CN102390823B - 一种纳米掺锶羟基磷灰石粉体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米掺锶羟基磷灰石粉体的制备方法,将配好的Ca(NO3)2·4H2O与Sr(NO3)2·4H2O溶于水中形成1#溶液,将Na2HPO4·12H2O溶于水中形成2#溶液,调节1#、2#溶液pH值为9~11;将2#溶液缓慢加入到1#溶液中并调整混合液pH值为9~11;混合液升温至60~80℃后,搅拌1~3小时,再次调整pH值至9~11;再升温至130~170℃后,保温4~8小时进行水热反应;水热反应后依次经冷却、抽滤、洗涤、烘干即得到掺锶羟基磷灰石粉体。本方法简单、经济、可控,实验条件比较宽松,在较大的Ca/Sr比和温度范围内均可得到粒径十分均匀的较纯的掺锶HA粉体,便于应用于工业大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种棒状纳米掺锶羟基磷灰石粉体的制备技术,属于化学和生物材料领域。纳米掺锶羟基磷灰石具有优良的生物相容性和生物活性,被认为是最有前途的人工齿和人工骨替换材料,其化学分子式为Ca10-x Srx(PO4)6(OH)2。
背景技术
羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2,简写为HA)与人骨、牙釉质和牙本质的矿物质组分及结构相似,因此具有良好的生物相容性和生物活性。人工合成HA陶瓷被大量地应用于骨替换植入材料,在硬组织修复材料领域中有很大的应用价值,被认为是最有前景的人工齿和人工骨替换材料。然而人工合成的HA用于硬组织的置换还存在一些不足:如骨诱导性差,脆性大,在体内不容易降解等。而通过在传统的HA当中加入锶,可以对HA的性能进行改良,从而提高生物相容性,并有利于细胞的黏附和增殖。
HA具有较强的活性,分子结构中的Ca可以被别的元素取代。Sr离子和Ca离子之间具有相似的化学性质,用Sr元素替换纳米HA中的部分钙元素,可以得到纳米的掺Sr的HA。Sr存在于骨头的矿物区中,特别是在一些高代谢的关节处,Sr元素在治愈骨质疏松上的作用是比较显著的,同时可以增加造骨细胞和减少破骨细胞的数量并抑制其活性,并且Sr还可以抑制骨的消融并刺激骨的形成。Lin等通过对含不同浓度锶的HA的研究表明,锶的加入还可以调节其内部结构,拓宽骨晶体的尺寸,增加骨的强度(Synthesis, Characterization and Antibacterial Property of Strontium Half and Totally Substituted Hydroxyapatite Nanoparticles. DOI 10.1007/s11595-006-4475-2)。
总的来说,Sr掺入HA中有以下几方面的意义:第一,增加机械性能,由于少量锶元素的置换,在一定程度上减少了晶格缺陷,使原子间的排列更加紧密,起到了一种化学强化的作用。第二,增强骨的诱导性和提高其生物降解率,因为Sr的加入形成置换固溶体,并使HA的晶格发生形态的改变,从而改变其结晶性和生物降解性。第三,更好的生物相容性,在自然骨中Sr是一种微量元素,加了Sr的HA与自然骨更接近。第四,良好的安全性,加Sr后的HA实验证明是无毒的。
关于纳米HA合成的研究,重点是控制其形态、尺寸和结构,因为这些参数对烧结磷酸钙盐的强度、细胞毒性及其在应用过程中的骨整合性有着强烈的影响。常用的制备方法有化学法、水热法及溶胶-凝胶法等。化学沉淀法制备磷酸钙粉体的形貌无规则、均匀性差;溶胶-凝胶法得到的粉体结晶度差,一般需要进一步烧结得到所需晶体;相比而言,水热法是一种简单而实用的方法,制备的磷酸钙粉体结晶度好,形貌单一。另外,在水热合成过程中,可以通过加入乙二醇、乙烯二胺四乙酸(EDTA)和柠檬酸等表面活性剂来调控磷酸钙盐的形态和尺寸。利用水热法制备纳米掺锶HA的制备较少见报道。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足,本发明的目的在于提供一种工艺简单、制备条件宽松的纳米掺锶羟基磷灰石粉体的制备方法,本方法所得掺锶羟基磷灰石粉体纯度高,粒径十分均匀。
本发明的技术方案是这样实现的:一种纳米掺锶羟基磷灰石粉体的制备方法,其制备步骤为:
(1)按Sr/(Ca+Sr)摩尔比为(3~12)∶100和(Ca+Sr)/P摩尔比为10∶6对Ca(NO3)2·4H2O、Sr(NO3)2·4H2O和Na2HPO4·12H2O进行配料;
(2)将Ca(NO3)2·4H2O与Sr(NO3)2·4H2O共同溶于水中形成1#溶液,1#溶液中Ca2+与Sr2+的浓度和为0.1~0.25mol/L;将Na2HPO4·12H2O溶于水中形成2#溶液,分别调节1#溶液和2#溶液pH值为9~11;
(3)在搅拌的条件下,将2#溶液缓慢加入到1#溶液中形成混合液,并调整混合液pH值为9~11;
(4)将第(3)步所得的混合液升温至60~80℃后,恒温磁力搅拌1~3小时,搅拌完成后再次调整pH值至9~11;
(5)将第(4)步所得的混合液升温至130~170℃后,保温4~8小时进行水热反应;
(6)水热反应结束后冷却至室温,对混合液进行抽滤,再用无水乙醇和蒸馏水交替洗涤滤饼直到滤液pH值不再发生变化,最后将滤饼在60~80℃下恒温烘干即得到掺锶羟基磷灰石粉体。
由于水热反应过程中有大量的HNO3生成,为了减小反应过程pH值的变化,本发明在1#溶液中加入有Na2EDTA·2H2O,(Ca+Sr)/EDTA摩尔比为(4~6)∶1。
相比现有技术,本发明具有如下两个主要优点:
1.实验方法简单、经济、可控,实验条件比较宽松,在较大的Ca/Sr比和温度范围内均可得到较纯的掺锶HA粉体,便于应用于工业大规模生产;
2.利用Na2EDTA控制水热反应条件,可以得到粒径十分均匀的纯的掺锶HA粉体,纯度高于95%,且Na2EDTA可以经过简单回收实现二次利用。
附图说明
图1-本发明掺锶羟基磷灰石粉体制备流程图。
图2-实施例1制备得到的掺锶HA的透射电镜照片。
具体实施方式
本发明纳米掺锶羟基磷灰石粉体的制备方法,其制备步骤为,同时参见图1:
(1)按Sr/(Ca+Sr)摩尔比为(3~12)∶100和(Ca+Sr)/P摩尔比为10∶6对Ca(NO3)2·4H2O、Sr(NO3)2·4H2O和Na2HPO4·12H2O进行配料。
(2)将Ca(NO3)2·4H2O与Sr(NO3)2·4H2O共同溶于水中形成1#溶液,1#溶液中Ca2+与Sr2+的浓度和为0.1~0.25mol/L;将Na2HPO4·12H2O溶于水中形成2#溶液,分别用NaOH溶液调节1#溶液和2#溶液pH值为9~11。
(3)在搅拌的条件下,将2#溶液缓慢加入到1#溶液中形成混合液,并用NaOH溶液调整混合液pH值为9~11;混合时在搅拌的条件下进行,能使之充分均匀混合。
(4)将第(3)步所得的混合液升温至60~80℃后,恒温磁力搅拌1~3小时,搅拌完成后再次用NaOH溶液调整pH值至9~11。
(5)将第(4)步所得的混合液升温至130~170℃后,保温4~8小时进行水热反应。
(6)水热反应结束后冷却至室温,对混合液进行抽滤,再用无水乙醇和蒸馏水交替洗涤滤饼直到滤液pH值不再发生变化,最后将滤饼在60~80℃下恒温烘干即得到掺锶羟基磷灰石粉体。经透射电子显微镜观察证实,最终得到的掺杂HA粉体为尺寸为50~70nm左右的纳米晶体。
水热反应过程为:(10-x) Ca(NO3)2·4H2O + x Sr(NO3)2·4H2O + 6 Na2HPO4·12H2O → Ca10-x Srx(PO4)6(OH)2 + 12 NaNO3 + 8 HNO3 + 110H2O, 可见反应过程中有大量的HNO3生成,为了减小反应过程pH值的变化,初始Ca(NO3)2·4H2O和Sr(NO3)2·4H2O混合溶液(即1#溶液)中加入适量的Na2EDTA·2H2O作为辅助剂,对控制反应产物的纯度能起到很好的效果,(Ca+Sr)/EDTA摩尔比为(4~6)∶1。
本发明制备的纳米掺锶羟基磷灰石粉体可以经过烧结制备掺杂HA陶瓷。本发明的纳米掺杂HA粉体的长度为50~70nm左右,Sr的实际掺杂量为2mol.%~10mol. %。
下面通过实施例,对本发明的技术方案作进一步具体说明。
实施列1:
称取0.0025mol(约0.931g)Na2EDTA·2H2O粉体、0.011875mol(约2.804g)Ca(NO3)2·4H2O和0.000625mol(约0.177g)Sr(NO3)2·4H2O粉体,依次溶入40毫升去离子水并充分搅拌溶解,用50毫升容量瓶定容,配制得到1#溶液;称取0.0075mol(约2.686g)Na2HPO4·12H2O溶入40毫升去离子水中并搅拌至完全溶解,配制得到2#溶液;用提前配好的5mol/L的NaOH溶液将1#和2#溶液调整pH=10,在剧烈搅拌的条件下,将2#溶液逐滴加入到1#溶液中,滴加完成后得到100毫升混合溶液,用5mol/L的NaOH溶液调整混合液pH=10;然后将100毫升混合液恒温60℃磁力搅拌2小时,搅拌完成后再次用5mol/L的NaOH调整pH=10,然后将混合液放到聚四氟乙烯反应釜中,使其在干燥箱中进行水热反应,水热温度为150 ℃,时间为6小时;完成水热反应后,对混合液进行抽滤,同时用蒸馏水-乙醇-蒸馏水-乙醇对析出的沉淀物反复进行四次清洗;最后,在干燥箱中恒温60 ℃,10小时粉体烘干。
实施例1制备得到的掺锶HA的透射电镜照片见图2,粉体粒径为70nm左右。实施例1中,Sr/(Ca+Sr)摩尔比为5∶100,制得的纳米掺杂HA粉体记作Sr5HA。
实施例2:
称取0.0025mol(约0.931g)Na2EDTA·2H2O粉体、0.01125mol(约2.657g)Ca(NO3)2·4H2O和0.00125mol(约0.355g)Sr(NO3)2·6H2O粉体,依次溶入40毫升去离子水并充分搅拌溶解,用50毫升容量瓶定容,配制得到1#溶液;称取0.0075mol(约2.686g)Na2HPO4·12H2O溶入40毫升去离子水中并搅拌至完全溶解,配制得到2#溶液;用提前配好的5mol/L的NaOH溶液将1#和2#溶液调整pH=10,在剧烈搅拌的条件下,将2#溶液逐滴加入到1#溶液中,滴加完成后得到100毫升混合溶液,用5mol/L的NaOH溶液调整混合液pH=10;然后将100毫升混合液恒温60℃磁力搅拌2小时,搅拌完成后再次用5mol/L的NaOH调整pH=10,然后将混合液放到聚四氟乙烯反应釜中,使其在干燥箱中进行水热反应,水热温度为150 ℃,时间为6小时;完成水热反应后,对混合液进行抽滤,同时用蒸馏水-乙醇-蒸馏水-乙醇对析出的沉淀物反复进行四次清洗;最后,在干燥箱中恒温60℃,10小时将粉体烘干。
实施例2中,Sr/(Ca+Sr)摩尔比为10∶100,制得的纳米掺杂HA粉体记作Sr10HA。
Claims (2)
1.一种纳米掺锶羟基磷灰石粉体的制备方法,其特征在于,其制备步骤为:
(1)按Sr/(Ca+Sr)摩尔比为(3~12)∶100和(Ca+Sr)/P摩尔比为10∶6对Ca(NO3)2·4H2O、Sr(NO3)2·4H2O和Na2HPO4·12H2O进行配料;
(2)将Ca(NO3)2·4H2O与Sr(NO3)2·4H2O共同溶于水中形成1#溶液,1#溶液中Ca2+与Sr2+的浓度和为0.1~0.25mol/L;将Na2HPO4·12H2O溶于水中形成2#溶液,分别调节1#溶液和2#溶液pH值为9~11;
(3)在搅拌的条件下,将2#溶液缓慢加入到1#溶液中形成混合液,并调整混合液pH值为9~11;
(4)将第(3)步所得的混合液升温至60~80℃后,恒温磁力搅拌1~3小时,搅拌完成后再次调整pH值至9~11;
(5)将第(4)步所得的混合液升温至130~170℃后,保温4~8小时进行水热反应;
(6)水热反应结束后冷却至室温,对混合液进行抽滤,再用无水乙醇和蒸馏水交替洗涤滤饼直到滤液pH值不再发生变化,最后将滤饼在60~80℃下恒温烘干即得到掺锶羟基磷灰石粉体;
所述1#溶液中加入有Na2EDTA·2H2O,(Ca+Sr)/EDTA摩尔比为(4~6)∶1。
2.根据权利要求1所述的纳米掺锶羟基磷灰石粉体的制备方法,其特征在于:所有需要调节pH值的地方均使用NaOH溶液。
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