料，其具有高分散性、高比表面积、含有金属氧化物也可不改变羟基磷灰石的晶格结构(金属盐与羟基磷灰石复合的过程中，金属氧化物是与羟基磷灰石直接两相混合，不影响任意一相的物质结构，不会改变其晶格结构)，从而在不影响羟基磷灰石的溶解性、生物活性和生物相容性的前提下，赋予羟基磷灰石良好的抗菌性能。

本发明相对于现有技术，具有如下优点之处：

1.本发明采用溶胶凝胶法代替传统的沉淀法，在制备过程中避免了机械混合，产物杂质少纯度高；工艺设备简单；合成温度较低，利于控制，由于其可在较低温度下实现干凝胶的转化，产物生物活性好；整个制备过程安全无毒，适合工业生产。

2.该方法通过在羟基磷灰石溶胶中添加掺杂物溶胶，再进行混合、干燥和煅烧，制备的金属氧化物粉末粒径小、大小均一且分散性好，有效保障制备的复合材料的抗菌性。

3.本发明的产品具有良好的生物活性和生物相容性，且具有良好的抗菌性能和力学性能，无毒，使本技术产品具有实际应用前景。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

一种含氧化镁的抗菌羟基磷灰石复合材料的制备方法是通过以下过程实现的：

(1)制备羟基磷灰石溶胶：分别配制浓度为3mol/L的硝酸钙乙醇溶液和1mol/L五氧化二磷乙醇溶液，按照钙磷摩尔比为1.67的比例，将五氧化二磷乙醇溶液缓慢滴加至硝酸钙乙醇溶液中，置于60℃水浴中，磁力搅拌2h，得到无色透明溶胶。

(2)制备掺杂物前驱体溶胶：将硝酸镁、柠檬酸和聚乙二醇按照比例溶于无水乙醇中，60℃恒温水浴加热，磁力搅拌2h，得澄清溶胶；

其中硝酸镁:柠檬酸＝1:1(摩尔比)，聚乙二醇质量为硝酸镁的50％。

(3)在70℃恒温水浴中，将步骤(2)所得溶胶在磁力搅拌下缓慢滴加至步骤(1)所得溶胶中，同时调节混合溶液PH值为6；

其中掺杂物前驱体与羟基磷灰石的质量比满足最终制备的复合材料中掺杂物与羟基磷灰石的质量比为1:1。

(4)将(3)中所得混合溶胶置于70℃恒温水浴中保温，直至转变为果冻状凝胶。然后置于干燥箱中100℃干燥12h，再将所得粉末在600℃下进行煅烧，保温2h。

对本实施例所制得的抗菌羟基磷灰石复合材料采用抑菌环法对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行了测试，培养24小时，在样品周围形成了抑菌环，抑菌率达到99.7％。

实施例2

一种含氧化镁和氧化锌的抗菌羟基磷灰石复合材料的制备方法是通过以下过程实现的：

(1)制备羟基磷灰石溶胶：分别配制浓度为3mol/L的硝酸钙乙醇溶液和1mol/L五氧化二磷乙醇溶液，按照钙磷摩尔比为1.67的比例，将五氧化二磷乙醇溶液缓慢滴加至硝酸钙乙醇溶液中，置于60℃水浴中，磁力搅拌2h，得到无色透明溶胶。

(2)制备掺杂物前驱体溶胶：将硝酸镁、硝酸锌、柠檬酸和聚乙二醇按照比例溶于无水乙醇中。60℃恒温水浴加热，磁力搅拌2h，得澄清溶胶；

其中硝酸镁:硝酸锌＝1:1(摩尔比)；(硝酸镁+硝酸锌):柠檬酸＝1:1(摩尔比)，聚乙二醇质量为金属盐总质量的50％。

(3)在70℃恒温水浴中，将步骤(2)所得溶胶在磁力搅拌下缓慢滴加至步骤(1)所得溶胶中，同时调节混合溶液PH值为7；

其中掺杂物前驱体与羟基磷灰石的质量比满足最终制备的复合材料中掺杂物与羟基磷灰石的质量比为1:2。

(4)将(3)中所得混合溶胶置于70℃恒温水浴中保温，直至转变为果冻状凝胶。然后置于干燥箱中100℃干燥12h，再将所得粉末在500℃下进行煅烧，保温2h。

对本实施例所制得的抗菌羟基磷灰石复合材料采用抑菌环法对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行了测试，培养24小时，在样品周围形成了抑菌环，抑菌率达到99.9％。

实施例3

一种含氧化镁和氧化铜的抗菌羟基磷灰石复合材料的制备方法是通过以下过程实现的：

(1)制备羟基磷灰石溶胶：分别配制浓度为4mol/L的硝酸钙乙醇溶液和2mol/L五氧化二磷乙醇溶液，按照钙磷摩尔比为1.67的比例，将五氧化二磷乙醇溶液缓慢滴加至硝酸钙乙醇溶液中，置于60℃水浴中，磁力搅拌2h，得到无色透明溶胶。

(2)制备掺杂物前驱体溶胶：将硝酸镁、硝酸铜、柠檬酸和聚乙二醇按照一定比例溶于无水乙醇中。60℃恒温水浴加热，磁力搅拌2h，得澄清溶胶。

其中硝酸镁:硝酸铜＝2:1(摩尔比)；(硝酸镁+硝酸铜):柠檬酸＝1:1(摩尔比)；聚乙二醇质量为金属盐总质量的75％。

(3)在70℃恒温水浴中，将步骤(2)所得溶胶在磁力搅拌下缓慢滴加至步骤(1)所得溶胶中，同时调节混合溶液PH值为8。

其中掺杂物前驱体与羟基磷灰石的质量比满足最终制备的复合材料中掺杂物与羟基磷灰石的质量比为1:2。

(4)将(3)中所得混合溶胶置于70℃恒温水浴中保温，直至转变为果冻状凝胶。然后置于干燥箱中100℃干燥12h，再将所得粉末在700℃下进行煅烧，保温2h。

对本实施例所制得的抗菌羟基磷灰石复合材料采用抑菌环法对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行了测试，培养24小时，在样品周围形成了抑菌环，抑菌率达到99.8％。

实施例4

一种含氧化镁和氧化铈的抗菌羟基磷灰石复合材料的制备方法是通过以下过程实现的：

(1)制备羟基磷灰石溶胶，分别配制浓度为4mol/L的硝酸钙乙醇溶液和2mol/L五氧化二磷乙醇溶液，按照钙磷摩尔比为1.67的比例，将五氧化二磷乙醇溶液缓慢滴加至硝酸钙乙醇溶液中，置于60℃水浴中，磁力搅拌2h，得到无色透明溶胶。

(2)制备掺杂物溶胶，将硝酸镁、氯化铈、柠檬酸和聚乙二醇按照一定比例溶于无水乙醇中。60℃恒温水浴加热，磁力搅拌2h，得澄清溶胶。

其中硝酸镁:氯化铈＝2:1(摩尔比)；(硝酸镁+氯化铈):柠檬酸＝1:1(摩尔比)；聚乙二醇质量为金属盐总质量的75％。

(3)在70℃恒温水浴中，将步骤(2)所得溶胶在磁力搅拌下缓慢滴加至步骤(1)所得溶胶中，同时调节混合溶液PH值为11。

其中掺杂物前驱体与羟基磷灰石的质量比满足最终制备的复合材料中掺杂物与羟基磷灰石的质量比为1:3。

(4)将(3)中所得混合溶胶置于70℃恒温水浴中保温，直至转变为果冻状凝胶。然后置于干燥箱中100℃干燥12h，再将所得粉末在800℃下进行煅烧，保温2h。

对本实施例所制得的抗菌羟基磷灰石复合材料采用抑菌环法对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行了测试，培养24小时，在样品周围形成了抑菌环，抑菌率达到100％。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)制备羟基磷灰石溶胶：配制硝酸钙乙醇溶液和五氧化二磷乙醇溶液，将五氧化二磷乙醇溶液缓慢滴加至硝酸钙乙醇溶液中，加热至60～80℃搅拌2～4h得到无色透明溶胶；所述硝酸钙乙醇溶液的浓度为3～4mol/L；所述五氧化二磷乙醇溶液的浓度为1～2mol/L；所述硝酸钙乙醇溶液和五氧化二磷乙醇溶液的钙磷摩尔比为1.67；

2)制备掺杂物前驱体溶胶：将金属盐、柠檬酸、聚乙二醇溶于无水乙醇中，加热搅拌得到澄清溶胶；所述金属盐包括硝酸镁和其他金属盐；所述其他金属盐不存在，或包括硝酸铜、硝酸锌、硝酸铋、氯化铈中的一种或多种；所述金属盐与柠檬酸的摩尔比为1:1；所述聚乙二醇质量为金属盐总质量的25％～75％；

3)在加热情况下，将步骤2)所得溶胶缓慢滴加至步骤1)所得溶胶中，调节混合溶液pH为5～11；所述复合材料中掺杂物与羟基磷灰石的质量比为1:1～3；

4)将步骤3)所得溶胶继续加热保温至转变为果冻状凝胶，取出干燥，干燥所得粉末进行煅烧，得到含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料。

2.根据权利要求1所述的含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述加热的温度为60～80℃，所述搅拌的时间为2～4h。

3.根据权利要求1所述的含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属盐选自以下几种之一：硝酸镁，硝酸镁和硝酸铜，硝酸镁和硝酸锌，硝酸镁和氯化铈。

4.根据权利要求1所述的含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述加热的温度为60～80℃。

5.根据权利要求1所述的含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述加热的温度为60～80℃；所述干燥的温度为80～100℃，干燥的时间为12～24h；所述煅烧的温度为400～900℃，保温时间为2～4h。

6.一种含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料，其特征在于，包括羟基磷灰石和金属氧化物，所述金属氧化物包括氧化镁和其他金属氧化物；所述其他金属氧化物不存在，或包括氧化铜、氧化锌、氧化铈、氧化铋中的一种或多种；所述复合材料中金属氧化物与羟基磷灰石的质量比为1:1～3；

所述含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料，通过权利要求1～5任一项所述的方法制备而成。

7.一种牙膏，其特征在于，包含权利要求6所述的含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料或通过权利要求1～5任一项所述的方法制备而成的含金属氧化物的抗菌羟基磷灰石复合材料。