CN113080204B - 一种具有持久抗菌功能的载银磷酸钙及其湿法合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有持久抗菌功能的载银磷酸钙及其湿法合成方法。所述方法包括以下步骤：步骤（1）将氢氧化钙粉末充分分散于水中形成悬浊液；步骤（2）向步骤（1）得到的悬浊液中加入磷酸溶液并混合均匀以获得混合液；步骤（3）调节步骤（2）得到的混合液的pH值至7‑8.5，使其充分反应后再加入硝酸银溶液进行Ca²⁺和Ag⁺的离子交换；步骤（4）离子交换完毕后，将反应液过滤、清洗并收集沉淀物，随后将沉淀物干燥后煅烧，获得具有持久抗菌功能的载银磷酸钙。

Description

一种具有持久抗菌功能的载银磷酸钙及其湿法合成方法

技术领域

本发明涉及抗菌材料领域，尤其涉及一种具有持久抗菌功能的载银磷酸钙及其湿法合成方法。

背景技术

自上世纪90年代日本发生大肠杆菌大规模感染事件以来，抗菌材料作为一种新型生态功能材料应运而生，成为科研人员研究的热点之一。与有机抗菌材料相比，无机抗菌材料由于对细菌抑制作用较强，具有抗菌持久、广谱性、不易产生耐药性、耐热性好以及安全性高等特点，人们对它们的研究越来越重视。无机抗菌材料按照抗菌机理的不同主要分为载银、铜、锌等抗菌离子的离子型抗菌材料、光催化活性抗菌材料和金属氧化物抗菌材料三种，其中离子型无机抗菌材料因抗菌载体众多而受到广泛研究。磷酸钙是一种耐高温、生物相容性好的生物材料，由于其多孔性和离子可交换性同时也是一种优良载体。抗菌金属离子中以银离子杀菌效果最好，因此对载银磷酸钙的研究也最为广泛。

发明内容

第一方面，本发明提供一种具有持久抗菌功能的载银磷酸钙的湿法合成方法。所述湿法合成方法包括以下步骤：

步骤(1)将氢氧化钙粉末充分分散于水中形成悬浊液；

步骤(2)向步骤(1)得到的悬浊液中加入磷酸溶液并混合均匀以获得混合液；

步骤(3)调节步骤(2)得到的混合液的pH值至7-8.5，使其充分反应后再加入硝酸银溶液进行Ca²⁺和Ag⁺的离子交换；

步骤(4)离子交换完毕后，将反应液过滤、清洗并收集沉淀物，随后将沉淀物干燥后煅烧，获得具有持久抗菌功能的载银磷酸钙。

现有方法在使用湿法制备载银磷酸钙时，通常是将水溶性钙盐、磷酸盐和硝酸银同时置于同一溶液体系中共混进行反应，但是该方法生成磷酸钙的同时还不可避免地生成磷酸银沉淀，导致制备出的载银磷酸钙颜色发黄。本发明以氢氧化钙粉末作为原料，无需将氢氧化钙溶解而是将低溶解度的氢氧化钙粉末充分分散于水中形成悬浊液，首先使得氢氧化钙和磷酸完全反应，然后再加入硝酸银溶液进行离子交换。这不仅可以简化钙源的溶解步骤并拓宽钙源的原料种类，同时还能够避免磷酸银沉淀的生成，为制备高纯度的载银磷酸钙提供一种新思路。

较佳地，步骤(2)中，所述混合液中Ca/P摩尔比控制在1.5。

较佳地，步骤(3)中，所述反应温度为1-40℃，反应时间为4-6小时。

较佳地，步骤(3)中，使用氨水调节混合液的pH值。

较佳地，步骤(4)中，所述干燥温度为80-120℃，干燥时间为18-24小时。

较佳地，步骤(4)中，所述煅烧温度为800-1200℃，煅烧时间为1-1.5小时。

第二方面，本发明提供上述任一项所述的湿法合成方法获得的具有持久抗菌功能的载银磷酸钙。所述载银磷酸钙以β-磷酸三钙主晶相为载体，其中银以离子形式存在于β-磷酸三钙的晶格中。

较佳地，所述载银磷酸钙的最高银负载量为3.3wt％。

附图说明

图1为不同载银量的磷酸钙样品的XRD衍射分析图谱；图1中的菱形表示为Ca₃(PO₄)₂，三角表示为Ca₂P₂O₇，圆圈表示为CaHPO₄；

图2为实施例7的载银磷酸钙样品的EDS能谱图；

图3显示载银磷酸钙样品的Ag⁺溶出量随时间变化的关系；

图4显示了载银磷酸钙样品的热处理温度与Ag⁺释放的关系；

图5显示了载银磷酸钙样品的Ag⁺溶出量与银负载量的关系；

图6为载银磷酸钙(银负载量3.3wt％)的银离子释放随pH值的变化；

图7是抑菌圈宽度测定示意图；

图8是载银磷酸钙(银负载量3.3wt％)的抑菌圈示意图，其中(a)是大肠杆菌，(b)是白色葡萄球菌，(c)是枯草芽孢杆菌；

图9是经800℃煅烧1小时的的载银磷酸钙SEM照片；

图10是经1000℃煅烧1小时的载银磷酸钙的SEM照片；

图11是经800℃煅烧1小时的载银磷酸钙的FTIR光谱图。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

以下示例性说明本发明所述载银磷酸钙的湿法合成方法。

将氢氧化钙粉末分散于水中形成悬浊液。例如，将氢氧化钙粉末分散于去离子水中，同时高速搅拌。一些实施方式中，所述搅拌速度为1000-1500转/分钟。

向悬浊液中缓慢滴入磷酸溶液。本发明无需将氢氧化钙用无机酸溶解成可溶性的钙盐，而是通过氢氧化钙粉末和磷酸的发生酸碱反应，即可形成均一稳定的反应体系。磷酸溶液的加入量以使得Ca/P摩尔比控制在1.5为宜。通过将钙磷摩尔比控制在上述值，能够促进磷酸三钙相的生成。在加入磷酸溶液过程中仍然保持搅拌以使得各组分混合均匀获得混合液。

使用pH调节剂以调节混合液的pH值。可将混合液的pH值调节至7-8.5，保证磷酸的最终水解产物是PO₄ ^3-离子，以利于后续磷酸三钙的生成。例如可使用质量分数0.1％-0.8％的氨水。作为优选，将混合液的pH值调节至7.4。

使得调节pH后的混合液充分反应。判断反应是否充分，可以监测溶液中的Ca²⁺、PO4^3-浓度；如果浓度很低，可以认为反应基本完成。上述反应过程可在常温下进行。

反应完成后，再向反应体系中加入硝酸银溶液进行Ca²⁺和Ag⁺的离子交换。本发明的制备方法中，无需将反应生成的磷酸钙过滤成粉末然后又加入到硝酸银溶液中进行离子交换，而是将反应完成后直接在体系中加入硝酸银溶液进行离子交换。这种操作方法的好处是不仅节省了工序，而且也节省了成本。而且，本方法避免了硝酸银和磷酸盐同时进行反应不可避免地生成磷酸银沉淀。

离子交换完毕后，将反应液过滤并收集沉淀物，随后将沉淀物干燥并煅烧，即得具有持久抗菌功能的载银磷酸钙。

一些实施方式中，所述煅烧温度为800-1200℃，煅烧时间为1-1.5小时。从实验结果得知800℃以上即可使得无定形磷酸钙转化为β-磷酸三钙。

XRD分析表明，一步湿法合成载银磷酸钙，未发现单质Ag、Ag₂O、Ag₃PO₄的衍射峰，说明Ag⁺进入到了磷酸钙的晶格中，也未改变磷酸钙的基本骨架结构。

综上，本发明以Ca(OH)₂、H₃PO₄、AgNO₃为原料一步湿法合成载银磷酸钙。其中磷酸钙的晶相组成与反应过程中控制的Ca/P摩尔比、pH值大小等有关。例如，当Ca/P摩尔比为1.5、PH值控制在7.4时，合成的主晶相为磷酸三钙(β-TCP)。一些实施方式中，硫酸钙的最高载银量达到3.3wt％，缓释性能优良。

载银磷酸钙的缓释性能与制备条件、载银量、使用环境有关。本发明制得的载银磷酸钙适宜在弱酸性或偏碱性环境下使用。

另外本发明还选用了大肠杆菌、白色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌作为抗菌目标，它们是最具代表性的革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌。抗菌测试表明，载银量为3.3wt％的磷酸钙对它们均有良好的灭杀作用，抑菌圈的宽径比平均达0.3以上，是一种优良的具有广谱抗菌性的无机抗菌材料。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

用GFU-202型原子吸收分光光度计对载银磷酸钙进行Ag⁺缓释测试分析。

用BD-86型X射线衍射仪对原料及试样结构进行测试分析，测试条件为：Cu靶，石墨晶体单色器，测定角度10～80°，工作电压为40kV，工作电流为40mA，扫描速度为4°/min。

用Finder1000型X射线能量散射分析仪对载银磷酸钙进行银离子含量分析，测试条件为：工作电压为20keV,角度为17.31°。

用抑菌圈法进行载银磷酸钙的抗菌性能测试。

实施例1-7

将74g Ca(OH)₂粉末分散于800mL去离子水中，同时以1000转/分钟保持高速搅拌，然后缓慢滴入330mL、2mol/L的H₃PO₄溶液，充分搅拌均匀形成混合液。Ca/P的摩尔比控制为1.5。用NH₃·H₂O将混合液的pH调节至7.4，待其充分反应后再加入适量AgNO₃溶液进行离子交换。交换完毕后将反应液过滤并用去离子水充分冲洗。将所得到的沉淀物在90℃下干燥24h，之后在800℃煅烧1小时便得到载银磷酸钙。实施例1-7的区别仅在于通过加入不同量的AgNO₃溶液以获得不同银负载量的载银磷酸钙。

实施例1-7在pH值相同的情况下制得不同载银含量的磷酸钙样品，其中1号未载银(载银量为0)，2至7#的载银量分别为1.63wt％、2.27wt％、2.67wt％、2.96wt％、3.18wt％、3.3％(质量分数)。图1为不同载银含量的样品经800℃煅烧后得到的XRD衍射分析图谱。从图1中可以看出，磷酸钙样品的主要衍射峰与Ca₃(PO4)₂的衍射标准图谱非常稳合，不同掺银量并未对衍射图谱产生明显影响，说明样品的主晶相为磷酸三钙(β-TCP)，同时图谱中未发现单质Ag、Ag₂O、Ag₃PO4的衍射峰，说明Ag是以离子形式存在于磷酸钙的晶格中。

图2为实施例7的载银磷酸钙样品的EDS能谱图。从图2中可以清楚地看到银元素的存在峰。计算可知载银量为3.3wt％。

实施例8

静态释放试验过程为：取制备好的载银磷酸钙粉体，过325目筛，将过筛后的样品按每份0.2g分成5份分别置于小烧杯中，各加入50mL溶剂，充分混匀，再依次静置3h、6h、12h、24h、72h和168h。之后用高速离心机在5000转/分钟以上的速度下进行离心15分钟，实现固液分离。分离出来的六种清液分别记为1、2、3、4、5、6号，然后用原子吸收分光光度计测定清液中的Ag⁺的含量。

试验样品采用经800℃烧结1h、含银量为3.3wt％磷酸钙粉体，溶剂为去离子水。图3显示了Ag⁺溶出量随时间变化的关系。从图3中可以看出，Ag⁺在初期的溶出量比较小，但释放速度随后迅速提高，24小时后释放速度开始变慢，然后逐渐达到一个比较稳定的状况，经过168小时之后，Ag⁺离子的溶出量达到2.287μg/mL。Ag⁺离子的释放保持这种比较稳定的状况一方面保证其有较好的抗菌性能，另一方面也保证其有比较长的使用期限。

实施例9

与实施例7基本相同，区别仅在于：对载银磷酸钙进行不同温度下的热处理。对热处理后的载银磷酸钙样品进行Ag⁺溶出量测定，测定结果如图4(静置时间为168小时)。从图4中可以看出，未烧样品的Ag⁺的溶出量要远高于经过热处理样品的溶出量。未烧前Ag⁺的溶出量为23.14μg/mL，随着热处理温度升高，Ag⁺的溶出量急剧减少，经800℃处理后样品溶出量为2.29μg/mL。这是因为未经热处理样品中的Ag⁺与磷酸钙的结合力很弱，只吸附在表面，当再加入溶液中，Ag⁺便能很容易地脱离表面吸附而释放出来。经过热处理后，磷酸钙逐步烧结，晶粒生长，孔隙减少，比表面积减小。特别是经过800℃以上的温度处理后，Ag+与磷酸钙实现了固溶，这时结合力大大增强，释放速度逐渐变缓，从而可以达到一个缓释的效果。随着温度继续升高，Ag⁺在高温下挥发，在载体中的含量会逐渐减少，也会影响它的溶出量。

实施例10

研究实施例1-7的磷酸钙样品的载银量对Ag⁺溶出的影响。实验过程按照静态试验方法，溶剂为去离子水，样品浸泡后静置168h，其它实验条件保持不变，得到Ag⁺溶出量与其在载体中含量的关系，如图5所示。从图5中可以看到，随着载体中Ag⁺的含量逐渐增加，在相同时间内的溶出量也会随着增加。

实施例11

用稀HNO₃和NaOH溶液配制不同pH值水溶液检测了Ag⁺释放，中性溶液用去离子水。图6为载银3.3wt％磷酸钙随pH值变化银离子的释放关系，从图6中可以看出，pH值对Ag⁺释放的影响比较大。不论是在酸性还是碱性的环境下，Ag⁺的溶出量比在中性环境下都有增加的现象。但是酸性溶液比碱性溶液对Ag⁺的溶出量的影响大得多。这是因为溶液呈酸性时，体系中含有比较多的H⁺，当酸性很强时，会导致磷酸钙直接溶解，晶格中的Ag⁺全部释放出来，随着酸性的减弱，对磷酸钙的溶解能力的影响也会减小，溶液中的Ag⁺也会大大减少。当酸性非常弱时，对磷酸钙的溶解不会造成大的影响，但是环境体系中的H⁺会与磷酸钙晶格中的Ag⁺发生离子交换，把Ag⁺从骨架中置换出来。当环境体系为碱性时，溶液中的Na⁺也会置换部分Ag⁺，但是它的置换能力比H⁺弱，因此对Ag⁺释放的影响也比较小。这说明以磷酸钙作为载体的无机抗菌材料一般适合在弱酸性和碱性环境下使用，Ag⁺才能缓慢释放，这样才能保证比较好的抗菌持久性。

实施例12

抑菌圈法是通过观测抑菌圈的大小来判断抗菌材料抗菌能力的大小。抑菌圈示意图如图7所示。为了消除试样大小对抑菌圈宽度的影响，以滤纸片单位直径的抑菌圈宽度ω/D表示抑菌效果((D为滤纸片直径)。为了考查该抗菌材料的广谱抗菌性，研究中选用了大肠杆菌、白色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌三种菌种，它们是最具有代表性的革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌。培养基采用的是蛋白胨琼脂培养基，其组成为：蛋白胨10g，牛肉膏3g，琼脂15～20g，NaCl5g，水1000ml，pH值7.0～7.2，高温高压下灭菌20min。抑菌圈的计算公式为：ω＝(ω₁+ω₂)/2式中,ω₁、ω₂分别表示抑菌圈宽。

表1示出抑菌性能的测试结果。

表1含银3.3wt％的磷酸钙抗菌检测结果

菌种	抑菌圈直径(mm)	宽径比
			大肠杆菌	8.75	0.375
白色葡萄球菌	8.25	0.325
			枯草芽孢杆菌	7.5	0.25

图8是含银3.3wt％的磷酸钙在去离子水中浸泡1h后的抑菌圈照片。照片中的白色圆圈是滤纸片，滤纸片的外围是一圈透明的抑菌圈，抑菌圈的外围是长满了细菌的部位。抑菌圈越大，越透明，表明该抗菌材料中含杀菌离子的扩散效果越好，抗菌材料抗菌效果也越好。由于滤纸片浸渍的是抗菌材料在去离子水中浸泡1h后的上层清液，所以不能在抑圈中直接反映该抗菌材料的杀菌离子的扩散能力，清液中所含样品溶出的Ag⁺数量就决定了抑菌圈的大小。从图8中可以看到含银3.3wt％的磷酸钙对大肠杆菌、白色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌的抑菌效果非常明显，尤其是对大肠杆菌的抑菌效果最为明显。表明该抗菌材料不仅有较好的抗菌效果，而且具有比较好的广谱抗菌性。

对比例

对比了不同银含量的磷酸钙的抗菌性能，结果表明随着银含量的增加，抗菌性能也增强。

图9是经800℃煅烧1小时的的载银磷酸钙SEM照片。图10是经1000℃煅烧1小时的载银磷酸钙的SEM照片。发现随着煅烧温度不断升高，晶粒迅速长大。由此可见煅烧温度的选择一是使晶形稳定，银离子实现固溶，二是可以依据载银磷酸钙的使用环境温度来适应性选择煅烧温度。

图11是经800℃煅烧1小时的载银磷酸钙的FTIR光谱图。图11中谱线1为经800℃煅烧1小时的载银磷酸钙FTIR光谱图，谱线2为分析纯磷酸钙FTIR光谱图。图中563.05cm^-1、588.20cm^-1、603.13cm^-1、612.70cm^-1、962.04cm^-1、972.48cm^-1、1038.84cm^-1、1085.94cm^-1处的吸收峰为PO₄ ^3-离子的吸收峰。可以看到，PO₄ ^3-离子的骨架振动由未掺杂银离子时的单峰变为掺入银离子之后的分裂峰或峰展宽，这表明骨架振动在受到外来离子的影响后产生了畸变振动。这也反映了银离子在磷酸钙中的存在形式。此外还可以看到在掺杂银离子之后，磷酸钙的吸收峰普遍移向高波数，表现为蓝移。

Claims (5)

1.一种具有持久抗菌功能的载银磷酸钙的湿法合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤（1）将氢氧化钙粉末充分分散于水中形成悬浊液；

步骤（2）向步骤（1）得到的悬浊液中加入磷酸溶液并混合均匀以获得混合液；

步骤（3）调节步骤（2）得到的混合液的pH值至7-8.5，使其充分反应后再加入硝酸银溶液进行Ca²⁺和Ag⁺的离子交换；

步骤（4）离子交换完毕后，将反应液过滤、清洗并收集沉淀物，随后将沉淀物干燥后煅烧使银离子与磷酸钙实现固溶，煅烧温度为800-1200℃，煅烧时间为1-1.5小时，获得具有持久抗菌功能的载银磷酸钙；所述载银磷酸钙以β-磷酸三钙主晶相为载体，其中银以离子形式存在于β-磷酸三钙的晶格中，所述载银磷酸钙的最高银负载量为3.3wt%。

2.根据权利要求1所述的湿法合成方法，其特征在于，步骤（2）中，所述混合液中Ca/P摩尔比控制在1.5。

3.根据权利要求1所述的湿法合成方法，其特征在于，步骤（3）中，所述反应温度为1-40℃，反应时间为4-6小时。

4.根据权利要求1所述的湿法合成方法，其特征在于，步骤（3）中，使用氨水调节混合液的pH值。

5.根据权利要求1所述的湿法合成方法，其特征在于，步骤（4）中，所述干燥温度为80-120℃，干燥时间为18-24小时。

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