CN101891175B

CN101891175B - 牙釉质状羟基磷灰石及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN101891175B
Application number: CN2010102217096A
Authority: CN
Inventors: 祝迎春; 阮启超
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Jiangsu Institute Of Advanced Inorganic Materials
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-07-08
Also published as: CN101891175A

Abstract

本发明属于生物医学材料技术领域，具体涉及一种牙釉质状羟基磷灰石及其制备方法和应用，具体来说，涉及一种双元聚电解质诱导合成牙釉质状羟基磷灰石的方法。该方法以可溶性钙盐和可溶性磷酸盐为原料，以由水溶性阳离子聚电解质和有机多元酸组成的双元聚电解质为模板，制备得到的羟基磷灰石纳米棒沿着特定的方向生长，并相互平行紧密堆积形成牙釉质状结构。纳米棒的直径为30～200nm。该方法提供了一种制备牙釉质状结构羟基磷灰石的方法，不仅有利于我们进一步理解釉质晶体的生物矿化过程，且有助于提高羟基磷灰石机械性能，扩展其在牙/骨替代材料方面的应用，为高质量医用羟基磷灰石材料的获取及推广提供了新的可能。

Description

牙釉质状羟基磷灰石及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于生物医学材料技术领域，具体涉及一种牙釉质状羟基磷灰石及其制备方法和应用。

背景技术

牙釉质是牙冠外层的白色半透明的钙化程度最高的坚硬组织，主要起保护牙齿内部的作用，是人体中最坚硬的物质，其硬度仅次于金刚石。其独特的力学性能主要归功于牙釉质高度精密的多级结构。这种复杂的多级结构的形成以及釉质晶体的成熟是通过对有机组元的消耗来完成的。在牙釉质形成过程中，随着矿物的成熟，蛋白质量减少，于是得到高矿物含量的牙釉质。这也导致了牙釉质在遭到破坏之后，将无法自发的再生。因此，牙釉质结构的重建和制备无论是在临床牙医学还是在材料科学中都具有重大的意义。

羟基磷灰石是动物与人体骨骼的主要无机成分，具有良好的生物活性和生物相容性。羟基磷灰石的制备大多采用化学法，常用的制备方法有液相沉淀法、水热法、溶胶凝胶法等。采用不同的方法制备，得到不同形貌和结构的羟基磷灰石。羟基磷灰石的特性是与其比表面积、粒径大小、粒径分布以及烧结活性等密切相关，羟基磷灰石的生物活性受其Ca/P、碳酸盐及杂质含量、结晶尺寸、形貌、样品结构、烧结过程等因素的影响，制备出不同形态的羟基磷灰石是羟基磷灰石的优异性能得到充分利用的关键。

近年来临床上多采用玻璃离子水门汀、光固化复合树脂和Dyract复合体对缺损的牙釉质进行修复。然而，这些复合充填料均不能得到理想的效果，单靠材料的化学粘结易造成充填物脱落。近年来，国内外类牙釉质生物材料的研究主要集中在有机基质(蛋白质、非蛋白大分子和聚合物凝胶等)对羟基磷灰石晶体生长的调控等方面的探索。南加州大学牙科学院的Moradian-Oldak小组的研究表明，在成釉蛋白的调控下，腐蚀后的釉质表面在钙磷过饱和液中，可以重新矿化生成具有类牙釉质结构的HAp晶体[Fan，Y.；Sun，Z.；Moradian-Oldak，J.Biomaterials.2009，30，478-483]。北京大学陈海峰课题组以乙二胺四乙酸盐为调控剂，在金属表面合成了羟基磷灰石阵列[Chen，HF.et al.Adv.Mater.200618，1846-1851]。德国马普研究所的Busch等首次利用分子仿生合成技术，在牙釉质表面涂布混合凝胶作为矿化模板，从而得到了具有类似釉质结构的氟化磷灰石层[Busch，S.Angew.Chem.Int.Edit.2004，43，1428-1431]。目前，仿生牙材料的研究尚没有大的进展，人们对于牙体组织修复和再生还处于初步探索阶段，牙釉质复杂的多级有序结构的人为再生仍然无法实现。

相变被认为是生物矿物形成过程中的重要步骤。尽管釉质生成过程中的晶体相变机理还尚未探明，但是普遍理论认为成釉蛋白的“纳米球链”组装结构在牙釉矿化的过程中起着至关重要的调控作用。研究表明，蛋白分子的N端在组装的过程中起着重要作用，而其C端则暴露在组装体外与羟基磷灰石晶体相互作用并调控其生长。根据这些原理，就可以设计一种双元聚电解质复合物来模拟成釉蛋白的功能，来实现类牙釉质结构的仿生合成，进而形成牙釉质状羟基磷灰石。然而本领域目前与此相关的报道还非常少。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种牙釉质状羟基磷灰石及其制备方法和应用。具体来说，本发明涉及一种在双元聚电解质调控合成具有牙釉质状结构的羟基磷灰石晶体的方法，本发明的制备方法在双元聚电解质复合物的调控下，首先生成的块状透磷钙石(宽度为0.5-2μm，长度为1-10μm)通过晶体内部的均匀相变，逐渐形成具有类牙釉质结构的羟基磷灰石，以此方法制得的羟基磷灰石晶体的直径为30～200nm。

本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：

一种牙釉质状羟基磷灰石的制备方法，该方法以可溶性钙盐和可溶性磷酸盐为原料，在由水溶性阳离子聚电解质和有机多元酸组成的双元聚电解质复合物的调控作用下，经水热反应制得具有牙釉质状羟基磷灰石。

较佳的，所述块状透磷钙石的宽度为0.5～2μm，长度为1～10μm；所述具有类牙釉质结构的羟基磷灰石的微观组成单元为直径为30～200nm的纳米棒，所述纳米棒沿着特定的方向生长，并相互平行紧密堆积形成牙釉质状结构。

较佳的，所述可溶性钙盐选自四水硝酸钙和二水氯化钙中的一种。

较佳的，所述可溶性磷酸盐选自磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢铵和磷酸氢二铵中的一种。

较佳的，所述水溶性聚电解质选自聚乙烯亚胺、聚丙烯酰胺、壳聚糖和它们的衍生物中的一种或多种的混合，进一步优选为聚乙烯亚胺。

较佳的，所述有机多元酸选自马来酸(顺丁烯二酸)、富马酸(反丁烯二酸)、草酸(乙二酸)、琥珀酸(丁二酸)、酒石酸(2，3-二羟基丁二酸)和苹果酸(2-羟基丁二酸)中的一种或多种的混合，进一步优选为马来酸。

较佳的，所述牙釉质状羟基磷灰石的制备方法包括如下步骤：配制含有水溶性阳离子聚电解质，有机多元酸和尿素的水溶液；接着向制得的水溶液中加入可溶性钙盐和可溶性磷酸盐，搅拌后制得反应液；反应液进行水热反应，水热反应结束后，冷却至室温，反应产物经抽滤、水洗和醇洗，并在空气中干燥后即可制得牙釉质状羟基磷灰石。

优选的，所述水溶液中，水溶性阳离子聚电解质的含量为10～100mg/ml，尿素的含量为10wt％～30wt％，有机多元酸的浓度为5～50mg/ml。

优选的，所述反应液中，可溶性钙盐的浓度为0.1～1mol/L，钙/磷的摩尔比(Ca/P)为1～2.7∶1。

优选的，所述搅拌时间为5～30分钟。

优选的，所述水热反应的反应温度为70～150℃，反应时间为20～120小时。

优选的，所述干燥过程为在空气中干燥，干燥温度为20～90℃，干燥时间为2～48h。

本发明的方法首先生成宽度为0.5～2μm，长度为1～10μm的透磷钙石，然后生成的透磷钙石的晶体内部发生均匀相变后得到牙釉质状羟基磷灰石是由块状透磷钙石，该牙釉质状羟基磷灰石的组成单元为纳米棒，其直径为30～200nm，纳米棒沿着特定的方向生长，并相互平行紧密堆积形成牙釉质状结构。本发明中制得的牙釉质状羟基磷灰石可用于人体硬组织牙(或骨)缺损填充修复材料、注入缺损部位凝固或牙(或骨)替代材料。

对本发明中制得的牙釉质状羟基磷灰石进行结构表征及性能评价，评价方法如下：

广角X射线衍射仪(XRD)分析产物的物相，使用的仪器型号为Rigaku D/Max2550V，采用铜靶，Cu Kα射线

场发射扫描电子显微镜(SEM)用来观察产物的形貌，使用的仪器型号为JSM-6700F，加速电压为10kv。

场发射透射电镜(TEM)分析产物的形貌、粒径等，使用的仪器型号为JEOLJEM-2100F，加速电压为200kv。

本发明通过通过水溶性阳离子聚电解质和有机多元酸组成的双元聚电解质为模板，制备具有类似牙釉质结构的羟基磷灰石，起到了模拟成釉蛋白功能的作用，并且有助于提高羟基磷灰石的机械性能，因此，不仅有利于我们进一步理解釉质晶体的生物矿化过程，同时为高质量医用羟基磷灰石材料的获取及推广提供了新的可能。本发明所得到的羟基磷灰石可用于人体硬组织牙(骨)缺损填充修复材料、注入缺损部位凝固或牙(骨)替代材料。克服了现有技术中存在的羟基磷灰石尺寸、形貌不易控制，机械性能较差，应用性能及应用范围受限等缺陷。

附图说明

图1为天然牙釉质和实施例1中制得的牙釉质状羟基磷灰石的扫描电镜图；其中图1(a)为牙釉质的扫描电镜图，图1(b)为实施例1中制得产物的扫描电镜图。

图2为不同反应时间得到的产物的XRD图谱；图2(a)1h，图2(b)4h，图2(c)8h，图2(d)12h，图2(e)24h，图2(f)96h。

图3为不同反应时间得到产物的透射电镜图、电子衍射图和高分辨照片；图3(a)1h，图3(b)8h，图3(c)96h。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步描述本发明的技术方案。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

对比例1：

聚乙烯亚胺(PEI)诱导羟基磷灰石的形成，具体工艺如下：首先配制含有40mg/ml聚乙烯亚胺(PEI)和24wt％尿素的水溶液。接着向上述溶液中加入硝酸钙和磷酸二氢钠，并搅拌15分钟。其中，其中硝酸钙的浓度为0.14mol/L，钙/磷的摩尔比(Ca/P)为1.7。随后将反应液倒入水热釜中，在80℃反应96小时。反应结束后，自然冷却至室温。最后，产物经抽滤，水洗和醇洗，再在40℃下干燥48小时。

利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和透射电镜(TEM)对所得到的产物进行表征。表征结果表明，所得的产物为块状羟基磷灰石。

对比例2：

马来酸(MAc)诱导羟基磷灰石的形成，具体工艺如下：首先配制含有20mg/ml马来酸(MAc)和24wt％尿素的水溶液。接着向上述溶液中加入硝酸钙和磷酸二氢钠，并搅拌15分钟。其中，其中硝酸钙的浓度为0.14mol/L，钙/磷的摩尔比(Ca/P)为1.7。随后将反应液倒入水热釜中，在80℃反应96小时。反应结束后，自然冷却至室温。最后，产物经抽滤，水洗和醇洗，再在40℃下干燥48小时。

利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和透射电镜(TEM)对所得到的产物进行表征。表征结果表明，所得的产物为孔状羟基磷灰石。

实施例1：

分别按下表1中指定的各组分及参数，利用聚乙烯亚胺(P EI)与顺丁烯二酸(MAc)共同诱导磷酸钙盐的形成，具体工艺如下：首先配制含有PEI、MAc和24wt％尿素的水溶液。接着向上述溶液中加入硝酸钙和磷酸二氢钠，并搅拌15分钟。随后将反应液倒入水热釜中，在80℃反应。反应结束后，自然冷却至室温。最后，产物经抽滤，水洗和醇洗，再在40℃下干燥48小时。

利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和透射电镜(TEM)对所得到的产物进行表征。图1为天然牙釉质和实施例1中制得的牙釉质状羟基磷灰石的扫描电镜图；其中图1(a)为牙釉质的扫描电镜图，图1(b)为实施例1中制得产物的扫描电镜图。结果表明，本实施例中制得的羟基磷灰石具有与牙釉质类似的结构。图2为不同反应时间得到的产物的XRD图谱；图2(a)1h，图2(b)4h，图2(c)8h，图2(d)12h，图2(e)24h，图2(f)96h。结果表明，羟基磷灰石相是由透磷钙石相转变得到。图3为不同反应时间得到产物的透射电镜图、电子衍射图和高分辨照片；图3(a)1h，图3(b)8h，图3(c)96h。结果表明，羟基磷灰石相是由透磷钙石相转变得到，并且相转变是由晶体的内部引发的均匀变化。表征结果表明，所得的产物为牙釉质状的羟基磷灰石。其组成单元(纳米棒)都沿着特定的方向生长，并且平行紧密排列。纳米棒的直径为30-200nm。

实施例2：

按下表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，但用氯化钙代替硝酸钙。结果与实施例1类似。

实施例3：

按下表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，但用磷酸二氢钾代替磷酸二氢钠。结果与实施例1类似。

实施例4：

按下表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，但用聚丙烯酰胺代替聚乙烯亚胺。结果与实施例1类似。

实施例5：

按下表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，但用壳聚糖代替聚乙烯亚胺。结果与实施例1类似。

实施例6：

按下表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，但用草酸代替马来酸。结果与实施例1类似。

实施例7：

按下表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，但用酒石酸代替马来酸。结果与实施例1类似。

表1实施例1～7中反应参数列表

实施例8：

配制含有聚乙烯亚胺，琥珀酸和尿素的水溶液，水溶液中，聚乙烯亚胺的浓度为10mg/ml，琥珀酸的浓度为5mg/ml，尿素的浓度为10wt％；接着向制得的水溶液中加入四水合硝酸钙和磷酸氢二铵搅拌5分钟后制得反应液，该反应液中，四水合硝酸钙的浓度为0.1mol/L，且Ca/P为1∶1；反应液进行水热反应，水热反应的温度为70℃，反应时间为120小时，水热反应结束后，冷却至室温，反应产物经抽滤、水洗和醇洗，并在空气中干燥，干燥温度为20℃，干燥时间为48小时，干燥后即可制得牙釉质状羟基磷灰石。结果表明，本实施例中制得的羟基磷灰石具有与牙釉质类似的结构。且羟基磷灰石相是由透磷钙石相转变得到。

实施例9：

配制含有聚乙烯亚胺，富马酸和尿素的水溶液，水溶液中，聚乙烯亚胺的浓度为100mg/ml，富马酸的浓度为50mg/ml，尿素的浓度为30wt％；接着向制得的水溶液中加入四水合硝酸钙和磷酸氢二铵搅拌30分钟后制得反应液，该反应液中，四水合硝酸钙的浓度为1mol/L，且Ca/P为2.7∶1；反应液进行水热反应，水热反应的温度为150℃，反应时间为20小时，水热反应结束后，冷却至室温，反应产物经抽滤、水洗和醇洗，并在空气中干燥，干燥温度为90℃，干燥时间为2小时，干燥后即可制得牙釉质状羟基磷灰石。结果表明，本实施例中制得的羟基磷灰石具有与牙釉质类似的结构。且羟基磷灰石相是由透磷钙石相转变得到。

Claims

1.一种牙釉质状羟基磷灰石的制备方法，该方法以可溶性钙盐和可溶性磷酸盐为原料，在由水溶性阳离子聚电解质和有机多元酸组成的双元聚电解质复合物的调控作用下，经水热反应制得具有牙釉质状的羟基磷灰石，所述水溶性阳离子聚电解质选自聚乙烯亚胺、聚丙烯酰胺和壳聚糖中的一种或多种的混合，所述有机多元酸选自马来酸、富马酸、草酸、琥珀酸、酒石酸和苹果酸中的一种或多种的混合。

2.如权利要求1中所述的牙釉质状羟基磷灰石的制备方法，其特征在于，所述可溶性钙盐选自四水硝酸钙和二水氯化钙中的一种；所述可溶性磷酸盐选自磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢铵和磷酸氢二铵中的一种。

3.如权利要求1～2中任一所述的牙釉质状羟基磷灰石的制备方法，其特征在于，所述牙釉质状羟基磷灰石的制备方法包括如下步骤：配制含有水溶性阳离子聚电解质，有机多元酸和尿素的水溶液；接着向制得的水溶液中加入可溶性钙盐和可溶性磷酸盐，搅拌后制得反应液；反应液进行水热反应，水热反应结束后，冷却至室温，反应产物经抽滤、水洗和醇洗，并经干燥后即可制得牙釉质状羟基磷灰石。

4.如权利要求3中所述的牙釉质状羟基磷灰石的制备方法，其特征在于，所述含有水溶性阳离子聚电解质，有机多元酸和尿素的水溶液中，水溶性阳离子聚电解质的含量为10～100mg/mL，尿素的含量为10wt％～30wt％，有机多元酸的浓度为5～50mg/mL。

5.如权利要求3中所述的牙釉质状羟基磷灰石的制备方法，其特征在于，所述反应液中，可溶性钙盐的浓度为0.1～1mol/L，钙/磷的摩尔比为1～2.7∶1。

6.如权利要求3中所述的牙釉质状羟基磷灰石的制备方法，其特征在于，所述水热反应的反应温度为70～150℃，反应时间为20～120小时。

7.一种牙釉质状羟基磷灰石，由权利要求1～6中任一所述的制备方法制得。

8.权利要求7中所述的牙釉质状羟基磷灰石用作人体硬组织牙/骨缺损填充修复材料、注入缺损部位凝固或牙/骨替代材料。