CN86107535A - 磷酸钙型羟(基)磷灰石及其制备方法 - Google Patents

Abstract

六方晶系的磷酸钙型羟磷灰石，其单位晶格常数，a轴为9.58±0.08，c轴为7.00±0.05。Ca/P比值为1.50—1.90。它可用作生物聚合物的色谱分离柱的填充材料，是在400°—700℃下灼烧呈凝胶或粉末状的羟磷灰石制备的。凝胶时，羟磷灰石采用悬浮液或浆状液的形式。将凝胶状的羟磷灰石中的水分除去后，再干燥成粉末。在氧气或空气存在下，于500°～600℃对凝胶或粉末加热灼烧。

Description

本发明是关于磷酸钙型羟（基）磷灰石及其制备方法。

更具体地说，本发明是有关一种具有特定结晶参数的，可用作分离生物聚合物用的柱子的填充材料，像骨质再生一类的生物医学材料，生物陶瓷材料，催化剂载体，荧光材料，电子学材料，无机离子交换剂以及遗传工程材料的一种新型磷酸钙型羟（基）磷灰石。本发明也论及生产上述羟（基）磷灰石的工艺方法。

磷灰石结构化合物这一用语，通常是指具有通式M₁₀（ZO₄）₆·X₂的一大组化合物，式中M表示Ca，Ba，Sn，Mg，Na，K，Pb，Cd，Zn，Ni，Fe，Al等金属原子，ZO₄表示酸根，例如PO₄、AsO₄、VO₄、SO₄或SiO₄，X表示OH或F原子（基团）本发明所指的具有上述通式的磷酸钙化合物，其中M主要是Ca，ZO₄主要是PO₄，X主要是OH^-的磷酸钙化合物。因此，下面将集中围绕这种特定的化合物进行说明。

磷酸钙型羟（基）磷灰石Ca₁₀（PO₄）₆（OH）₂（除非另有说明，以下称为“羟（基）磷灰石”），近年来在作为生物医学材料的应用方面引起了越来越大的注意，特别是作为人造牙齿和骨骼。这是因为它在组成方面类似于脊椎动物的牙齿和骨骼的无机成分，並显示出与有生命体有良好的亲合性。对于生物机体的这种亲合性表明它可以作为生物聚合物的色谱分离柱的填充材料，这里所说的生物聚合物，如：蛋白质，酶和核酸。

按照惯例，这羟（基）磷灰石大多数情况是用如下方法合成的：

（1）包含有水溶液反应的湿法合成，在该反应中，使溶于水的钙盐和磷酸盐以水溶液形式进行反应。

（2）包含有高温固相反应的干法合成，在该反应中，使磷酸钙和碳酸钙在水蒸汽存在下，在900°-1400℃下进行反应。

（3）包含有在高温，高压水蒸汽条件下反应的水热合成法，在该反应中，例如在200℃和15个大气压下使磷酸氢钙进行水解。

除这些方法之外，还提出有新的合成方法，例如，在专利申请公开号500447/1980中的方法。

用上述这些方法得到的羟（基）磷灰石具有属于六方晶系，带有空间群p63/m的结晶结构。它们的单位晶格常数，a轴是9.432

，c轴是6.881

，〔M.I.Kay & R.A.Young：Nature，204，P.1050（Dec.12.1964）〕。

通过广泛的研究和实验我们发现，具有上述结晶参数的羟（基）磷灰石，当作为色谱分离柱的填充材料，尤其是分离生物聚合物时，在其分离性和选择性方面是不能经常满足要求的。

因此，本发明的目的是提供一种新的羟（基）磷灰石，以及制备它的方法，要求这种新的羟（基）磷灰石具有独特的结晶参数或特定的单位晶格常数，並且可用作像人造牙齿和骨骼一类的生物医学材料，生物陶瓷材料，催化剂载体，荧光材料，电子学材料，无机离子交换剂，遗传工程材料等等。

鉴于到目前为止，还不能提供在分离性能和选择性能方面满足要求的，可用作生物聚合物色谱分离柱填充材料的羟（基）磷灰石，所以本发明的另一个目的是提供一种具有独特结晶参数，分离性能和选择性能优良的作色谱分离用的新型磷酸钙型磷灰石。

我们通过对磷灰石结构化合物结晶参数的各种研究发现了一种具有新型结晶结构的羟（基）磷灰石，用X-射线衍射（XRD）测定的单位晶格常数与现有技术中已知的磷灰石结构化合物的测定数值不同。发现这种特定的化合物是很有用的，如上所述，可用作如：人造牙齿和骨骼的生物医学材料，生物陶瓷材料，催化剂载体，荧光材料，电子学材料，无机离子交换剂和遗传工程材料，特别是用作生物聚合物的色谱分离柱的填充材料。基于这些发现完成了本发明。

从而，本发明提供了一种六方晶系结晶的羟（基）磷灰石，而且其特征在于p63/m的空间群和单位晶格常数，a轴为9.58±0.08

，C轴为7.00±0.05

。本发明也提供了一种用于色谱分离具有特别显著的可分离性和选择性的新型磷酸钙型磷灰石。

图1至图5是使用按本发明方法制备的羟（基）磷灰石和按已知技术制备的羟（基）磷灰石，作液体色谱分离蛋白质的柱填充材料所得到的典型色谱图。

这里使用的术语“单位晶格”意思是说作为晶体的最小重复单位的晶胞，其中有原子，原子基团以及分子按三维空间有规则地排列着。晶胞的几何对称性由晶系和空间群表示，晶胞的大小由晶格常数表示。磷灰石结构化合物的晶胞是由六方晶系的晶格（六角晶格）表示，例如其中有Ca²⁺，PO^3- ₄或OH^-排列着。

已揭示的磷灰石结构化合物，例如磷酸钙型羟（基）磷灰石的单位晶格常数，a轴为9.432

，C轴为6.881

。

而按照本发明的羟（基）磷灰石的单位晶格常数a轴为9.58±0.08

，c轴为7.00±0.05

。因此，本发明的羟（基）磷灰石结构，在结晶参数方面是完全不同于已有技术的，並且是一种新的，至今在现有技术中还是未知的。

单位晶格常数可以用X-射线衍射技术测定。更具体地说，是利用粉末X-射线衍射法测量衍射角（Bragg角）。衍射角可以从安装有衍射仪、（利用CuKα X-射线）的X-射线衍射装置在图纸上记录的X-射线衍射花纹得到。另外，根据布勒格（Bragg）方程，λ＝2αsinθ，式中λ是CuKα射线的波长1.54184

，可以求出以埃（

）表示的晶格间距d。羟（基）磷灰石的结晶系是六方晶系，像在粉末X-射线衍射资料，JCPDS（粉末衍射标准联合委员会）·9-432中表示的那样，对每个晶格间距d（

）都给出了密勒（Miller）指数（hkl）。晶格间距d（ ）可用晶格常数a和c以及密勒指数（hkl）表示，如下式：

$\mathrm{d=}\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{(4/3a}}^2{\mathrm{)(h}}^2{\mathrm{+k}}^2{\mathrm{+hk)+(l}}^2{\mathrm{/c}}^2)}}$

利用布勒格（Bragg）方程时，可以写成：

sin²θ＝ 1/3 （ (λ)/(a) ）²（h²+K²+hk）+（ (λ)/(2C) ）²l²

利用X-射线衍射仪所得到的各个衍射线的布勒格（Bragg）角和已知的密勒指数，由六角晶系的理论公式可求出本发明羟（基）磷灰石的单位晶格常数a和b。单位晶格常数a和c的最可几值和误差范围，可用最小二乘方法求出。表1给出了用X-射线衍射得到的本发明的羟（基）磷灰石晶格间距d（

）。

本发明的具有单位晶格常数，a轴为9.58±0.08

，C轴为7.00±0.05

的羟（基）磷灰石可用作：例如，生物陶瓷材料，催化剂载体，荧光材料、电子学材料、无机离子交换剂等等。在分离生物聚合物分离蛋白质时，显示出了特别优越的性能。当磷灰石的单位晶格常数不在上述特定的范围时，分离性能会显著地下降。

具有符合本发明所述特定范围的单位晶格常数（a和C）的羟（基）磷灰石对于生物聚合物的分离能够有效地起作用的原因尚待阐明。然而，一般可以认为通常生物聚合物的分离，例如像DNA这样的核酸或是蛋白质的分离，起重要作用的是存在于羟（基）磷灰石基质中的吸附点（吸附格点）和核酸分子上的磷酰基之间的相互作用，或是在吸附点和蛋白质的氨基及羧基之间的相互作用。

这里应指出，在羟（基）磷灰石表面主要地呈现二个不同的面，一个面平行于晶体点阵的ac面或bc面（分别称作b面或a面），它们在结晶学上是等效的，而另一个面与ab面平行（称作C面）。在晶体的面a或面b上排列着吸附点（称为吸附点c），每个吸附点由2个带下电荷的钙原子组成，在晶体c面上的吸附点（称作吸附点P），每个由来自带负电的磷酰基离子的六个氧原子构成。位于晶体中的这些点有规则地排列着，並且每单位面积上的点数为一常数。因此，单位晶格常数a和c（值）是不相同的，吸附点c之间的距离和吸附点p之间的距离也是不同的。

正如上面指出的那样，对于生物聚合物的色谱分离来说，羟（基）磷灰石的吸附点和生物聚合物的各种官能团之间的相互作用是起重要作用的。很明显，吸附点c之间，吸附点p之间，或是这些吸附点之间的距离是影响像生物聚合物的吸附或解吸这样的相互作用的。在这些吸附点之间必须保持适当的距离。可推定具有符合本发明单位晶格常数的羟（基）磷灰石能满足上述条件，並且能出色地完成生物聚合物的分离。

具有这种极好结晶参数的本发明羟（基）磷灰石要求有这样的组成，即Ca与p的原子比，或Ca/p的比值范围为1.5～1.9。

可用作色谱分离柱的填充材料的本发明的羟（基）磷灰石除了上述限定的要具有特定的单位晶格常数之外，其特征也在于具有特定的吡啶吸附。我们的研究揭示了每克羟（基）磷灰石能够吸附0.003至0.01毫摩尔的吡啶时，则可很好地实现生物聚合物的分离。这大概可归因于酸量的控制，特别是在官能团OH^-，Ca²⁺和PO^3- ₄中，OH^-官能团，对于如上所述的在羟（基）磷灰石基质和核酸中磷酰基之间的相互作用或是对于基质与蛋白质的氨基和羧基之间的相互作用中是起重要作用的缘故。

吡啶吸附主要是通过基于上述官能团的固体酸量来表示。如果吡啶吸附小于0.003毫摩尔/克，则在实际使用中羟（基）磷灰石对蛋白质的分离能力太低，如果吡啶吸附超过0.01毫摩尔/克，则分离又不适宜操作。

表示本发明羟（基）磷灰石特征的第三个因素为：它是一种由微细针状结晶组成的微晶团粒，其大小为100至500

宽，500至3000

长。这种针状微晶容易自然形成球粒。通常呈球粒形的微晶团粒的平均粒径为0.5-50微米，优选值为1-10微米。由球粒带来的优点是增加了机械强度並使分离柱内填充更加均匀。

用色谱分离法能够分离蛋白质的例子，是免疫球蛋白G，反式土曲酶酮（transterrin），骨髓瘤免疫球蛋白D，血清白蛋白以及卵清蛋白。

下面叙述按照本发明生产羟（基）磷灰石的方法。

本发明的方法可以通过在400°-700℃下灼烧呈凝胶或粉末状的羟（基）磷灰石来实现，该凝胶或粉末状的羟（基）磷灰石可通过上述的，溶液反应的湿法，高温固相反应的干法或水解反应的水解法制得的。本发明方法的优选方案是将凝胶状的羟（基）磷灰石制成颗粒，然后在400°-700℃下灼烧。

我们对磷灰石结构化合物的结晶参数与灼烧温度之间的相互关系进行了广泛的研究。结果发现磷灰石结构化合物的单位晶格常数是随着灼烧温度的上升而增加，在约600℃时达到最大值，然而超过这一点又随着温度的进一步提高而下降。本发明是以这种发现为依据的。

这里使用“呈凝胶状的羟（基）磷灰石”这一用语，其含意是指悬浮液或浆状液，用水或是用含钙离子，磷酸等一类的水溶液使羟（基）磷灰石的针状微晶成为悬浮状或浆状。它可以通过前面所述的任一种合成羟（基）磷灰石的方法来制备。呈凝胶状的羟（基）磷灰石也可以通过在水溶液中分散成混合粉末化的微晶来制取。

“呈粉末状的羟（基）磷灰石”这一用语，其含意是指将凝胶状羟（基）磷灰石中的水分除去后，在约80°～约130℃下进行干燥所得到的产品。

在本发明方法中，灼烧是通过在加热区域内，加热呈凝胶或呈粉末状的羟（基）磷灰石至予定的温度，然后保持这一温度。灼烧的温度范围是400～700℃，较佳的温度范围是500°～600℃。灼烧时间並不严格，但通常是0.1-20小时，较佳时间是1-3小时。希望灼烧是在有氧或空气存在的条件下来完成。对干燥条件没有特殊的限定，但在80～120℃下加热0.1～10小时，通常可得到良好结果。

当本发明的羟（基）磷灰石用作色谱分离柱的填充材料时，适宜的作法是首先将凝胶状的羟（基）磷灰石制成颗粒，然后用上述同样方式灼烧。

一种合乎要求的粒化羟（基）磷灰石凝胶的方法是用喷雾干燥。喷雾干燥包括将羟（基）磷灰石悬浮液或是浆状液喷射到高温空气流中，並由此瞬间达到干燥，有关喷雾干燥的条件，悬浮液或浆状液的浓度是0.1～20%（重量），较佳值为1～10%（重量），高温空气流的温度是100°～200℃，较佳温度为110°～170℃。喷雾嘴的结构形状、空气量和其他条件可根据需要适当选择。实验表明粒化生产的产品，颗粒直径控制在约0.5～约50微米范围内，尤其是控制在约1～约20微米的范围内。发现适宜的粒化过程可以制得直径范围更细小的约1微米～约10微米的小球体。

因此，通过灼烧上述法制得的呈凝胶或粉末状原料磷灰石，所得到的羟（基）磷灰石是一种现有技术中未知的，具有如下特定单位晶格带数和参数的新型化合物。

颗粒直径（微米）    0.5～50

Ca/p比    1.5～1.9

颗粒形状    球形（针状的微晶团粒）

吡啶吸附（毫摩尔/克）    0.003～0.01

下面用实例说明本发明

实例1

在一升的三颈瓶中加入氢氧化钙悬浮液（由15.6克95% Ca（OH）₂和400克蒸馏水组成）。随着氮气的通入和有力的搅拌，缓慢地加入磷酸水溶液（由13.8克，85%的H₃PO₄和400克蒸馏水组成）。加完之后，进一步用含水磷酸来调节pH值至8.2。把该混合液置于油浴上，在90℃下保持约18小时。得到一种含有白色微晶的产品或凝胶状的羟（基）磷灰石。

冷却后，将部分产品通过喷雾干燥器，以制得球形小颗粒，或微晶团粒，其直径为约1～约10微米。

产品进而在100℃下进行干燥並在580℃下灼烧，以制备分离柱用的小颗粒。利用X-射线衍射测得该小颗粒的晶格间距列于表1中。这种小颗粒的参数值如下：

（1）用X-射线衍射测定的单位晶格常数：

a＝9.58

C＝7.01

（2）吡啶吸附＝0.0056毫摩尔/克

（3）Ca/p    比＝1.67

X-射线衍射是用Rigaku    Denki公司制造的“RAD-VD”型仪器进行测定的。使用的测定条件如下：

输出＝40千伏（KV），30毫安（mA）.Cukα

DS/RS/SS＝1/6℃/0.15mm/1/6℃

予定时间＝0.1秒

幅宽（slep    Width）＝1/100

表1

密勒指数 晶格间距d（

）

h·K·l    实例1    实例2    实例3    比较例1    比较例2

002    3.503    3.480    3.495    3.440    3.461

102    3.227    3.206    3.219    3.169    3.188

210    3.137    3.113    3.126    3.079    3.098

211    2.863    2.842    2.854    2.811    3.828

112    2.828    2.808    2.820    2.777    2.793

300    2.767    2.745    2.757    2.716    2.732

202    2.677    2.658    2.669    2.628    2.644

301    2.573    2.554    2.565    2.526    2.541

212    2.337    2.320    2.330    2.294    2.308

310    2.302    2.284    2.294    2.259    2.273

222    1.778    1.963    1.971    1.941    1.953

312    1.924    1.910    1.918    1.889    1.900

213    1.873    1.860    1.868    1.839    1.850

用下述方法测定吡啶吸附。

把直径为1～10微米的粒状羟（基）磷灰石，用压实工具轻轻地压紧。用玛瑙研钵将压块磨成30～100目的细粉。精确地称取0.075克研磨过的磷灰石，並装入一筒形样品管中，在氮气氛中于100℃下干燥。同时，把含有吡啶的鼓泡器浸入到15.5℃的恒温水溶中，並通氮气进行鼓泡，使装入反应器与羟（基）磷灰石，在100℃下吸附吡啶15分钟。随后，在氮气流中逐渐升温至200℃，並保持该温度以使物理吸附的量发生解吸，利用氢离子检测型的气相色谱，检查不再有解吸的吡啶时为止。然后，以5℃/分的升温速度从200℃升至950℃。从而用气相色谱法可测得解吸的吡啶量。这些被解吸的吡啶量可作为吡啶吸附量。

实例2

使用与实例1中相同的原料，在相同的反应条件下制备小颗粒。将该粒状产品在100℃下干燥，然后在400℃下灼烧3小时，用X-射线衍射测定灼烧过的小颗粒的晶格间距在表1中给出。

产品的参数值如下：

（1）单位晶格常数：

a＝9.51

C＝6.96

（2）吡啶吸附＝0.0092毫摩尔/克

（3）Ca/p    比＝1.67

实例3：

使用与实例1中相同的原料和相同的反应条件制备小颗粒。该产品在100℃下干燥，並在700℃下灼烧3小时。用X-射线衍射测定的小颗粒的晶格间距列于表1中。

参数值如下：

（1）单位晶格常数：

a＝9.55

c＝6.99

（2）吡啶吸附＝0.0038毫摩尔/克

（3）Ca/p    比＝1.67

比较例1

在一升的三颈瓶中装入氢氧化钙悬浮液（由15.6克95%Ca（OH）₂和400克水组成）。随着氮气的通入和有力的搅拌，缓慢地加入磷酸水溶液（由13.8克85%的H₃po₄和400克水组成）。加完之后，进一步加入含水磷酸以调节pH值至8.2。将该混合液置于油浴上，並在90℃下维持大约18小时。将产品冷却，且将部分产品通过一喷雾干燥器，以得到直径为1-10微米的小颗粒。该粒状产品在100℃下干燥，並用作色谱分离的填充材料。用X-射线衍射测定的小颗粒的晶格间距在表1中给出。

参数值如下：

（1）单位晶格常数：

a＝9.41

c＝6.88

（2）吡啶吸附＝0.0106毫摩尔/克

（3）Ca/p    比＝1.67

比较例2

使用与实例1中相同的原料，在相同的反应条件下进行处理，以得到直径为1-10微米的球形小颗粒。这种粒状产品在100℃下干燥，然后在通入空气的马弗炉内，于1100℃下灼烧3小时。用X-射线衍射测定的小颗粒的晶格间距在表1中列出。

物理参数如下：

（1）单位晶格常数：

a＝9.46

c＝6.92

（2）吡啶吸附＝0毫摩尔/克

（3）Ca/p    比＝1.67

参考例：

由实例1至3和比较例1与2制取的羟（基）磷灰石用于分离由细胞色素c，溶菌酶和牛的血清白蛋白（BSA）组成的混合物样品。色谱分离操作使用的条件如下：

液相色谱仪：

由Wa①ers公司生产的“LC244”型。

溶剂（梯度溶液）：

磷酸钠水溶液（pH6.8）

0.01～0.3摩尔/小时    梯度

流速：0.8毫升/分

样品量：

各100微升（样品2使用的羟（基）磷灰石为50微升）

检测器：

由日本光谱公司（Japan    Spectroscopic    Co.）生产的“UVDEC-100-Ⅲ”型。

检测波长＝280nm（毫微米）

色谱记录：

自动记录仪速度＝2.5毫米/分

结果用图示法示于图1至图5中。可以清楚地看到按本发明制备的羟（基）磷灰石比已知的羟（基）磷灰石具有大的多的分离能力。

求出理论塔板数以便测定分离细胞色素c的分离能力。得到的结果在表2中列出。对本发明来说，术语“理论塔板数”是根据色谱分离法的分辨时间（tR）和色谱图中的半峰宽度，利用下述公式计算出来的。

N＝（理论塔板数）＝16（tR/W）²

表2

实例    比较例

1    2    3    1    2

Ca/p    比    1.67

晶格间距

常数

a（

） 9.58 9.51 9.55 9.41 9.46

c（ ） 7.01 6.96 6.99 6.88 6.92

吡啶吸附    0.0056    0.0092    0.0038    0.0106    0

（毫摩尔/克）

分离细胞色素

13.000 11.000 3.800 2.000

c的理论

塔板数

本发明提供了一种具有独特结晶参数的新型磷灰石结构化合物，並且可以非常有效地用作生物医学材料，例如人造牙齿和骨骼，生物陶瓷材料，催化剂载体，荧光材料，电子学材料，无机离子交换剂，遗传工程材料等等，特别是用作生物聚合物色谱分离柱的填充材料。本发明的磷灰石结构化合物的用途，尤其是用作生物聚合物，其中包括蛋白质的色谱分离柱的填充材料，使得在可分离性方面有了显著的改进。

Claims (13)

1、一种磷酸钙型羟(基)磷灰石，其特征在于它属于六方晶系並且具有单位晶格常数：a轴为9.58±0.08

、c轴为7.00±0.05

。

2、根据权利要求1的磷酸钙型羟（基）磷灰石，其特征在于羟（基）磷灰石的Ca/p比值的范围是1.50到1.90。

3、根据权利要求1的磷酸钙型羟（基）磷灰石，其特征在于羟（基）磷灰石是用作生物聚合物色谱分离柱的填充材料。

4、根据权利要求3用作色谱分离的磷酸钙型羟（基）磷灰石，其特征在于羟（基）磷灰石是呈（晶体）球粒状，其中每个球粒主要是针状微晶的团粒。

5、根据权利要求4用作色谱分离的磷酸钙型羟（基）磷灰石，其特征是球粒的平均粒径为0.5-50微米（μm）。

6、根据权利要求5用作色谱分离的磷酸钙型羟（基）磷灰石，其特征是球粒的平均粒径是1-10微米（μm）。

7、根据权利要求3至6中任何一个用作色谱分离的磷酸钙型羟（基）磷灰石，其特征是吡啶吸附范围为0.03-0.01毫摩尔/克（mmol/g）。

8、根据权利要求3用作色谱分离的磷酸钙型羟（基）磷灰石，其特征在于羟（基）磷灰石的Ca/p比值范围是1.50-1.90。

9、一种生产磷酸钙型羟（基）磷灰石的方法，其特征在于呈凝胶或粉末状的磷酸钙型羟（基）磷灰石是在400°-700℃下灼烧。

10、根据权利要求9的方法，其中呈凝胶状的磷酸钙型羟（基）磷灰石是采取羟（基）磷灰石的悬浮液或浆状液的形式。

11、根据权利要求9的方法，其中呈粉末状的磷酸钙型羟（基）磷灰石是将呈凝胶状的羟（基）磷灰石中的水分除去后，再进行干燥来制备的。

12、根据权利要求9至11中任何一个方法，其中呈凝胶或粉末状的磷酸钙型羟（基）磷灰石是通过在有氧或空气存在下，在给定的期间内加热灼烧凝胶或粉末状的羟（基）磷灰石。

13、根据权利要求9至12中任何一个方法，其中灼烧温度的范围是500°～600℃。

Images