CN100545084C - 有序多孔羟基磷灰石材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种有序多孔羟基磷灰石材料的制备方法，具体步骤为：采用硅源水解聚合产生的单分散SiO2微球为模板剂，通过组装形成有序模板，在有序模板中渗入羟基磷灰石前驱液，干燥固化烧结后经强碱溶液浸泡除去模板，即得有序多孔羟基磷灰石材料。本发明制备的羟基磷灰石具有高度有序的孔道结构、孔径均一且可控可调、孔与孔之间相互连通、比表面积大等特点，在药物载体、生物芯片、固定化酶等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种有序多孔羟基磷灰石的制备方法。
背景技术
多孔材料的孔结构对于材料的性能有着很大的影响，尤其是有序多孔材料，由于具有较高的比表面积、均一可调的孔径和规整的孔道结构，在光学、化工以及生物医学等领域中显示出重要的作用，相关的制备工艺和性能研究也成为材料领域的研究热点。根据目前国内外的研究成果可知，模板法是制备有序多孔材料的最常用方法之一。而根据模板剂的不同，又可细分为嵌段共聚物模板法、表面活性剂模板法、胶晶模板法等几类。嵌段共聚物模板法利用嵌段共聚物的结构特点来制备有序多孔材料，表面活性剂模板法则利用表面活性剂来制备有序多孔材料，两种模板所得材料都具有高度有序的孔道结构。中国专利(2004，公开号：CN 1539733A)报道了以表面活性剂为模板制备有序介孔二氧化硅材料的技术，所得材料的孔径为2～8nm。中国专利(2006，公开号：CN 1785862A)报道了以嵌段共聚物为模板制备有序多孔生物玻璃材料的技术，并对其载药能力作了初步的评价，研究发现该材料的载药能力比普通生物玻璃有了较大程度的提高。但是由于该材料的孔道较小(2～50nm)，且互不相通，因而药物的渗透性和载药能力有待于进一步提高。可见，表面活性剂模板法和嵌段共聚物模板法由于模板剂本身结构的限制，所得材料的孔径较小、可调范围小，而且孔与孔之间并不连通，这些特点大大限制了材料的应用。例如在药物缓释领域，需要增大有序多孔材料的孔径，同时实现孔与孔之间的连通，才有利于药物的渗透，有利于提高材料的载药能力。除了作为药物释放的包埋材料之外，相互连通的孔道结构还可以实现有限空间内的物质传输和吸附；有序且可控的孔结构也可以吸附不同大小的生物大分子，实现生物标记；亦可作为生物大分子的固定材料，在酶和蛋白的运送过程中起到保护层的作用。
与前两种模板法相比，胶晶模板法以单分散凝胶微球为模板，其孔径大小由凝胶微球的大小来决定，因而具有很大的可控性，且有序模板中微球的密堆积结构使微球在去除后，在孔壁上留下微孔，实现孔与孔之间的连通。这些特性能够使材料满足更多领域，特别是生物医用领域的使用要求。
目前有关有序多孔材料在生物领域的研究并不多见，仅有的一些研究也主要集中于有序多孔生物玻璃材料的研究。中国专利(2004，公开号：CN 1554607A)报道了以表面活性剂为模板，结合溶胶-凝胶工艺制备纳米介孔以及介孔-大孔生物玻璃材料的技术。其中，有序纳米介孔的生物玻璃孔径很小，而介孔-大孔生物玻璃中，大孔的存在会影响介孔的排列，导致材料孔结构有序性的下降。物质在多孔材料中的渗透与孔道结构很有关系，对于均匀的孔洞，物质在渗透流动时没有特定的方向性，可在多孔材料中比较均匀地渗透和存在；而不均匀的孔洞，物质在渗透时会有一定的选择性，这样得到的材料整体均匀性不佳，且局部孔隙得不到充分利用，因此在很多应用领域，均匀的孔径结构比不均匀的孔径结构更有优势。此外，生物玻璃材料本身几乎没有吸附能力，这在一定程度上也限制了材料的使用范围。因此，在提高有序孔孔径的同时，提高材料本身的吸附性能，可以大大拓宽材料的应用领域，增大其使用价值。
众所周知，羟基磷灰石(Hydroxyapatite)是一类应用广泛的生物活性陶瓷材料，与人体骨骼组织具有相似的矿物组成，并具有良好的生物相容性、安全、无毒副作用，植入体内后可引导新骨的生长，是一种理想的植入型载体材料。此外，羟基磷灰石还具有优异的吸附性能，这种性能已使它在血液纯化、酶和蛋白分离等生物领域得到了广泛的应用。
基于此，我们提出以单分散SiO2凝胶微球为模板剂，采用胶晶模板法制备一种具有大孔径的有序多孔羟基磷灰石材料的技术思路。该材料具有良好的生物相容性、生物活性和优异的吸附性能，可调的孔径可以满足不同的需要，而大孔径且相互连通的有序孔洞则能大大提高药物以及生物大分子的渗透，因而可用于药物载体、生物标记和固定化酶等领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有均一孔径、孔径可调、孔与孔之间相互连通的有序多孔羟基磷灰石材料的制备方法。
本发明提出的有序多孔羟基磷灰石材料的制备方法，包括采用硅源得到单分散SiO2微球并组装形成有序模板、羟基磷灰石前驱液在有序模板中的渗透以及有序模板去除，具体包步骤如下：
(1)有序模板的制备
以硅源、水为原料，氨水为催化剂，将硅源、催化剂和水按下述摩尔比加入到有机溶剂中混合，在20～40℃的恒温水浴中搅拌0.5～4小时，形成单分散球形SiO2微球，离心，洗涤，干燥，重新分散在溶剂中，形成1～10wt％悬浊液，静置、自然沉降、室温干燥，即得有序SiO2胶晶模板，其中：硅源∶催化剂∶水＝1∶(1.5～5)∶(10～40)；
(2)羟基磷灰石前驱液在有序模板中的渗透
将钙源、磷源、水和乙醇在70-90℃的恒温水浴中搅拌反应24～48h，调节溶胶的pH值为7-9，得到羟基磷灰石溶胶，即为最终材料的前驱体溶液；将该前驱体溶液滴入到步骤(1)所得的有序胶晶模板中，干燥固化，然后在500-900℃温度下煅烧2～4小时；
(3)模板的去除
将步骤(2)中得到的烧结体在浸泡液中浸泡后，除去SiO2模板，即得有序多孔羟基磷灰石材料。
本发明中，步骤(1)中所述硅源可以为正硅酸乙酯(TEOS)。
本发明中，步骤(2)中所述磷源可以为磷酸三甲酯(TMP)或磷酸三乙酯(TEP)。
本发明中，步骤(3)中所述钙源可以为四水硝酸钙。
本发明中，所述氨水的浓度为25～28wt％。
本发明中，步骤(1)所述有机溶剂可以为甲醇、乙醇、丙醇或丁醇。
本发明中，步骤(3)中所述浸泡液可以为摩尔浓度为0.1～10mol/L的氢氧化钠溶液。
本发明利用模板剂组装，结合溶胶-凝胶法制备得到的提供的有序多孔羟基磷灰石材料，该材料具有均一的孔径，孔径大小可调(100～500nm)，孔径排列有序，孔与孔之间相互连通，在700℃以下仍有很高的热稳定性，拓宽了大孔材料的种类和用途。
利用本发明方法制得的有序多孔羟基磷灰石材料具有较大比表面积，可吸附蛋白等生物大分子，可用于生物标记、药物载体、固定化酶等领域。
本发明具有以下优点：
(1)本发明反应条件温和，操作简便易行，原料简单易得。
(2)本发明通过改变原料配比，可以制备不同孔径大小的SiO2微球，从而制得不同孔径的有序多孔羟基磷灰石材料。
(3)本发明采用胶晶模板法结合溶胶-凝胶法制备的有序多孔羟基磷灰石材料，具有孔道结构有序，孔径单一、孔分布均匀、比表面积大等特点；材料本身具有优异的生物相容性和生物活性，无毒性，吸附性能强，几百nm级的孔道有利于吸附各种蛋白、酶及医药大分子，可用于生物标记、固定化酶、药物载体等领域。
附图说明
图1为实施例2中单分散SiO2凝胶微球的透射电镜照片，表明所制备的SiO2具有较圆的外形和均一的尺寸。
图2为实施例2中有序SiO2模板的环境扫描电镜照片，表明SiO2微球排列非常有序。
图3为实施例2中有序多孔羟基磷灰石的环境扫描电镜照片，直观给出了材料有序均一的孔道结构。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例1
(1)取12ml水、7ml氨水、6ml正硅酸乙酯和70ml甲醇在25℃恒温水浴中搅拌反应3.5小时后，离心洗涤干燥后，得到130nm左右的SiO2微球；将微球重新分散在乙醇中，配成5wt％悬浊液，静止7天后可得SiO2胶晶模板；
(2)取13.753g四水硝酸钙、10.5ml水、4ml磷酸三乙酯和10ml乙醇混合均匀后，滴入氨水调节pH值＝8，然后在80℃恒温水浴中搅拌24小时得到羟基磷灰石溶胶，把该溶胶滴入步骤(1)中已制备的SiO2胶晶模板中，50℃干燥12小时后，于马沸炉中在600℃煅烧3小时；
(3)把步骤(2)所得的烧结体放入3.75mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡后即得有序多孔羟基磷灰石材料，所得孔径在100nm左右。
实施例2
(1)取14ml水、18ml氨水、8ml正硅酸乙酯和40ml乙醇在30℃恒温水浴中搅拌反应2小时后，离心洗涤干燥后，得到300nm左右的SiO2微球；将微球重新分散在乙醇中，配成5wt％悬浊液，静止7天后可得SiO2胶晶模板；
(2)取13.753g四水硝酸钙、10.5ml水、5ml磷酸三甲酯和14ml乙醇混合均匀后，滴入氨水调节pH值＝8，然后在75℃恒温水浴中搅拌30小时得到羟基磷灰石溶胶，把该溶胶滴入步骤(1)中已制备的SiO2胶晶模板中，50℃干燥12小时后，于马沸炉中在600℃煅烧3小时；
(3)把步骤(2)所得的烧结体放入5mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡后即得有序多孔羟基磷灰石材料，所得孔径在250nm左右。
实施例3
(1)取24ml水、40ml氨水、12ml正硅酸乙酯和40ml乙醇在40℃恒温水浴中搅拌反应1小时后，离心洗涤干燥后，得到550nm左右的SiO2微球；将微球重新分散在乙醇中，配成5wt％悬浊液，静止7天后可得SiO2胶晶模板；
(2)取13.753g四水硝酸钙、10.5ml水、5ml磷酸三甲酯和14ml乙醇混合均匀后，滴入氨水调节pH值＝8，然后在80℃恒温水浴中搅拌24小时得到羟基磷灰石溶胶，把该溶胶滴入步骤(1)中已制备的SiO2胶晶模板中，70℃干燥5小时后，于马沸炉中在550℃煅烧3小时；
(3)把步骤(2)中的烧结体放入7mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡后即得有序多孔羟基磷灰石材料，所得孔径在500nm左右。
实施例4
(1)取24ml水、40ml氨水、12ml正硅酸乙酯和40ml丁醇在40℃恒温水浴中搅拌反应1小时后，离心洗涤干燥后，得到550nm左右的SiO2微球；将微球重新分散在乙醇中，配成10wt％悬浊液，静止5天后可得SiO2胶晶模板；
(2)取13.753g四水硝酸钙、10.5ml水、5ml磷酸三甲酯和14ml乙醇混合均匀后，滴入氨水调节pH值＝9，然后在80℃恒温水浴中搅拌36小时得到羟基磷灰石溶胶，把该溶胶滴入步骤(1)中已制备的SiO2胶晶模板中，70℃干燥5小时后，于马沸炉中在550℃煅烧3小时；
(3)把步骤(2)中的烧结体放入1mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡后即得有序多孔羟基磷灰石材料，所得孔径在500nm左右。
实施例5
(1)取18ml水、20ml氨水、12ml正硅酸乙酯和40ml丙醇在30℃恒温水浴中搅拌反应2小时后，离心洗涤干燥后，得到380nm左右的SiO2微球；将微球重新分散在乙醇中，配成7.5wt％悬浊液，静止5天后可得SiO2胶晶模板；
(2)取13.753g四水硝酸钙、10.5ml水、4ml磷酸三乙酯和10ml乙醇混合均匀后，滴入氨水调节pH值＝7.5，然后在80℃恒温水浴中搅拌48小时得到羟基磷灰石溶胶，把该溶胶滴入步骤(1)中已制备的SiO2胶晶模板中，50℃干燥24小时后，于马沸炉中在600℃煅烧2.5小时；
(3)把步骤(2)中的烧结体放入0.5mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡后即得有序多孔羟基磷灰石材料，所得孔径在300nm左右。
Claims (5)
1、一种有序多孔羟基磷灰石材料的制备方法，其特征在于包括采用硅源得到单分散SiO2微球并组装形成有序模板、羟基磷灰石前驱液在有序模板中的渗透以及有序模板去除，具体包步骤如下：
(1)有序模板的制备
以硅源、水为原料，氨水为催化剂，将硅源、催化剂和水按下述摩尔比加入到有机溶剂中混合，在20～40℃的恒温水浴中搅拌0.5～4小时，形成单分散球形SiO2微球，离心，洗涤，干燥，重新分散在溶剂中，形成1～10wt％悬浊液，静置、自然沉降、室温干燥，即得有序SiO2胶晶模板，其中：硅源∶催化剂∶水＝1∶(1.5～5)∶(10～40)；
(2)羟基磷灰石前驱液在有序模板中的渗透
将钙源、磷源、水和乙醇在70-90℃的恒温水浴中搅拌反应24～48h，调节溶胶的pH值为7-9，得到羟基磷灰石溶胶，即为最终材料的前驱体溶液；将该前驱体溶液滴入到步骤(1)所得的有序胶晶模板中，干燥固化，然后在500-900℃温度下煅烧2～4小时；
(3)模板的去除
将步骤(2)中得到的烧结体在浸泡液中浸泡后，除去SiO2模板，即得有序多孔羟基磷灰石材料；
其中，步骤(1)中所述硅源为正硅酸乙酯，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇或丁醇，所述氨水的浓度为25～28wt％。步骤(3)中所述浸泡液采用摩尔浓度为0.1～10mol/L的氢氧化钠溶液。
2、根据权利要求1所述的有序多孔羟基磷灰石材料的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述磷源为磷酸三甲酯或磷酸三乙酯。
3、根据权利要求1所述的有序多孔羟基磷灰石材料的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述钙源为四水硝酸钙。
4、根据权利要求1所述的有序多孔羟基磷灰石材料的制备方法，其特征在于所得到的有序多孔羟基磷灰石材料，孔径为100～500nm，孔径排列有序，孔与孔之间相互连通，在700℃以下仍有很高的热稳定性。
5、一种如权利要求1所述的方法制备得到的有序多孔羟基磷灰石材料在生物标记、药物载体和固定化酶领域的应用。
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