CN115784734A - 一种高纯β-TCP粉末及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高纯β‑TCP粉末及其制备方法，属于生物材料制备技术领域。所述的高纯β‑TCP粉末制备方法是以三乙胺为沉淀剂和pH调节剂，包括如下步骤：配制由去离子水/乙醇溶剂、三乙胺和氯化钙组成的含钙溶液；配制由去离子水/乙醇溶剂和磷酸的含磷溶液；将含磷溶液滴加到含钙溶液中，经过沉淀干燥和煅烧即可获得高纯β‑TCP粉末。本发明的β‑TCP在生物材料学领域中属于应用广泛的磷酸钙材料，还可应用在肥料，研磨，陶瓷和添加剂等领域。
Description
技术领域
本发明属于生物医用材料制备技术领域，具体涉及一种高纯β-TCP粉末及其制备方法。
背景技术
生物陶瓷在19世纪初就被当作生物医用材料被使用，并且在1871年首次实现生物陶瓷羟基磷灰石的人工合成。与羟基磷灰石相比，β-TCP的最大优点是易于在生物体内降解和吸收。β-TCP是一种被广泛应用的生物吸收性陶瓷材料，它可以在体内部分或者完全吸收，促进骨再生，同时具有很好的生物相容性、生物降解性和骨传导作用，降解产物为Ca2+和P5+有利于骨基质矿化和骨愈合，因此被广泛用作骨移植和骨填充材料等。
可降解材料的骨修复效果关键在于骨形成速率应该和材料降解速率相匹配。降解过慢会阻碍新骨的形成，降解过快会导致骨形成支架消失。羟基磷灰石的降解速度过慢使得骨形成发育不良，但是已经有大量动物实验和临床证据表明β-TCP能够匹配骨形成速率，β-TCP生物陶瓷支架植入体在2年左右可以完全降解吸收，实现骨修复作用。
目前，β-TCP在临床应用中也面临着一些问题，主要是β-TCP原料纯度不高(含有杂质相)，容易对细胞产生损害，引发局部炎症反应。因此合成高纯的β-TCP对于临床应用非常重要。
目前，有多家生物材料公司已经生产出了β-TCP生物植入体，比如上海贝奥路生产的β-TCP生物陶瓷支架(申请公布号为CN110180030B)，用骨缺损部位填补修复等；生物陶瓷微球颗粒(申请公布号为CN110154201B)，用于肿瘤性骨腔切除后填充修复等；和生物陶瓷棒，可用于股骨头断裂后的连接。现如今有许多方法用于制备β-TCP，具体如下：
1、沉淀法(无机材料学报，2006(03)：645-650.)：包括可溶性钙盐，磷酸盐配制反应工艺，碱性环境调节工艺和高温煅烧工艺。
可溶性钙盐，磷酸盐配制反应工艺一般用硝酸钙和磷酸氢二铵配制成溶液，把磷酸氢二铵溶液缓慢滴加到硝酸钙溶液中，同时不断搅拌。使用氨水调节pH值，然后经过干燥和高温煅烧后获得β-TCP粉末。
反应原理为：3Ca(NO3)3+2(NH4)2HPO4→Ca3(PO4)2+4NH4NO3↓+HNO3
以Ca(NO3)3和(NH4)2HPO4配制成溶液，把(NH4)2HPO4缓慢滴加到Ca(NO3)3溶液中，同时不停搅拌，并且在反应过程中不断用氨水调节pH保持在6～7，得到絮凝状的非晶态TCP沉淀物，经过干燥和高温煅烧后，便可以得到较高纯净的β-TCP。该反应过程中的反应物最佳浓度不能太大，滴加速度不能太快，否则生成物容易聚集，并且反应不完全。
非晶态TCP直接干燥时，非常容易形成难以分散的硬块，可以在沉淀物中加入适量的多元醇型表面活性剂，干燥之后可以获得松散易分散的粉末。非晶态TCP经过700～800℃煅烧，保温3～5h，便可以获得β-TCP粉末，粒径根据控制情况分布在0.2～2μm。
2、反加料法(航天医学与医学工程，2004(04)：266-269.)：将高纯磷酸配制成一定浓度的溶液，按照Ca/P＝1∶1.2配制碳酸钙浆料，室温下搅拌磷酸溶液并加超声波震荡，快速将碳酸钙浆料加入含磷溶液，搅拌10min后停止反应。得到化学组成为Ca3(PO4)2·nH2O的非晶态TCP前驱体，经过热处理后能得到结晶度良好的β-TCP粉末。获得的粉末颗粒分散性好粒径在0.8～1μm。
3、溶胶-凝胶法(生物医学工程研究，2015，34(02)：98-101.)：以磷酸三甲酯或者磷酸三乙酯为磷源，以硝酸钙、二乙醇钙或者醋酸钙为钙的前驱体，首先加入磷源到去离子水/乙醇中，充分搅拌使磷源溶解并且形成溶胶，按照Ca/P摩尔比为1.5加入钙的前驱体，然后充分搅拌，老化一段时间后经过干燥和煅烧后得到β-TCP粉末。
4、固相反应法(南京理工大学学报(自然科学版)，2005(02)：231-235.)：把二水合磷酸氢钙和碳酸钙或者氢氧化钙以一定比例混合均匀，然后升温到900℃以上保温2h，随炉冷却以后可以得到较为高纯净的β-TCP粉末，该方法得到的β-TCP晶粒结晶度高，晶格完整，但是晶粒粗大，相成分不均匀。
发明内容
发明目的
本发明提供了一种简单的β-TCP制备方法，通过钙磷离子化学沉淀制备β-TCP前驱体，然后通过煅烧固相反应的方式成功制备了纯度很高的β-TCP粉末。
技术方案
为实现上述发明目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种高纯β-TCP粉末及其制备方法，包括如下步骤：
(1)加入三乙胺到去离子水/乙醇溶剂中，磁力搅拌均匀；
(2)取二水氯化钙溶解在步骤1)中，室温下磁力搅拌直到完全溶解，得到含钙溶液；
(3)加入磷酸到去离子水/乙醇溶剂中，磁力搅拌均匀，得到含磷溶液；
(4)磁力缓慢搅拌含钙溶液，将含磷溶液使用数字注射泵滴加到含钙溶液中；
(5)搅拌完成后静置一段时间后离心，使用去离子水/乙醇或者乙醇洗涤后放在干燥箱中干燥；
(6)将干燥至恒重的粉末研磨后煅烧，煅烧完成后得到β-TCP。
进一步地，步骤(1)中，所述的三乙胺加入去离子水/乙醇溶剂后的摩尔浓度为0.1-0.5M。
进一步地，步骤(1)中，所述的去离子水/乙醇溶剂中乙醇的体积占比为40％-60％。
进一步地，步骤(2)中，所述的含钙溶液，钙的摩尔浓度为0.01-0.05M。
进一步地，步骤(3)中，所述的含磷溶液，磷酸的摩尔浓度为0.01-0.05M。
进一步地，步骤(4)中，所述的恒定速度为通过数字注射泵以8-12mL/min速度将含磷溶液加入到含钙溶液中。
进一步地，步骤(4)中，所述的当含磷溶液滴加完成后，继续搅拌的时间为0-6h，温度为室温。
进一步地，步骤(5)中，所述的静置一段时间为0-6h。
进一步地，步骤(5)中，所述的离心采用6000-8000rpm的速度离心3-5min，用去离子水/乙醇溶剂离心洗涤1-3次。
进一步地，步骤(5)中，所述的干燥箱干燥温度为50-70℃，干燥时间为24-36h。
进一步地，步骤(6)中，所述的煅烧温度为1100-1200℃，保温时间为2-3h，升温速率为4-6℃/min。
三乙胺-去离子水/乙醇为溶剂，三乙胺水溶液呈弱碱性，碱性环境对于磷酸钙溶液发生絮凝状沉淀至关重要。其次，反应物的浓度不能太大，含磷溶液不能滴加过快，否则生成物容易凝聚，且反应不完全。煅烧使得粉末从无定形磷酸钙相向磷酸三钙相转变，因此煅烧温度和时间十分重要，煅烧温度不够，物相不能发生转变，煅烧时间不够，物相转变不完全。因此三乙胺提供碱性环境使得磷酸钙沉淀形成β-TCP前驱体，合适的煅烧温度和时间使得β-TCP粉末形成良好的结晶度和晶粒尺寸。
和现有技术相比，本发明的一种高纯β-TCP粉末及其制备方法能够实现工业化生产，且成本低。XRD结果表明制备的β-TCP不存在其它相，因此本方法制备的β-TCP可以避免因为纯度不高在临床应用中引发局部炎症反应的问题；β-TCP具有良好的生物相容性和可降解性能，在体内2年左右就能完全降解成钙磷离子而被用于骨组织修复，在骨缺损修复过程中扮演着临时支架的作用；本发明使用三乙胺作为pH调节剂和沉淀剂，这在以前是未被使用过的；经过煅烧后获得的粉末XRD结果表明只存在β-TCP的特征衍射峰，没有发现其它杂质峰和非晶峰的存在。
附图说明
图1为β-TCP的XRD图谱和标准β-TCP的XRD图谱；
图2为煅烧后β-TCP的场发射扫描电子显微镜照片；
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着实施例的描述而更加清楚，但实施例仅是范例性质的，并不对本发明的范围构成任何限制。
实施例1
含钙溶液的配制：将7.6mL三乙胺加入到160mL 50％无水乙醇-去离子水溶剂中，磁力搅拌均匀后使用电子天平称取0.4g二水合氯化钙加入到溶液中，磁力搅拌至完全溶解，作为溶液A；
含磷溶液的配制：将140μL磷酸加入到40mL 50％无水乙醇-去离子水溶剂中，磁力搅拌均匀后，作为溶液B；
溶液A与溶液B溶合：使用数字注射泵以12mL/min的速度将溶液B滴加到溶液A中，滴加完成后继续搅拌0.5h；
静置离心烘干：将溶液在室温下静置3h后，倒出上清液，将沉淀物转移到100mL离心管中以8000rpm离心5min，使用去离子水洗涤2次后放入60℃烘箱中干燥24h。
研磨煅烧：将干燥好的粉末研磨后转移到坩埚中，随后放入马弗炉中煅烧，煅烧温度为1150℃，升温速度为5℃/min，保温2h，随后随炉冷却。
制备得到的β-TCP纯度和结晶度非常高，电感耦合等离子体质谱仪分析Ca/P摩尔比是1.49，和理想的β-TCP的摩尔比1.5基本一致，重量纯度为99.18％。样品的XRD图谱见图1。样品的场发射扫描电子显微镜照片见图2。
实施例2
含钙溶液的配制：将3.8mL三乙胺加入到160mL 60％无水乙醇-去离子水溶剂中，磁力搅拌均匀后使用电子天平称取0.4g二水合氯化钙加入到溶液中，磁力搅拌至完全溶解，作为溶液A；
含磷溶液的配制：将140μL磷酸加入到40mL 60％无水乙醇-去离子水溶剂中，磁力搅拌均匀后，作为溶液B；
溶液A与溶液B溶合：使用数字注射泵以12mL/min的速度将溶液B滴加到溶液A中，滴加完成后继续搅拌5min；
静置离心烘干：将溶液在室温下静置1h后，倒出上清液，将沉淀物转移到100mL离心管中以8000rpm离心5min，使用乙醇洗涤两次后放入60℃烘箱中干燥24h。
研磨煅烧：将干燥好的粉末研磨后转移到坩埚中，随后放入马弗炉中煅烧，煅烧温度为1150℃，升温速度为5℃/min，保温2h，随后随炉冷却。
实施例3
含钙溶液的配制：将7.6mL三乙胺加入到160mL 50％无水乙醇-去离子水溶剂中，磁力搅拌均匀后使用电子天平称取0.8g二水合氯化钙加入到溶液中，磁力搅拌至完全溶解，作为溶液A；
含磷溶液的配制：将280μL磷酸加入到40mL 50％去离子水/乙醇溶剂中，磁力搅拌均匀后，作为溶液B；
溶液A与溶液B溶合：使用数字注射泵以8mL/min的速度将溶液B滴加到溶液A中，滴加完成后继续搅拌10min；
静置离心烘干：将溶液在室温下静置3h后，倒出上清液，将沉淀物转移到100mL离心管中以8000rpm离心5min，使用去离子水/乙醇洗涤4次后放入60℃烘箱中干燥36h。
研磨煅烧：将干燥好的粉末研磨后转移到坩埚中，随后放入马弗炉中煅烧，煅烧温度为1150℃，升温速度为5℃/min，保温2h，随后随炉冷却。
实施例4
含钙溶液的配制：将7.6mL三乙胺加入到160mL 50％无水乙醇-去离子水溶剂中，磁力搅拌均匀后使用电子天平称取0.4g二水合氯化钙加入到溶液中，磁力搅拌至完全溶解，作为溶液A；
含磷溶液的配制：将175μL磷酸加入到40mL 50％无水乙醇-去离子水溶剂中，磁力搅拌均匀后，作为溶液B；
溶液A与溶液B溶合：使用数字注射泵以10mL/min的速度将溶液B滴加到溶液A中，滴加完成后继续搅拌5min；
静置离心烘干：将溶液在室温下静置6h后，倒出上清液，将沉淀物转移到100mL离心管中以8000rpm离心5min，使用去离子水/乙醇洗涤3次后放入60℃烘箱中干燥36h。
研磨煅烧：将干燥好的粉末研磨后转移到坩埚中，随后放入马弗炉中煅烧，煅烧温度为1150℃，升温速度为5℃/min，保温2h，随后随炉冷却。
实施例5
含钙溶液的配制：将3.8mL三乙胺加入到160mL 50％无水乙醇-去离子水溶剂中，磁力搅拌均匀后使用电子天平称取0.8g二水合氯化钙加入到溶液中，磁力搅拌至完全溶解，作为溶液A；
含磷溶液的配制：将280μL磷酸加入到40mL 50％无水乙醇-去离子水溶剂中，磁力搅拌均匀后，作为溶液B；
溶液A与溶液B溶合：使用数字注射泵以12mL/min的速度将溶液B滴加到溶液A中，滴加完成后继续搅拌5min；
静置离心烘干：将溶液在室温下静置1h后，倒出上清液，将沉淀物转移到100mL离心管中以8000rpm离心5min，使用去离子水/乙醇洗涤2次后放入60℃烘箱中干燥24h。
研磨煅烧：将干燥好的粉末研磨后转移到坩埚中，随后放入马弗炉中煅烧，煅烧温度为1150℃，升温速度为5℃/min，保温2h，随后随炉冷却。
Claims (10)
1.一种高纯β-TCP粉末及其制备方法，包括如下步骤：
(1)加入三乙胺到去离子水/乙醇溶剂中，再称取二水合氯化钙加入其中，磁力搅拌至完全溶解，得到含钙溶液；
(2)将磷酸加入到去离子水/乙醇溶剂中，磁力搅拌均匀，得到含磷溶液；
(3)磁力搅拌含钙溶液，使用数字注射泵将含磷溶液以恒定速度滴加到含钙溶液中，含磷溶液滴加完成后，继续搅拌；
(4)沉淀离心干燥：将步骤3)溶液静置，收集沉淀并离心洗涤并干燥至恒重，所得粉末煅烧后即得到β-TCP。
2.根据权利要求1所述的一种高纯β-TCP粉末及其制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的含钙溶液中，三乙胺的摩尔浓度为0.1-0.5M，钙的摩尔浓度为0.01-0.05M。
3.根据权利要求1所述的一种高纯β-TCP粉末及其制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的含磷溶液中，磷酸的摩尔浓度为0.01-0.05M。
4.根据权利要求1所述的一种高纯β-TCP粉末及其制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述的恒定速度为通过数字注射泵以8-12mL/min速度将含磷溶液加入到含钙溶液中。
5.根据权利要求1所述的一种高纯β-TCP粉末及其制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述的当含磷溶液滴加完全后，继续搅拌的时间为0-6h，温度为室温。
6.根据权利要求1所述的一种高纯β-TCP粉末及其制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述的离心处理方法为采用6000-8000rpm的速度离心3-5min，并使用去离子水/乙醇或者乙醇离心洗涤1-3次。
7.根据权利要求1所述的一种高纯β-TCP粉末及其制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述的干燥温度为50-70℃，干燥时间为24-36h。
8.根据权利要求1所述的一种高纯β-TCP粉末及其制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述的煅烧温度为1100-1200℃，保温时间为2-3h，升温速率为4-6℃/min。
9.根据权利要求1所述的一种高纯β-TCP粉末及其制备方法，其特征在于：去离子水/乙醇溶剂中乙醇的含量为40～60％。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的高纯β-TCP粉末，其特征在于所述β-TCP粉末使用三乙胺作为沉淀剂和pH调节剂，所得β-TCP粉末没有发现其它杂质相，具有良好的生物相容性，可用于骨缺损修复、药物载体系统等生物学领域。
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| CN202310005332.8A CN115784734A (zh) | 2023-01-04 | 2023-01-04 | 一种高纯β-TCP粉末及其制备方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117865084A (zh) * | 2023-12-11 | 2024-04-12 | 湖北三峡实验室 | 一种纳米球形β-磷酸三钙的制备方法 |
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2023
- 2023-01-04 CN CN202310005332.8A patent/CN115784734A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117865084A (zh) * | 2023-12-11 | 2024-04-12 | 湖北三峡实验室 | 一种纳米球形β-磷酸三钙的制备方法 |
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