CN114886782A - 一种基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物及其制备方法和应用，所述活态钙复合物具有核壳结构，核中包括纳米羟基磷灰石，壳中由内向外次包括磷酸钙层和胶体层。本发明利用无定形磷硅酸钙降解产生纳米羟基磷灰石的特性，在体外经水降解生成羟基磷灰石，采用共沉淀和凝胶法依次在纳米羟基磷灰石的表面包覆一层由磷酸氢钙和磷酸三钙组成的磷酸钙层以及一层由硅酸钙、无定形磷硅酸钙释放出的硅酸形成的包含硅酸钙的胶体层；胶体层起分散作用，防止包覆磷酸钙层的纳米羟基磷灰石进一步团聚。在唾液中，进入牙小管后，胶体层吸水溶胀，快速封堵，同时活态钙与磷源组装成羟基磷灰石，实现长效封闭牙小管，促进牙釉质再矿化。

Description

一种基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物及其制备方法和 应用

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物及其制备方法和应用。

背景技术

牙釉质是牙齿表面的保护层，主要成分是羟基磷灰石。牙釉质表面磨损造成的牙本质小管开放是牙齿敏感的主要原因。目前通常采用向牙膏中添加如磷酸氢钙、磷酸三钙、磷酸四钙、生物玻璃等可以形成羟基磷灰石的生物矿物质粉封堵牙小管，改善牙本质小管开放的问题，而实际效果并不佳，主要原因有两个：一、刷牙时间短，远小于羟基磷灰石生成时间；二、牙本质小管直径只有几个微米，粉碎得到的各种磷酸钙粉体的粒径大部分是十微米级，很难嵌入牙本质小管内，尤其是牙本质小管受损初期，孔径只有一两个微米甚至更小。无定形磷硅酸钙是一种新型生物玻璃，降解产生羟基磷灰石；与磷酸钙相比，其能够更快速形成羟基磷灰石，但受生产工艺限制仍存在着粒径过大，无法嵌入牙本质小管中，且存在随着漱口清洁容易被清除掉的问题。目前的解决方法是在生物矿物质粉中加入高粘性聚合物，粘附在牙齿表面逐步矿化。这种方法尽管在暴露出的牙本质小管口形成一薄层羟基磷灰石，但随着牙齿日常磨损，牙小管很快又会暴露。因此如何在牙本质小管内部原位形成羟基磷灰石是亟待解决的问题。

发明内容

针对生物矿化物质粒径大、难以进入牙本质小管内部和生成羟基磷灰石慢的问题，本发明提供一种基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物及其制备方法和应用，所述方法通过将无定形磷硅酸钙在水中降解，使无定形磷硅酸钙转化为含有纳米羟基磷灰石的悬浊液，悬浊液中还含有磷酸三钙、磷酸氢钙，将悬浊液与硅酸钙溶液复配，形成凝胶，制备得到基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物。本发明制备的基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物用于制备可修复牙本质小管的制品，所述制品具有缩短的体内反应时间，并可进入牙本质小管内部后持续矿化达到深层完全封闭的效果。同时，可在牙齿表面促进牙釉质再矿化。

本发明的技术方案如下：

一种基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物，所述复合物具有核壳结构，核中包括纳米羟基磷灰石，壳中由内向外依次包括磷酸钙层和胶体层。

本发明中，所述纳米羟基磷灰石的活态钙复合物以纳米羟基磷灰石为核，核的外层包覆磷酸钙层，磷酸钙层的外层包覆胶体层，所述胶体层起分散作用，防止包覆磷酸钙层的纳米羟基磷灰石进一步团聚。

根据本发明，所述胶体层包括硅酸钙。

根据本发明，所述磷酸钙层包括磷酸氢钙和磷酸三钙。

根据本发明，所述磷酸钙层对核的包覆比为20～100％。

根据本发明，所述胶体层对磷酸钙层的包覆比为20～100％。

根据本发明，所述纳米羟基磷灰石的活态钙复合物的平均粒径D50为0.1微米～4微米，示例性地为0.1微米～1微米；其D90粒径为0.1微米～3微米。

本发明还提供一种所述基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)将无定型磷硅酸钙和磷酸钙在水中混合，得到混合物；

2)将步骤1)中混合物过滤后，取清液，得到含有纳米羟基磷灰石的悬浊液；

3)将步骤2)中悬浊液与硅酸钙溶液混合，加热，得到所述基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物。

根据本发明，步骤1)中，所述无定型磷硅酸钙的分子式为Ca₁₃P₈Si₂₀O₉₄。

根据本发明，步骤1)中，所述无定型磷硅酸钙以质量百分比100％计，包括CaO 15-40wt％、SiO₂ 30-60wt％和P₂O₅ 10-40wt％。示例性地，所述无定型磷硅酸钙以质量百分比100％计，包括CaO 29.1wt％、SiO₂ 48.2wt％和P₂O₅ 22.7wt％。

根据本发明，步骤1)中，所述无定型磷硅酸钙的平均粒径小于75μm。

根据本发明，步骤1)中，所述无定型磷硅酸钙的钙磷比为1.62。

根据本发明，步骤1)中，所述磷酸钙为混合物，示例性地，以质量百分比100％计，所述混合物包括磷酸四钙15～25wt％，磷酸三钙20～30wt％和磷酸氢钙40～60wt％。具体地，以质量百分比100％计，所述混合物包括磷酸四钙20wt％，磷酸三钙25wt％和磷酸氢钙55wt％。

根据本发明，步骤1)加入的原料中，以质量百分比100％计，包括无定型磷硅酸钙20～80wt％和磷酸钙20～80wt％。示例性地，所述无定型磷硅酸钙为20wt％、30wt％、40wt％、50wt％、60wt％、70wt％或80wt％；示例性地，所述磷酸钙为20wt％、30wt％、40wt％、50wt％、60wt％、70wt％或80wt％。

本发明步骤1)中，对加入的水的含量不作特别限定，以使无定型磷硅酸钙和磷酸钙部分溶解或完全溶解即可。例如，水的体积为无定型磷硅酸钙和磷酸钙的总体积的1倍以上，例如为1.5倍、2倍或更高。

本发明步骤1)中，无定形磷硅酸钙在水中部分降解为纳米羟基磷灰石和硅酸，形成的纳米羟基磷灰石粒径小、附着在未降解无定形磷硅酸钙表面，形成纳米羟基磷灰石和无定形磷硅酸钙混合物。

根据本发明，步骤2)中，可以采用水清洗混合物后过滤，例如可以采用滤膜过滤，例如滤膜的孔径为0.1微米。

本发明步骤2)中，采用水清洗可以将纳米羟基磷灰石和无定形磷硅酸钙混合物表面的纳米羟基磷灰石转移至溶液中。

根据本发明，步骤2)中，所述悬浊液中还包括磷酸三钙和磷酸氢钙。

根据本发明，步骤2)中，可以对过滤后残留的固体物采用水多次洗涤，再进行过滤，上述步骤可重复多次，以使残留的固体物表面的纳米羟基磷灰石转移至溶液中。

根据本发明，步骤2)中，还可以对清液加热蒸发，浓缩体积，得到含有纳米羟基磷灰石的悬浊液。示例性地，当清液的体积较大时，可以对清液加热蒸发浓缩。还示例性地，将清液浓缩至原体积的1/4。

根据本发明，步骤3)中，所述悬浊液与硅酸钙溶液的体积比为(2～5):1，示例性地为2:1、3:1、4:1或5:1。

根据本发明，步骤3)中，所述硅酸钙溶液是将硅酸钙溶于聚乙二醇中。进一步的，所述溶液中还加入水。

根据本发明，步骤3)中，所述硅酸钙溶液以质量百分比100％计，包括硅酸钙5-15wt％、聚乙二醇2-8wt％，其余水补足。

根据本发明，步骤3)中，所述聚乙二醇的数均分子量为200～400。

根据本发明，步骤3)中，可以先将步骤2)中悬浊液加热浓缩，再与硅酸钙溶液混合。示例性地，若步骤2)中悬浊液中含有较多的液相时，可以先对悬浊液加热浓缩。

根据本发明，步骤3)中，加热的温度为60℃～80℃，加热的时间为1h～5h，例如1h、2h、3h、4h或5h。

根据本发明，步骤3)中，还包括后处理步骤：对加热后的产物静置，形成凝胶，并将凝胶烘干和/或粉碎，得到所述基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物。

示例性地，静置时的温度为60～180℃，静置的时间为30min～120min。

本发明对后处理步骤中的烘干的温度不作特别限定，以得到干燥的基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物即可。示例性地，烘干的温度为60～180℃。

根据本发明，步骤3)中，所述基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物的平均粒径D50为0.1微米～4微米，例如为0.1微米～1微米；D90粒径为0.1微米～3微米。

作为本发明示例性的实施方案，所述基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物的制备方法，具体包括以下步骤：

S1)将无定形磷硅酸钙与磷酸钙(为混合物，具体包括磷酸四钙、磷酸氢钙和磷酸三钙)粉碎混合后浸入纯水中，得到混合物；

S2)采用水反复以高压冲洗步骤S1)中所述混合物；

S3)将冲洗后的混合物经滤膜过滤后，取清液加热蒸发浓缩体积，清液回收，再次采用水冲洗残留的固体物、过滤，取清液，得到含有纳米羟基磷灰石的悬浊液；

S4)将步骤S3)中含有纳米羟基磷灰石的悬浊液浓缩后加入硅酸钙溶液(即硅酸钙、聚乙二醇和水)，或者，将含有纳米羟基磷灰石的悬浊液直接与硅酸钙、聚乙二醇混合，进行预混合，同时加热蒸发浓缩，静置，得到凝胶；

S5)将步骤S4)中所述凝胶烘干后，粉碎，得到所述基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物。

羟基磷灰石的钙磷比为1.67，而本发明采用的无定形磷硅酸钙的钙磷比为1.62。由于无定形磷硅酸钙中钙含量小于羟基磷灰石，为加速羟基磷灰石形成，本发明加入钙磷比更高的磷酸四钙，同时加入微溶于水的磷酸氢钙和磷酸三钙调节混合物中钙磷比，无定形磷硅酸钙在水中降解，转化为纳米羟基磷灰石和硅酸，形成的纳米羟基磷灰石粒径小、附着在无定形磷硅酸钙表面，形成混合物，采用水清洗混合物，将混合物表面纳米羟基磷灰石转移至溶液中，溶液经滤膜过滤后，取清液，制得含有纳米羟基磷灰石的悬浊液，所述悬浊液中还含有微溶于水的磷酸氢钙和磷酸三钙，加热蒸干悬浊液，浓缩溶液，微溶于水的磷酸氢钙和磷酸三钙以纳米羟基磷灰石为核结晶析出，形成磷酸氢钙和磷酸三钙包裹的纳米羟基磷灰石微球，同时在加热蒸干浓缩的同时加入硅酸钙溶液，其与无定形磷硅酸钙释放出的硅酸共同作用，形成硅酸凝胶网络，起分散作用，防止纳米羟基磷灰石进一步聚集成大粒径的颗粒，形成凝胶，烘干后，粉碎成纳米团聚的羟基磷灰石的活态钙复合物。

本发明还提供上述基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物在制备可修复牙本质小管的制品中的应用。

本发明的有益效果

本发明利用无定形磷硅酸钙降解产生纳米羟基磷灰石的特性，在体外经水降解生成羟基磷灰石，采用共沉淀和凝胶法依次在纳米羟基磷灰石的表面包覆一层由磷酸氢钙和磷酸三钙组成的磷酸钙层以及一层由硅酸钙、无定形磷硅酸钙释放出的硅酸形成的包含硅酸钙的胶体层；胶体层起分散作用，防止包覆磷酸钙层的纳米羟基磷灰石进一步团聚。

本发明的基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物可显著提高牙本质小管封闭效果，缩短封闭时间，提高封闭效率。

本发明的基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物是纳米颗粒团聚，粒径小于4微米，可自由进入牙本质小管内部，硅酸层水化后快速封闭牙小管，将纳米羟基磷灰石固定在牙本质小管内。磷酸钙层中的磷酸氢钙和磷酸三钙发生自固化形成新的羟基磷灰石，使纳米羟基磷灰石晶核在较短的时间内生长，原位矿化并与牙本质小管壁融合，形成致密坚硬的羟基磷灰石，永久性封堵牙本质小管。

本发明所述的基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物具有以下特点，粒径小可进入牙本质小管，能快速自封闭，不易从牙本质小管中脱落，在纳米羟基磷灰石晶核上快速自固化形成新的羟基磷灰石，与牙本质小管的羟基磷灰石组分融合，达到永久性封闭牙本质小管的效果。因部分纳米羟基磷灰石在体外已预先形成，大幅缩短体内固化时间，实现牙本质小管快速封闭。原位自固化形成羟基磷灰石对牙釉质再矿化也有促进作用。

附图说明

图1是本发明基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物的工艺流程图。

图2是实施例1中基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物的粒径分布图。

图3是实施例1基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物矿化产物随时间变化的XRD图。

图4是实施例1和实施例2中基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物组成比例变化的XRD图。

图5是实施例3中基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物矿化2天后对牙小管封闭的SEM图。

图6是实施例3中基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物封闭牙小管的封闭率随时间变化图。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。

实施例1

基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物的制备

无定形磷硅酸钙由CaO、SiO₂和P₂O₅组成，质量分数分别为29.1wt％、48.2wt％、22.7wt％，化学分子式为Ca₁₃P₈Si₂₀O₉₄。无定型磷硅酸钙的平均粒径小于75μm。

磷酸钙组合物：磷酸四钙20wt％，磷酸三钙25wt％，磷酸氢钙55wt％。

硅酸钙溶液：8wt％硅酸钙，4wt％聚乙二醇，剩余含量为水，聚乙二醇分子量为400。

按照如图1所示工艺制备基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物，具体步骤如下：

1、固固混合：将无定形磷硅酸钙与磷酸钙组合物混合粉碎，其中无定形磷硅酸钙的质量分数为75wt％，磷酸钙组合物为25wt％；

2、浸泡冲洗：将上述固体原料置于2倍体积纯化水中浸泡5小时，制备混合物；

3、过滤回用：将上述混合物采用孔径0.1微米的微孔滤膜过滤，残留的固体物补水继续浸泡5小时后再过滤，得到粒径小于0.1微米的含有纳米羟基磷灰石的悬浊液；

4、溶胶凝胶：将上述含有纳米羟基磷灰石的悬浊液，搅拌，60℃加热，浓缩体积至1/4时，按照体积比4/1比例加入硅酸钙溶液，60℃保温60min，静置、形成凝胶。

5、烘干粉碎：热空气180℃加热快速烘干，再粉碎，即得到纳米羟基磷灰石的活态复合物。

上述纳米羟基磷灰石的活态复合物的粒径分布如图2，从图2可知，D90粒径在0.1～3微米范围内，平均粒径0.65微米。

将所得到的基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物浸泡在模拟体液(SBF溶液)中，30min、60min、120min后，离心收集进行XRD检测，测试结果如图3所示，从图3可以看出，与羟基磷灰石标准谱相比(PDF HA)，30min后有羟基磷灰石形成。可见，本发明制备基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物具有粒径小，可快速形成羟基磷灰石的特点。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，将实施例1步骤1中无定形磷硅酸钙的比例分别替换为20wt％(组1)，50wt％(组2)，对应的磷酸钙组合物为80wt％、50wt％其他步骤与实施例1相同。

采用实施例1中的方法，将不同含量的无定形磷硅酸钙制备的基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物在模拟体液(SBF溶液)中浸泡30min，比较三组形成羟基磷灰石的效果，其中，组1代表无定形磷硅酸钙含量为20wt％，组2代表无定形磷硅酸钙含量为50wt％，组3代表无定形磷硅酸钙含量为75wt％(即实施例1)，测试结果如图4所示，从图4可以看出，三组含量的无定形磷硅酸钙制备的基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物都能制备羟基磷灰石，其中组3的效果最好；且无定形磷硅酸钙的含量对羟基磷灰石的快速形成影响不显著，这表明采用本发明的方法能够显著提升无定形磷硅酸钙形成羟基磷灰石的能力，能够促使羟基磷灰石快速形成。

实施例3

将实施例1所得到的基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物用于封堵牙本质小管测试，分别检测1天、2天、4天、7天、14天的封堵效果。实验过程如下：

将基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物以20wt％比例加入甘油中搅拌均匀，用于涂布脱矿牙本质片。

脱矿牙本质片分为6组，分别为空白组(即不添加基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物的甘油溶液)、矿化时间分别为1天、2天、4天、7天和14天。具体过程为：将实施例1的基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物的甘油溶液，覆盖于整个牙刷的刷头，在150g力下用牙刷涂刷脱矿牙本质的冠侧面2min，去离子水冲洗表面20s(重复涂刷2min-冲洗3次)，放入模拟体液SBF溶液中，每24h替换SBF溶液。分别于1天、2天、4天、7天、14天取出，用去离子水轻轻冲洗/漂洗1min，3次，然后酒精梯度脱水，室温晾干。充分干燥后，在1500倍扫描电镜下观察矿化时间为2天的牙本质试片的牙本质小管堵塞情况，其SEM图如图5所示，从图5可以看出，牙本质小管的封闭率可达72％。

对牙本质片开口小管计数，计算牙小管的封闭率，测试结果如图6所示，测试结果显示，在1天时，牙本质小管封闭率达到61.5％，14天可达到95.5％；而空白组直到14天时，没有任何矿化层的形成，封闭率为0；表明本发明的基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物可有效封闭牙本质小管。

以上，对本发明的实施方式进行了示例性的说明。但是，本发明的保护范围不拘囿于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，本领域技术人员所作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物，其特征在于，所述复合物具有核壳结构，核中包括纳米羟基磷灰石，壳中由内向外依次包括磷酸钙层和胶体层。

2.根据权利要求1所述的活态钙复合物，其特征在于，所述胶体层包括硅酸钙；和/或，

所述磷酸钙层包括磷酸氢钙和磷酸三钙；和/或，

所述纳米羟基磷灰石的活态钙复合物的平均粒径D50为0.1微米～4微米，D90粒径为0.1微米～3微米。

3.权利要求1或2所述的活态钙复合物的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)将无定型磷硅酸钙和磷酸钙在水中混合，得到混合物；

2)将步骤1)中混合物过滤后，取清液，得到含有纳米羟基磷灰石的悬浊液；

3)将步骤2)中悬浊液与硅酸钙溶液混合，加热，得到所述基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述无定型磷硅酸钙的分子式为Ca₁₃P₈Si₂₀O₉₄；

和/或，步骤1)中，所述无定型磷硅酸钙以质量百分比100％计，包括CaO 15-40wt％、SiO₂ 30-60wt％和P₂O₅ 10-40wt％。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述磷酸钙为混合物，以质量百分比100％计，所述混合物包括磷酸四钙15～25wt％，磷酸三钙20～30wt％和磷酸氢钙40～60wt％；

和/或，步骤1)加入的原料中，以质量百分比100％计，包括无定型磷硅酸钙20～80wt％和磷酸钙20～80wt％。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2)中，采用水洗涤混合物后过滤；

和/或，步骤2)中，所述悬浊液中还包括磷酸三钙和磷酸氢钙。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述悬浊液与硅酸钙溶液的体积比为(2～5):1。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述硅酸钙溶液是将硅酸钙溶于聚乙二醇中；和或，所述硅酸钙溶液中还加入水；

和/或，步骤3)中，所述硅酸钙溶液以质量百分比100％计，包括硅酸钙5-15wt％、聚乙二醇2-8wt％，其余水补足；

和/或，步骤3)中，所述聚乙二醇的数均分子量为200～400。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3)中，加热的温度为60℃～80℃，加热的时间为1-5h。

10.权利要求1或2所述的基于纳米羟基磷灰石的活态钙复合物在制备可修复牙本质小管的制品中的应用。

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