CN109437574A

CN109437574A - 一种高钙磷含量的微纳米生物活性玻璃微球及其制备方法

Info

Publication number: CN109437574A
Application number: CN201811289481.7A
Authority: CN
Inventors: 陈晓峰; 陈雪颖; 田婷; 莫云飞
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2019-03-08
Anticipated expiration: 2038-10-31
Also published as: CN109437574B

Abstract

本发明公开了一种高钙磷含量的微纳米生物活性玻璃微球及其制备方法。该方法包括以下步骤：（1）将表面活性剂和催化剂加入水中得到水相溶液；将正硅酸乙酯和有机溶剂混合成油相溶液；（2）将油相溶液滴加到水相溶液中，再搅拌下层水相溶液，加热反应后加入磷酸三乙酯，继续加热反应，得到凝胶溶液；（3）将凝胶溶液离心分离，清洗再干燥，得到凝胶粉末；（4）将四水合硝酸钙加入到无水乙醇中，再将干燥后的凝胶粉末加入到硝酸钙的乙醇溶液中，混合均匀；（5）将乙醇挥发得到生物活性玻璃凝胶粉末，再热处理，得到微纳米生物活性玻璃微球。本方法制备的微纳米生物活性玻璃微球具有良好的分散性和较高的钙磷含量，是一种新型的骨、齿修复材料。

Description

一种高钙磷含量的微纳米生物活性玻璃微球及其制备方法

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种高钙磷含量的微纳米生物活性玻璃微球及其制备方法。

背景技术

生物活性玻璃（BG）是上世纪70年代初，由Hench教授通过熔融法制得的一种钙磷硅酸盐类生物医用材料，由于具有良好的生物相容性和生物矿化功能，因此可应用于骨科和口腔科领域。但使用熔融法制备所需能耗高，1400℃高温反应易导致材料有杂质离子掺杂，且材料较为致密，比表面积小，不利于离子的释放和材料的降解。

微纳米生物活性玻璃（MNBG）是一种利用溶胶凝胶法结合模板法制备的新型生物活性玻璃材料，具有高比表面积和多孔结构。但过高的钙磷加入量会破坏微纳米生物活性玻璃的硅氧网络，无法得到形貌规则且分散性良好的微纳米生物活性玻璃，而减少钙磷的加入将会影响其生物矿化的功能，限制其应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种高钙磷含量的微纳米生物活性玻璃微球及其制备方法，使其拥有高的比表面积和优良的生活矿化活性，能够更好的应用于骨组织的修复。

本发明通过如下技术方案实现。

一种高钙磷含量的微纳米生物活性玻璃微球的制备方法，包括以下步骤：

（1）将表面活性剂和催化剂加入水中，加热搅拌得到水相溶液；将正硅酸乙酯和有机溶剂混合成油相溶液；

（2）将步骤（1）所得油相溶液滴加到水相溶液中，形成双相分层体系，缓慢搅拌下层水相溶液，加热反应一段时间后，加入磷酸三乙酯，继续加热反应，得到凝胶溶液；

（3）将步骤（2）所得凝胶溶液离心分离，清洗得到湿态凝胶沉淀，再将湿态凝胶沉淀冷冻干燥，得到凝胶粉末；

（4）将四水合硝酸钙加入到无水乙醇中，得到硝酸钙的乙醇溶液，再将步骤（3）所得凝胶粉末加入到硝酸钙的乙醇溶液中，混合均匀；

（5）将步骤（4）所得溶液中的乙醇在室温下挥发，得到生物活性玻璃凝胶粉末，将粉末在高温炉中热处理，得到微纳米生物活性玻璃微球。

优选的，步骤（1）所述水：有机溶剂：表面活性剂及正硅酸乙酯的摩尔比为1000：（85~65）：（1.5~5.5）：（4~14）。

优选的，步骤（1）中所述的表面活性剂为阳离子表面活性剂。

进一步优选的，所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵；所述阳离子表面活性剂在水相溶液中的浓度为0.1~0.3mol/L。

优选的，步骤（1）中所述的催化剂为碱性催化剂。

进一步优选的，所述碱性催化剂为三乙醇胺。

优选的，步骤（1）中所述的加热温度为60℃，搅拌时间为1h。

优选的，步骤（1）中所述的有机溶剂为环己烷。

优选的，所述正硅酸乙酯、四水合硝酸钙和磷酸三乙酯的摩尔比为正硅酸乙酯：四水合硝酸钙：磷酸三乙酯=（60~80）：（36~16）：4，按照所述正硅酸乙酯、四水合硝酸钙和磷酸三乙酯摩尔比，最终得到的微纳米生物活性玻璃微球中氧化硅、氧化钙及五氧化二磷的摩尔比为：氧化硅：氧化钙：五氧化二磷=（60~80）：（36~16）：4。

优选的，步骤（2）中，所述加热的温度为50~70℃，搅拌的速率为100~200rpm；加热搅拌反应2~3h后加入磷酸三乙酯，再继续加热搅拌反应9~10h。

进一步优选的，步骤（2）中，加热搅拌反应3h后加入磷酸三乙酯，再继续加热搅拌反应9h。

优选的，步骤（3）所述干燥是将湿态凝胶沉淀放置于冻干机中冷冻干燥1~2天。

优选的，步骤（4）所述混合是将所得溶液置于摇床上，室温振荡10~12h。

进一步优选的，步骤（4）所述混合是将溶液置于摇床上，室温振荡12h。

步骤（5）所述热处理是将生物活性玻璃凝胶粉末置于高温炉中500~600℃热处理5~6h。

进一步优选的，步骤（5）所述热处理是将生物活性玻璃凝胶粉末置于高温炉中500℃热处理5h。

由以上所述的制备方法制得的一种高钙磷含量的微纳米生物活性玻璃微球。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：

（1）本发明提供了一种提高生物活性玻璃钙磷含量的方法，制备出了一种具有放射形貌的微纳米生物活性玻璃，且实际成分组成与设计成为组成一致，能够提高生物活性玻璃的钙磷含量，不破坏其规则形貌，具有优良的生物矿化活性，解决了微纳米生物活性玻璃钙含量低，生物矿化活性差的问题。

（2）本发明制备的放射状微纳米生物活性玻璃具有良好的分散性，颗粒尺寸均匀，颗粒尺寸范围为90nm~120nm。

附图说明

图1为实施例1制备的微纳米生物活性玻璃微球放大5万倍的扫描电镜图。

图2为实施例1制备的微纳米生物活性玻璃微球放大10万倍的扫描电镜图。

图3为实施例1制备的微纳米生物活性玻璃微球的透射电镜图。

图4为实施例1制备的微纳米生物活性玻璃微球在SBF溶液中矿化1天的扫描电镜图。

图5为对比例1制备的微纳米生物活性玻璃微球在SBF溶液中矿化1天的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种提高生物活性玻璃钙磷含量的方法，其操作步骤如下：

（1）将12g十六烷基三甲基溴化铵和0.36mL三乙醇胺依次加入到108mL去离子水中，60℃下搅拌1h，使之完全溶解，形成水相溶液。

（2）将12mL正硅酸乙酯加入到48mL环己烷中，混合均匀，形成油相溶液。

（3）将油相溶液滴加到水相溶液中，形成上下两层的两相分离体系，60℃下以100rpm的搅拌速率搅拌下层水相，反应3h后，加入0.921mL磷酸三乙酯，继续反应9h，得到凝胶溶液。

（4）将步骤（3）中所得的凝胶溶液离心分离，清洗得到湿态凝胶沉淀，再将湿态凝胶放置于冻干机中冷冻干燥2天，得到凝胶粉末。

（5）将0.704g四水合硝酸钙加入到40mL无水乙醇中，搅拌溶解，称取1g步骤（4）中所得凝胶粉末，加入到硝酸钙的乙醇溶液中，置于摇床上室温振荡12h，得到生物活性玻璃凝胶溶液。

（6）将步骤（5）中所得凝胶溶液中的乙醇在室温下挥发，得到生物活性玻璃凝胶粉末，将粉末在高温炉中600℃热处理5h，得到微纳米生物活性玻璃微球。

实施例2

一种提高生物活性玻璃钙磷含量的方法，其操作步骤如下：

（3）将油相溶液滴加到水相溶液中，形成上下两层的两相分离体系，65℃下以150rpm的搅拌速率搅拌下层水相，反应2.5h后，加入0.921mL磷酸三乙酯，继续反应9.5h，得到凝胶溶液。

（5）将0.704g四水合硝酸钙加入到40mL无水乙醇中，搅拌溶解，称取1g步骤（4）中所得凝胶粉末，加入到硝酸钙的乙醇溶液中，置于摇床上室温振荡10h，得到生物活性玻璃凝胶溶液。

实施例3

一种提高生物活性玻璃钙磷含量的方法，其操作步骤如下：

（3）将油相溶液滴加到水相溶液中，形成上下两层的两相分离体系，60℃下以150rpm的搅拌速率搅拌下层水相，反应3h后，加入1.223mL磷酸三乙酯，继续反应9h，得到凝胶溶液。

（5）将2.040g四水合硝酸钙加入到40mL无水乙醇中，搅拌溶解，称取1g步骤（4）中所得凝胶粉末，加入到硝酸钙的乙醇溶液中，置于摇床上室温振荡12h，得到生物活性玻璃凝胶溶液。

（6）将步骤（5）中所得凝胶溶液中的乙醇在室温下挥发，得到生物活性玻璃凝胶粉末，将粉末在高温炉中500℃热处理5h，得到微纳米生物活性玻璃微球。

对比例1

（1）将12g十六烷基三甲基溴化铵和0.36mL三乙醇胺依次加入到108mL去离子水中，60℃下搅拌1h，使之完全溶解，再加入2.510g硝酸钙，形成水相溶液。

（2）将12mL正硅酸乙酯、0.921mL磷酸三乙酯加入到48mL环己烷中，混合均匀，形成油相溶液。

（3）将油相溶液滴加到水相溶液中，形成上下两层的两相分离体系，60℃下以150rpm的搅拌速率搅拌下层水相，反应12h，得到凝胶溶液。

（5）将步骤（4）中所得凝胶粉末，将粉末在高温炉中600℃热处理5h，得到微纳米生物活性玻璃微球。

对比例2

（3）将油相混合液滴加到水相溶液中，形成上下两层的两相分离体系，60℃下以150rpm的搅拌速率搅拌下层水相，反应12h，得到凝胶溶液。

以上各微纳米生物活性玻璃组分分析结果(mol%)如表1所示。

表1

	SiO<sub>2</sub>	CaO	P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
				实施例1	80.53%	17.80%	1.67%
实施例2	81.47%	17.31%	1.22%
				实施例3	75.89%	22.31%	1.80%
对比例1	98.95%	1.05%	0.00%
				对比例2	86.12%	13.88%	0.00%

对制备的微纳米生物活性玻璃进行EDS能谱分析，由表1汇总的实施例和对比例比较可知，通过本发明方法所得的微纳米生物活性玻璃能够有较高的钙磷摩尔含量（CaO达到22.31%，P₂O₅达到1.80%）。对实施例1制备的微纳米生物活性玻璃微球进行扫描电镜和透射电镜分析。扫描电镜图如图1和图2所示，透射电镜图如图3所示。由扫描电镜和透射电镜图可以看出，实施例1制备的微纳米生物活性玻璃微球为规则球形，分散性良好，尺寸分布均匀，内部结构由内而外呈放射状，钙磷含量的提高没有破坏其微观形貌，粒径为90nm~120nm。由实施例2、3所得微球的扫描电镜和透射电镜图也可以看出，所制备的微纳米生物活性玻璃微球均为规则球形，分散性良好，尺寸分布均匀，内部结构由内而外呈放射状，钙磷含量的提高没有破坏其微观形貌。对实施例1和对比例1制备的微纳米生物活性玻璃微球在SBF溶液中矿化1天后的结果进行扫描电镜分析，如图4和图5所示，可以看出实施例1制备的生物活性玻璃的矿化效果比对比例1的矿化效果更为明显，说明实施例1具有更好的生物矿化活性。

Claims

1.一种高钙磷含量的微纳米生物活性玻璃微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将表面活性剂和催化剂加入水中，搅拌得到水相溶液；将正硅酸乙酯和有机溶剂混合成油相溶液；

（2）将步骤（1）所得油相溶液滴加到水相溶液中，形成双相分层体系，搅拌下层水相溶液，加热反应后，加入磷酸三乙酯，继续加热反应，得到凝胶溶液；

（4）将四水合硝酸钙加入到无水乙醇中，得到硝酸钙的乙醇溶液，再将步骤（3）所得凝胶粉末加入到所述硝酸钙的乙醇溶液中，混合均匀；

（5）将步骤（4）所得溶液中的乙醇在室温下挥发，得到生物活性玻璃凝胶粉末，然后在高温炉中热处理，得到微纳米生物活性玻璃微球。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述水：有机溶剂：表面活性剂及正硅酸乙酯的摩尔比为1000：（85~65）：（1.5~5.5）：（4~14）。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的表面活性剂为阳离子表面活性剂；所述的催化剂为碱性催化剂；所述有机溶剂为环己烷。

4.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于：所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵；所述阳离子表面活性剂在水相溶液中的浓度为0.1~0.3mol/L。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述碱性催化剂为三乙醇胺。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述正硅酸乙酯、磷酸三乙酯和四水合硝酸钙的摩尔比为（60~80）：4：（36~16）。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述加热的温度为50~70℃，搅拌的速率为100~200rpm；加热搅拌反应2~3h后加入磷酸三乙酯，再继续加热搅拌反应9~10h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述混合是将所得溶液置于摇床上，室温振荡10~12h。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述热处理是将生物活性玻璃凝胶粉末置于高温炉中500~600℃热处理5~6h。

10.由权利要求1~9任一项所述的制备方法制得的一种高钙磷含量的微纳米生物活性玻璃微球。