CN110745804B - 一种长度可控的棒状羟基磷灰石的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了生物材料制备技术领域内的一种长度可控的棒状羟基磷灰石的制备方法,其分别以去离子水将可溶性钙盐、可溶性磷酸盐搅拌溶解在容器中;然后将相应量的六水氯化铁加入钙盐溶液中,六水氯化铁的重量为可溶性钙盐重量的0.01%~0.05%;将可溶性碳酸盐、乙二胺四乙酸和十六烷基三甲基溴化铵加入磷酸盐溶液中;待溶解后,将两种溶液混合转移至水热反应釜中,调节pH至9~12;在150‑190℃水热反应16~36 h后,再陈化1~4天,取出洗涤,冷冻干燥得到长度可控的棒状羟基磷灰石。该方法合成的羟基磷灰石呈棒状且长度可控,同时生物相容性良好,可以促进细胞增殖,在生物材料仿生合成中有着重要应用。
Description
技术领域
本发明生物材料制备技术领域,涉及一种人体骨损伤修复中使用的一种羟基磷灰石的制备方法。
背景技术
羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA),化学式为Ca10(PO4)6(OH)2,是脊椎动物骨骼和牙齿的重要无机成分。不仅具有良好的稳定性、生物活性和生物相容性,还具有很好的骨传导作用及诱导骨形成的能力,并且能够可生物降解,是人体骨损伤时近于理想的骨修复及替代材料。碳酸根掺杂的羟基磷灰石在结构上与自然骨组织中的生物磷灰石相似。碳酸根掺杂的羟基磷灰石(CHA)已通过多种方法合成,包括固相法,共沉淀,微乳液法,溶胶-凝胶法,水热合成法和落滴蒸汽扩散技术。固相法可以制得纯度较高的粉体颗粒,但是需要较高的热处理温度和较长的处理时间,而粉体的烧结性能又较差,使得该种方法制备的粉体局限性较大。微乳液法主要优点是可以通过表面活性剂的使用来调控 HA 晶粒的生长,但是需要比传统乳液法更多的表面活性剂量。而水热法可以避免在处理过程中造成的粉体硬团聚现象,制得的粉体分散性好且纯度高。
CO3 2-是生物磷灰石中最丰富的替代离子,约占钙化组织重量的4%。CO3 2-在骨代谢中起到重要的作用,因此碳酸根掺杂磷灰石在骨移植中具有重要意义。A型CHA中的碳酸根离子替代HA晶格中的氢氧根离子,而B型CHA中的磷酸根离子则被碳酸根离子替代。碳酸根离子在天然骨矿物质中主要以B型碳酸盐的形式出现。B型CHA具有较高的骨传导性能,利于早期的生物再吸收。
目前的羟基磷灰石的人工制造过程中,获得的羟基磷灰石长度可控性差,不易获得棒状羟基磷灰石。
发明内容
本发明的目的在于提供一种长度可控的棒状羟基磷灰石的制备方法该方法,使其可以获得长度可控、生物相容性良好的棒状羟基磷灰石。
实现本发明目的的技术方案如下:
一种长度可控的棒状羟基磷灰石的制备方法,包括步骤如下:
(1)分别以去离子水将可溶性钙盐、可溶性磷酸盐搅拌溶解在容器中;钙离子与磷酸根离子的用量摩尔比为1.5~2 : 1;所述可溶性钙盐可为氯化钙。所述可溶性磷酸盐选自十二水磷酸氢二铵、磷酸钠或磷酸二氢钾。
(2)将相应量的六水氯化铁加入钙盐溶液中,六水氯化铁的重量为可溶性钙盐重量的0.01%~0.05%;
(3)将可溶性碳酸盐、乙二胺四乙酸(EDTA)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)加入磷酸盐溶液中,其中磷酸根离子、EDTA和CTAB的摩尔比为10 : 10 : 1,碳酸盐用量为磷酸盐重量的12%~18%;可溶性碳酸盐为碳酸氢铵、碳酸钠或碳酸氢钠。
(4)待溶解后,将步骤(2)、(3)获得的两种溶液混合转移至水热反应釜中, 调节pH至9~12;在150-190 ℃水热反应16~36 h,充分反应后,自然降温并静置陈化1~4 天后,取出先用乙醇洗涤2-3次,再用去离子水洗涤2-3次,冷冻干燥得到长度可控的棒状羟基磷灰石。调节pH时采用氨水或NaOH。
作为本发明的优选方案,所述水热反应温度为160-180 ℃,反应时间为20-32 h。
优选地,步骤(1)中,钙离子与磷酸根离子的摩尔比为1.67: 1。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明的羟基磷灰石呈棒状且长度可控,可用于生物材料的仿生合成,安全无毒。其长度受静置陈化时间的影响而可控,趋势是陈化时间越长,棒状长度越长。
(2)本发明的原料钙盐和磷酸盐等,廉价易得,绿色环保。
本发明获得长度可控的棒状羟基磷灰石可用于生物体的骨替代材料,其具有生物相容性好的优点,可以促进细胞增殖,在生物材料仿生合成中有着重要应用。
附图说明
图1为实施例1加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石静置陈化1天的扫描电镜图。
图2为实施例1加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石静置陈化2天的扫描电镜图。
图3为实施例1加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石静置陈化3天的扫描电镜图。
图4为实施例1加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石静置陈化4天的扫描电镜图。
图5为MC3T3细胞在不含材料的培养基、碳酸根掺杂羟基磷灰石和实施例1制得的加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石中培养1天和3天的活死染色图,其中(a~f)和(g~l)分别是培养1天和3天的活死染色图。
图6为MC3T3细胞在不含材料的培养基(DMEM)、碳酸根掺杂羟基磷灰石(S1)和实施例1制得的加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石(S2-S5)中培养1天、3天和5天时,用CCK8试剂盒测量的细胞增殖图。
图7为实施例2制得的碳酸根掺杂羟基磷灰石(S1)、加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石陈化1-4天的羟基磷灰石(S2-S5)、EDTA和CTAB的红外光谱图。
图8为实施例2制得的碳酸根掺杂羟基磷灰石(S1)和加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石陈化1-4天的羟基磷灰石(S2-S5)的xrd图以及羟基磷灰石的标准PDF卡片PDF#09-0432。
图9为实施例3制得的碳酸根掺杂羟基磷灰石(S1)、加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石陈化1-4天的羟基磷灰石(S2-S5)、EDTA和CTAB的拉曼光谱图。
图10为对比例1中没加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石放大10000倍的扫描电镜图。
图11为对比例1中没加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石放大50000倍的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1
做四组平行试验,在烧杯中用20 mL去离子水将3.7 g氯化钙搅拌溶解,并取另一个烧杯用30 mL去离子水将2.64 g磷酸氢二铵搅拌溶解。
将0.0018 g的六水氯化铁加入钙盐溶液中,再将0.25 g的碳酸盐、5.84 g的EDTA和0.73 g的CTAB加入磷酸盐溶液中,待溶解后,将两种溶液转移至水热反应釜的聚四氟乙烯内衬中, 调节pH至10。
调节pH时可以采用采用氨水,也可以采用NaOH溶液。
在180 ℃水热反应24 h,充分反应后,关闭烘箱,将四组平行试验分别静置陈化1~4 天,取出先用乙醇洗涤三次,再用去离子水洗涤三次,冷冻干燥得到长度可控的棒状羟基磷灰石。
图1至图4分别为实施例1中加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石静置陈化1至4天的扫描电镜图。从图中可以看出,铁离子提供了生长位点,合成的羟基磷灰石围绕着铁离子生长,呈棒状且长度随陈化时间的增加而增长。用Image J软件对大于100根棒的长度进行统计,陈化1至4天的平均长度分别为167.56±29.11 nm、274.51±46.52 nm、754.32±96.05 nm、1.99±0.21 μm。
图5为MC3T3细胞在不含材料的培养基、碳酸根掺杂羟基磷灰石和实施例1制得的加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石中培养1天和3天的活死染色图,其中(a~f)和(g~l)分别是培养1天和3天的活死染色图。从图中可以看出,本专利合成的羟基磷灰石的细胞成活率高,可以促进细胞增殖,比细胞自然增长和在碳酸根掺杂羟基磷灰石中增长的细胞要多,说明制得的羟基磷灰石具有良好的生物相容性和生物活性。
图6为MC3T3细胞在不含材料的培养基(DMEM)、碳酸根掺杂羟基磷灰石(S1)和实施例1制得的加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石(S2-S5)中培养1天、3天和5天时,用CCK8试剂盒测量的细胞增殖图。由图可以看出,本专利合成的羟基磷灰石可以促进细胞增殖,比细胞自然增长和在碳酸根掺杂羟基磷灰石中的细胞增长的效果要好得多,说明制得的羟基磷灰石生物相容性好。
实施例2
做四组平行试验,在烧杯中用20 mL去离子水将3.7 g氯化钙搅拌溶解,并取另一个烧杯用30 mL去离子水将2.64 g磷酸氢二铵搅拌溶解。
将0.0009 g的六水氯化铁加入钙盐溶液中,再将0.19 g的碳酸盐、5.84 g的EDTA和0.7289 g的CTAB加入磷酸盐溶液中,待溶解后,将两种溶液转移至水热反应釜的聚四氟乙烯内衬中, 调节pH至9。
在150 ℃水热反应16 h,充分反应后,关闭烘箱,将四组平行试验分别静置陈化1~4 天,取出先用乙醇洗涤三次,再用去离子水洗涤三次,冷冻干燥得到长度可控的棒状羟基磷灰石。
图7为实施例2制得的碳酸根掺杂羟基磷灰石(S1)、加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石陈化1-4天的羟基磷灰石(S2-S5)、EDTA和CTAB的红外光谱图。由图中可知,962和1026 cm-1处的吸收峰为磷酸盐υ1和υ3振动模式。在563和600 cm-1处的吸收峰为磷酸盐υ4振动模式。3571 cm-1的峰应归属为羟基的振动峰。在1540 cm-1的吸收峰是A型取代羟基磷灰石的碳酸根的峰,在1457 cm-1的吸收峰是B型取代羟基磷灰石的碳酸根的峰。又因为B型取代的峰的强度比A型取代强,所以制得的羟基磷灰石以B型取代为主。而且制得的羟基磷灰石无EDTA和CTAB的峰,所以产品已经清洗干净。
图8为实施例2制得的碳酸根掺杂羟基磷灰石(S1)和加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石陈化1-4天的羟基磷灰石(S2-S5)的xrd图以及羟基磷灰石的标准PDF卡片PDF#09-0432。从图中可以看出,制得的羟基磷灰石的xrd图与PDF#09-0432的晶面一一对应,所以制得的羟基磷灰石很纯,没有其他磷酸盐的干扰。
实施例3
做四组平行试验,在烧杯中用20 mL去离子水将3.7 g氯化钙搅拌溶解,并取另一个烧杯用30 mL去离子水将2.64 g磷酸氢二铵搅拌溶解。
将0.0045 g的六水氯化铁加入钙盐溶液中,再将0.25 g的碳酸盐、5.84 g的EDTA和0.7289 g的CTAB加入磷酸盐溶液中,待溶解后,将两种溶液转移至水热反应釜的聚四氟乙烯内衬中, 调节pH至12。
在190 ℃水热反应36 h,充分反应后,关闭烘箱,将四组平行试验分别静置陈化1~4 天,取出先用乙醇洗涤三次,再用去离子水洗涤三次,冷冻干燥得到长度可控的棒状羟基磷灰石。
图9为实施例3制得的碳酸根掺杂羟基磷灰石、加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石陈化1-4天的羟基磷灰石、EDTA和CTAB的拉曼光谱图。从图中可以看出,制得的羟基磷灰石无EDTA和CTAB的峰,所以产品已经清洗干净。在959 cm-1处的峰是磷酸根的峰,在3571 cm-1处的峰为羟基的峰。因此,本专利合成的产物HA纯度较高。
对比例1
本对比例与实施例1唯一不同的是未加氯化铁,其余步骤相同。
图10为对比例1中没加氯化铁合成的碳酸根掺杂的羟基磷灰石放大1000倍和50000倍的扫描电镜图。由图可知,当不加氯化铁时,形状是散乱无序的,当放大到50000倍时可以看出,样品的微观结构呈米粒状,与所得的棒状羟基磷灰石形貌相差很远。
经实验,上述钙离子与磷酸根离子的用量摩尔比为1.5~2 : 1;优选用量为1.67:1;六水氯化铁加入钙盐溶液中时,六水氯化铁的重量为可溶性钙盐重量的0.01%~0.05%;将可溶性碳酸盐、乙二胺四乙酸和十六烷基三甲基溴化铵加入磷酸盐溶液中时,其中磷酸根离子、乙二胺四乙酸和十六烷基三甲基溴化铵的摩尔比为10 : 10 : 1,碳酸盐用量为磷酸盐重量的12%~18%;水浴反应时调节pH至9~12;在150-190 ℃水热反应16~36 h,优选160-180 ℃,反应时间为20-32 h后,自然降温并静置陈化1~4 天后,取出先用乙醇洗涤2-3次,再用去离子水洗涤2-3次,冷冻干燥得到长度可控的棒状羟基磷灰石。
可溶性磷酸盐还可选自十二水磷酸氢二铵、磷酸钠或磷酸二氢钾;调节pH时采用氨水或NaOH;可溶性碳酸盐为碳酸氢铵、碳酸钠或碳酸氢钠的一种。
本发明并不局限于上述实施例,在本发明公开的技术方案的基础上,本领域的技术人员根据所公开的技术内容,不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形,这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种长度可控的棒状羟基磷灰石的制备方法,其特征在于,包括步骤如下:
(1)分别以去离子水将可溶性钙盐、可溶性磷酸盐搅拌溶解在容器中;钙离子与磷酸根离子的用量摩尔比为1.5~2 : 1;
(2)将相应量的六水氯化铁加入钙盐溶液中,六水氯化铁的重量为可溶性钙盐重量的0.01%~0.05%;
(3)将可溶性碳酸盐、乙二胺四乙酸和十六烷基三甲基溴化铵加入磷酸盐溶液中,其中磷酸根离子、乙二胺四乙酸和十六烷基三甲基溴化铵的摩尔比为10 : 10 : 1,碳酸盐用量为磷酸盐重量的12%~18%;
(4)待溶解后,将步骤(2)、(3)获得的两种溶液混合转移至水热反应釜中, 调节pH至9~12;在150-190 ℃水热反应16~36 h,充分反应后,自然降温并静置陈化1~4 天后,取出先用乙醇洗涤2-3次,再用去离子水洗涤2-3次,冷冻干燥得到长度可控的棒状羟基磷灰石。
2.根据权利要求1所述的一种长度可控的棒状羟基磷灰石的制备方法,其特征在于,所述可溶性钙盐为氯化钙。
3.根据权利要求1所述的一种长度可控的棒状羟基磷灰石的制备方法,其特征在于,所述的可溶性磷酸盐选自十二水磷酸氢二铵、磷酸钠或磷酸二氢钾。
4.根据权利要求1所述的一种长度可控的棒状羟基磷灰石的制备方法,其特征在于,调节pH时采用氨水或NaOH。
5.根据权利要求1所述的一种长度可控的棒状羟基磷灰石的制备方法,其特征在于,所述可溶性碳酸盐为碳酸氢铵、碳酸钠或碳酸氢钠。
6.根据权利要求1所述的一种长度可控的棒状羟基磷灰石的制备方法,其特征在于,所述水热反应温度为160-180 ℃,反应时间为20-32 h。
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