CN111704120B - 一种基于微流控的改性羟基磷灰石粉体的可控制备方法及羟基磷灰石纳米粒子 - Google Patents

一种基于微流控的改性羟基磷灰石粉体的可控制备方法及羟基磷灰石纳米粒子 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微流控的改性羟基磷灰石粉体的可控制备方法，使用Y型结构的微流道芯片作为反应容器，以矿物油/油酸/Span‑80为含有乳化剂的油相，无机钙离子/聚丙烯酸钠水溶液、氨水/磷酸根离子水溶液为水相，在微流液滴中形成磷酸钙晶核，并进一步生长至球型/梭型羟基磷灰石纳米粒子，得到的羟基磷灰石纳米粒子粒径可控，其粒径分布介于3nm至80nm之间。本发明制备的羟基磷灰石纳米粒子具有高分散性，同时具备良好的生物相容性，能够运用于化妆品防晒剂、摩擦剂、遮瑕剂等多个领域。

Description

一种基于微流控的改性羟基磷灰石粉体的可控制备方法及羟 基磷灰石纳米粒子
【技术领域】
本发明涉及无机材料制备工艺技术领域，尤其涉及一种基于微流控的改性羟基磷灰石粉体的可控制备方法及羟基磷灰石纳米粒子。
【背景技术】
羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2，Hydroxyapatite，HAP)是人体硬组织中的主要无机成分。该成分对人体具有良好的生物相容性，同时具有无免疫抗原性、无致肿瘤性、无致畸性等优点，首先被广泛应用于硬组织修复领域，如牙种植体涂层、骨修复支架等。当羟基磷灰石达到纳米尺度时，具有优异的生物降解性。降解产物分别为磷酸根与钙离子，均为人体本身所需的无机盐，尤其钙离子对于皮肤组织具有刺激修复的作用。同时，近期的研究也发现，纳米级的羟基磷灰石具有涂抹后不泛白的特性，长期使用也不会产生皮肤上的固体累积与残留。因此，羟基磷灰石在化妆品领域的应用日益增加，包括配方中作为肤感调节剂、防晒剂、摩擦剂、粉底组成和高效吸附载体等。
羟基磷灰石的常用合成工艺为微乳液法、液相沉淀法、溶胶凝胶法、水热法等。在反应过程中，工艺参数通常包括反应温度、前驱物离子浓度、陈化时间、溶液pH值等。上述合成工艺与反应参数对最终产物的理化特性如粒径、形貌、晶形、稳定性、分散性等均有影响，理化特性又将进一步影响到粒子的功能，如紫外线屏蔽性能、吸附性能等。传统上的合成工艺，对于最终制备得到的粒子控制性较差，往往会产生严重的团聚；另一方面，所得粒子的形貌规整度较差，且产物粒径较大。当前工艺很难满足对羟基磷灰石理化特性的需求。
微流控技术最初应用于分析化学领域，并逐渐被用于纳米粒子的制备。微流道技术能够精确控制合成材料的组分和比例，同时具有连续性生产和制备的优势。同时，由于微流液滴的空间限域作用，得到的产物具有规则的形貌和均匀的粒径分布，同时能够制备出粒径较小的高分散纳米颗粒。相比之下，市场上现有的化妆品用羟基磷灰石粉体粒径在微米级或几百纳米级，同时分散性差，降低其护肤品使用中的肤感和作为活性物的功效。因此，将微流道技术与纳米粒子合成相结合，在化妆品相关纳米粉体的制备中具有优势与潜力。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种基于微流控的改性羟基磷灰石粉体的可控制备方法，利用微流道芯片的空间限域作用，通过在水相中引入聚丙烯酸钠成核抑制剂，可控合成了高分散小粒径的羟基磷灰石纳米粒子。通过调节水相中前驱物浓度、成核抑制剂比例、以及后处理温度和陈化时间，实现聚丙烯酸钠改性的羟基磷灰石的可控制备。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种羟基磷灰石纳米粒子的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(a)配置CaCl2水溶液，将聚丙烯酸钠水溶液加入CaCl2水溶液，搅拌混合2～6h，形成稳定羧基/钙离子络合物，作为A相；
(b)配置(NH4)2HPO4水溶液，用氨水将(NH4)2HPO4水溶液pH调节为8～11，作为B相；
(c)配置矿物油/油酸/Span-80混合相，搅拌混合1h，形成均匀的油溶液，作为C相；
(d)采用微流控技术将钙与磷前驱液A相与B相分别置于两路通道中，以C相为连续相填满微流通道，同时利用气压挤压A、B两相进入反应系统，于Y型反应器两相交汇处形成磷酸钙初级晶核，并限制于油相基质微液滴中；
(e)收集步骤(d)中磷酸钙初级晶核，加入水溶液后施加搅拌与超声处理，得到均匀分散的纳米粒子水溶液，对纳米粒子水溶液进行热处理和陈化，其中，热处理温度为25～90℃，陈化时间为2～48h；
(f)陈化结束后，使用乙醇溶液离心、洗涤三遍后收集沉淀，冻干后得到羟基磷灰石纳米粒子粉末。
优选的，在步骤(a)中，CaCl2水溶液的浓度为0.01M～0.04M，聚丙烯酸钠添加量为2～4mg/mL，分子量10000Da～30000Da。
优选的，CaCl2水溶液的浓度0.01M，聚丙烯酸钠添加量为4mg/mL，分子量30000Da。
优选的，在步骤(b)中，(NH4)2HPO4水溶液的浓度为0.006M～0.023M。
优选的，在步骤(c)中，矿物油/油酸/Span-80的比例为98:1:1。
优选的，在步骤(d)中，通过调节气压装置，控制A,B相进液速度为1～100μL/h，C相进液速度为10～400μL/h。
优选的，在步骤(e)中，用10000～12000rpm的转速高速离心15～20min后收集沉淀，收集沉淀后，控制后续热处理温度为25～90℃，陈化时间为2～48h。
优选的，在步骤(f)中，使用乙醇溶液破乳后离心、洗涤三遍，收集沉淀以去除残留氨水与未反应的无机盐离子，收集沉淀粒子，在-20℃下预冻，放入冻干机冻干12～24h。
本发明还提供了一种羟基磷灰石纳米粒子，所述羟基磷灰石纳米粒子采用所述的基于微流控的改性羟基磷灰石粉体的可控制备方法制备。
优选的，所述纳米粒子为球型/梭型聚丙烯酸钠/磷灰石纳米粒子，粒径为5～80nm。
与相关技术相比，本发明提供的基于微流控的改性羟基磷灰石粉体的可控制备方法具有如下优点：
(1)本发明的羟基磷灰石纳米粒子基于微流控工艺制备，微流芯片采用了Y型设计，连续相为矿物油与表面活性剂复合物，流动相分别为钙盐与磷酸盐，该体系能够形成稳定的油包水微流液滴，限制磷酸钙的成核发生在液滴中，从而控制其晶体生长，保障形貌的规整性和产物粒子的高分散性，提高其在化妆品相关产品中的应用效果；
(2)本发明中添加了聚丙烯酸钠为结晶抑制剂，抑制磷酸钙的过快成核，通过聚丙烯酸钠聚合物的引入，能够使得沉淀反应速率减缓，防止堵塞微流通道，同时，聚丙烯酸钠的引入能够实现羟基磷灰石直接的表面改性，大分子量的聚丙烯酸钠一方面提供了空间位阻，一方面聚羧基结构提供了静电斥力，共同作用抑制后续团聚；
(3)本发明所采用原料均无毒绿色、生物安全性极佳、来源丰富易得，均在化妆品原料使用目录中，没有使用风险，所得的改性羟基磷灰石纳米粒子具有粒径小，且在5-80nm间可控，该纳米粒子具有分散性好，形貌规整、生物相容性高的优点，同时，目前连续化的制备工艺对进一步的放大和生产也有借鉴意义。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为微流道工艺的具体示意图，其中a为微流工艺装置，b为所使用的微流芯片示意图；
图2为不同聚丙烯酸钠添加量下，微流液滴尺寸与流道状态的光学照片；
图3为不同聚丙烯酸钠添加量下，羟基磷灰石初级晶核透射电镜下微观形貌；
图4为不同聚丙烯酸钠添加量下的粒径和晶相考察结果，其中a1-c1是粒子动态光散射下粒径、a2-c2是XRD物相分析；
图5为非微流道体系下，聚丙烯酸钠添加量为4mg/mL,分子量30000Da，钙离子为最佳浓度0.01M条件下收集的初级晶核透射电镜图；
图6为微流道体系下，无聚丙烯酸钠添加条件下收集的初级晶核透射电镜图；
图7为不同初始反应液浓度下，羟基磷灰石初级晶核透射电镜下微观形貌；
图8为不同热处理温度下产物粒子形貌；
图9为不同陈化时间下产物粒子形貌。
【具体实施方式】
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数是重量百分比和重量份数。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1
纳米羟基磷灰石晶核的制备
首先配制浓度为0.01M的CaCl2水溶液，加入分子量为30000Da的聚丙烯酸钠水溶液，二者搅拌混合6h。同时，配制浓度为0.006M的(NH4)2HPO4的水溶液，并用氨水调节pH为10。做三组平行试验，加入的聚丙烯酸钠水溶液0～4mg/mL。
参阅图1所示，配置油相溶液作为微流体系的连续相，油相组成为矿物油、油酸与Span-80，其比例为98:1:1。将钙与磷前驱液A相与B相分别置于微流体系的两路水相通道中，将C相矿物油置于油相通道中，同时利用气压挤压A、B两相进入反应系统，于Y型反应器两相交汇处形成磷酸钙初级晶核，在微流道体系尾部直接收集沉淀物。
从图2中可见，在聚丙烯酸钠添加量较低时，钙磷迅速接触反应生成固体磷酸钙产物，在微流道两相交汇处产生了明显的磷酸钙沉淀，并堵塞了出口，得到的液滴尺寸分布广。随着聚丙烯酸钠的添加量增加，堵塞情况逐渐减轻，得到的油包水液滴尺寸缩小，即磷酸钙晶核粒径均匀。
收集产物后，测定微观结构与形貌。称取适量产物粒子，加入无水乙醇中超声分散，取少量粒子悬液滴于铜网上，待样品干燥后采用透射电子显微镜(JEM-2100)观察粒子的表面形貌和大小。由图3结果可见，产物粒子皆为类球型形貌纳米颗粒。随聚丙烯酸钠添加量的增长，其粒径由30nm～40nm缩小至3nm～5nm。图4中的动态光散射数据表征了其粒径范围在3nm～60nm之间，具有随聚丙烯酸钠添加量增加而减小的趋势，与透射电镜直接观测结果相符。同时，图4中的XRD测试表征了产物粒子的物相。由数据可见，初级晶核的XRD图像呈弥散馒头峰，表明得到的磷酸钙产物主要为无定形态，与其各向同性生长形成球形形貌的结果相一致。
对比例1
在对比例1中，配制浓度为0.01M的CaCl2水溶液，加入终浓度为4mg/mL、分子量为30000Da的聚丙烯酸钠水溶液，二者搅拌混合6h。同时，配制浓度为0.006M的(NH4)2HPO4的水溶液，并用氨水调节pH为10。与实施例1不同，对比例1中不采用微流道装置，反应体系仅为液相沉淀法。在沉淀产生后，收集沉淀物并进行透射电镜观测。
如图5可见，在无微流道体系存在下，所得到的纳米羟基磷灰石晶核粒径在40nm～60nm之间，同时能观察到较为明显的粒子团聚现象。结果表明，在没有微流道体系的参与的情况下，所得到的产物粒子规整度、分散性均有明显的下降。
对比例2
配制浓度为0.01M的CaCl2水溶液，同时配制浓度为0.006M的(NH4)2HPO4的水溶液，并用氨水调节pH为10。配置油相溶液作为微流体系的连续相，油相组成为矿物油、油酸与Span-80，其比例为98:1:1。将钙与磷前驱液A相与B相分别置于微流体系的两路水相通道中，将C相矿物油置于油相通道中。同时利用气压挤压A、B两相进入反应系统，于Y型反应器两相交汇处形成磷酸钙初级晶核。在微流道体系尾部直接收集沉淀物。与实施例1不同，对比例2中不添加聚丙烯酸钠。在沉淀产生后，收集沉淀物并进行透射电镜观测。
该反应体系在反应10min内，就出现微流道口堵塞的现象。收集10min内所获得的羟基磷灰石纳米晶核，并通过透射电镜对其微观形貌和粒径大小进行观测。由图6可以发现，单个粒子颗粒粒径约在20nm～40nm之间，但粒子之间团聚现象严重。该结果表明，当不引入聚丙烯酸钠抑制磷酸钙成核、抑制粒子之间相互结合时，产物粒子的分散性下降严重。
实施例2
纳米羟基磷灰石晶核的制备
首先配制浓度为0.01M至0.04M的CaCl2水溶液，加入分子量为30000Da、终浓度4mg/mL的聚丙烯酸钠水溶液，二者搅拌混合6h。同时，配制浓度为0.006M的(NH4)2HPO4的水溶液，并用氨水调节pH为10。配置油相溶液作为微流体系的连续相，油相组成为矿物油、油酸与Span-80，其比例为98:1:1。将钙与磷前驱液A相与B相分别置于微流体系的两路水相通道中，将C相矿物油置于油相通道中。同时利用气压挤压A、B两相进入反应系统，于Y型反应器两相交汇处形成磷酸钙初级晶核。在微流道体系尾部直接收集沉淀物。
由图7的透射电镜结果可以反映出钙磷前驱液浓度对沉淀反应与产物形貌具有重要影响。在较低浓度0.01M下，产物粒子分布均匀，为3nm以下球形颗粒；而随着反应浓度上升，粒子粒径增长至约8-10nm。
实施例3
纳米羟基磷灰石的制备
首先配制浓度为0.01M的CaCl2水溶液，加入分子量为30000Da、终浓度为4mg/mL的聚丙烯酸钠水溶液，二者搅拌混合6h。同时，配制浓度为0.006M的(NH4)2HPO4的水溶液，并用氨水调节pH为10。加入的聚丙烯酸钠水溶液。
配置油相溶液作为微流体系的连续相，油相组成为矿物油、油酸与Span-80，其比例为98:1:1。将钙与磷前驱液A相与B相分别置于微流体系的两路水相通道中，将C相矿物油置于油相通道中。同时利用气压挤压A、B两相进入反应系统，于Y型反应器两相交汇处形成磷酸钙初级晶核。在微流道体系尾部收集磷酸钙初级晶核，加入水溶液后施加搅拌与超声处理，得到均匀分散的纳米粒子水溶液。做三组平行样，控制热处理温度为25～90℃。陈化结束后，使用乙醇溶液离心、洗涤三遍后收集沉淀。冻干后得到羟基磷灰石纳米粒子粉末。
由图8中透射结果可见热处理温度对产物粒子粒径与形貌的影响。在25℃下，产物粒子为球形颗粒，粒径在5-8nm之间。随着反应温度的提高，粒子形貌发生明显改变，长径比逐步增长。当温度达到90℃时，产物粒子为梭型形貌，其长度达到约40nm。低温条件下磷酸钙以各向同性的方式生长形成球形无定形结构，高温利于以晶体c轴为轴向结晶形成梭型状产物。
实施例4
纳米羟基磷灰石的制备
首先配制浓度为0.01M的CaCl2水溶液，加入分子量为30000Da、终浓度为4mg/mL的聚丙烯酸钠水溶液，二者搅拌混合6h。同时，配制浓度为0.006M的(NH4)2HPO4的水溶液，并用氨水调节pH为10。加入的聚丙烯酸钠水溶液。
配置油相溶液作为微流体系的连续相，油相组成为矿物油、油酸与Span-80，其比例为98:1:1。将钙与磷前驱液A相与B相分别置于微流体系的两路水相通道中，将C相矿物油置于油相通道中。同时利用气压挤压A、B两相进入反应系统，于Y型反应器两相交汇处形成磷酸钙初级晶核。在微流道体系尾部收集磷酸钙初级晶核，加入水溶液后施加搅拌与超声处理，得到均匀分散的纳米粒子水溶液。控制热处理温度为25℃。做三组平行样，陈化时间为2～48h。陈化结束后，使用乙醇溶液离心、洗涤三遍后收集沉淀。冻干后得到羟基磷灰石纳米粒子粉末。
图9所示，不同陈化时间对粒子粒径具有明显影响。在2h下，粒子粒径仍旧为5nm以下，保持初始形貌与尺寸；当陈化时间延长至24h后，粒子略有聚集，同时球形小颗粒与针状颗粒二者共存；当时间进一步延长至48h后，产物粒子则以长梭型为主，其长度达到约80nm，表明延长陈化时间对能够促进羟基磷灰石的结晶生长。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，这些等价形式不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种基于微流控的改性羟基磷灰石粉体的可控制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
(a)配置CaCl2水溶液，将聚丙烯酸钠水溶液加入CaCl2水溶液，搅拌混合2～6h，形成稳定羧基/钙离子络合物，作为A相；
(b)配置(NH4)2HPO4水溶液，用氨水将(NH4)2HPO4水溶液pH调节为8～11，作为B相；
(c)配置矿物油/油酸/Span-80混合相，搅拌混合1h，形成均匀的油溶液，作为C相；
(d)采用微流控技术将钙与磷前驱液A相与B相分别置于两路通道中，以C相为连续相填满微流通道，同时利用气压挤压A、B两相进入反应系统，于Y型反应器两相交汇处形成磷酸钙初级晶核，并限制于油相基质微液滴中；
(e)收集步骤(d)中磷酸钙初级晶核，加入水溶液后施加搅拌与超声处理，得到均匀分散的纳米粒子水溶液，对纳米粒子水溶液进行热处理和陈化，其中，热处理温度为25～90℃，陈化时间为2～48h；
(f)陈化结束后，使用乙醇溶液离心、洗涤三遍后收集沉淀，冻干后得到羟基磷灰石纳米粒子粉末。
2.如权利要求1所述的基于微流控的改性羟基磷灰石粉体的可控制备方法，其特征在于，在步骤(a)中，CaCl2水溶液的浓度为0.01M～0.04M，聚丙烯酸钠添加量为2～4mg/mL，分子量10000Da～30000Da。
3.如权利要求2所述的基于微流控的改性羟基磷灰石粉体的可控制备方法，其特征在于，CaCl2水溶液的浓度0.01M，聚丙烯酸钠添加量为4mg/mL，分子量30000Da。
4.如权利要求1所述的基于微流控的改性羟基磷灰石粉体的可控制备方法，其特征在于，在步骤(b)中，(NH4)2HPO4水溶液的浓度为0.006M～0.023M。
5.如权利要求1所述的基于微流控的改性羟基磷灰石粉体的可控制备方法，其特征在于，在步骤(c)中，矿物油/油酸/Span-80的比例为98:1:1。
6.如权利要求1所述的基于微流控的改性羟基磷灰石粉体的可控制备方法，其特征在于，在步骤(d)中，通过调节气压装置，控制A,B相进液速度为1～100μL/h，C相进液速度为10～400μL/h。
7.如权利要求1所述的基于微流控的改性羟基磷灰石粉体的可控制备方法，其特征在于，在步骤(e)中，用10000～12000rpm的转速高速离心15～20min后收集沉淀，收集沉淀后，控制后续热处理温度为25～90℃，陈化时间为2～48h。
8.如权利要求1所述的基于微流控的改性羟基磷灰石粉体的可控制备方法，其特征在于，在步骤(f)中，使用乙醇溶液破乳后离心、洗涤三遍，收集沉淀以去除残留氨水与未反应的无机盐离子，收集沉淀粒子，在-20℃下预冻，放入冻干机冻干12～24h。
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