表面多孔的椭球形离子掺杂型羟基磷灰石微球的制备方法

摘要

本发明涉及表面多孔的椭球形离子掺杂型羟基磷灰石微球的制备方法。本发明以椭球形碳酸钙微球为前驱体制备椭球形羟基磷灰石微球，并实现了多种微量离子(Mg，Sr，Zn，Ag，Fe，Si，Y，F，Cl等)和荧光离子(Eu)的载覆。在椭球形碳酸钙微球和椭球形羟基磷灰石微球的制备过程中不使用任何表面活性剂，并且由此得到的椭球形碳酸钙微球和椭球形羟基磷灰石微球的大小均一，得到的椭球形离子掺杂型羟基磷灰石具有较高的比表面积，能够吸附带正电的高分子，并具有荧光示踪、抑菌等多种特性。本发明所得到的中空或实心的椭球形离子掺杂型羟基磷灰石微球可作为药物载体材料、骨修复材料、环境水处理材料、食品或化妆品添加物等材料使用。

说明书

技术领域

本发明属于无机生物材料领域，特别涉及表面多孔的椭球形离子掺杂型 羟基磷灰石微球的制备方法，及由该制备方法得到的表面多孔的椭球形多离 子掺杂型羟基磷灰石微球的应用。

背景技术

羟基磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，HA)被认为是自然骨中无机相的化学分 子模型，通常用于骨修复用生物医用材料，具有良好的生物相容性，生物诱 导及生物骨传导性，被广泛的用于气体传感、催化、离子交换及药物缓释等 领域。通过离子掺杂制备多离子复合型HA材料，从而进一步增加HA微球的 功能和特性是材料研制的发展趋势，如Eu可以实现荧光示踪特性，Sr的掺杂 可以增强抑菌性能，Mg的掺杂可增强骨密度等，同时由于众多与Ca²⁺半径相 近的金属无机阳离子(Sr，Mg，Zn，Ag，Fe等)能够替代Ca²⁺进入HA的晶 格结构；CO₃²等阴离子可^-替代PO₄^3-或OH^-基团，使多功能的离子掺杂HA制 备成为可能。

HA的形貌也对其应用有极大的影响。根据文献调研，研究者们现已制备 出球状、棒状、片状、晶须状等多种形态的HA材料。在这些形态中，球形 形态具有流动性好、形态规则、堆积密度大、亲和性好、比表面积大等优点 受到极大的关注。目前合成球形HA的主要方法有喷雾法、水热法、微乳液 法、自组装法、模板法等，各种方法有利有弊，均能够得到具有该方法特色 的HA微球材料，其应用的领域也有不同。模板法能够可控微球的形貌和大 小，可以获得均一的HA材料，研究者们通常采用有机高分子材料或易成球 的无机材料作为形貌调控剂来调控HA的形貌；常用的有机高分子材料有β- 环糊精、环己烷、十六烷基三乙基溴化铵、乙二胺四乙酸胺、聚乙二醇等， 但利用该方法得到的HA微球中残留大量的有毒模板剂、有机溶剂、表面活 性剂等，不利于该HA微球材料的生物医学应用；硼酸锂，聚甲基丙烯酸甲 酯和碳酸钙等化合物具有易成球的物理化学特性，通常被用来作为HA微球 材料的前驱体。

中国专利(CN 102557100A)公开了一种利用己戊四醇制备大小均匀的 纳米碳酸钙微球。中国专利(CN 102910662A)公开了一种制备粒度可控的 碳酸钙的方法，制备的过程中选用结晶控制剂，可以得到球形，立方形或片 状的微观形貌。中国专利(CN 103466580A)公开了一种以球形碳酸钙为先 驱模板，通过微波辐射辅助，水热法制备了球形的HA。中国专利 (CN 102674285A)公开了一种以碳酸钙为牺牲模板，制备了球形的，六方的， 中空的或实心的HA材料。中国专利(CN 1528468A)和中国专利 (CN 102874781A)均以碳酸钙微球为前驱体，分别制备了多孔碳酸钙—羟基 磷灰石梯度材料和一种高比表面磷酸钙微球，不同的是，前者保留了部分碳 酸钙成份。

本发明提出了一种表面多孔的椭球形离子掺杂型羟基磷灰石微球的制备 方法，这种HA椭球体含有多种离子，具有荧光示踪、抑菌等多种特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面多孔的椭球形多离子掺杂型羟基磷灰石 微球的制备方法，以便得到一种具有良好生物活性、生物相容性、离子和药 物负载和释放性能的新型无机生物材料。

本发明通过大量的碳酸钙合成条件摸索实验，发现了一种简单快速大量 制备椭球形碳酸钙微球的方法，并以该椭球形碳酸钙微球为前驱体，发现了 一种简单快速并能大量制备椭球形中空或实心羟基磷灰石(HA)微球的方法， 并实现了多种微量离子(Mg，Sr，Zn，Ag，Fe，Si，Y，F，Cl等)和荧光 离子(Eu)的载覆，本发明在椭球形碳酸钙微球和椭球形离子掺杂型羟基磷 灰石微球的制备过程中不使用任何表面活性剂，并且由此得到的椭球形碳酸 钙微球和椭球形离子掺杂型羟基磷灰石微球的大小均一，得到的椭球形离子 掺杂型羟基磷灰石，具有较高的比表面积，能够吸附带正电的高分子。

本发明的表面多孔的椭球形离子掺杂型羟基磷灰石微球的制备方法主要 包括以下步骤：

1.椭球形碳酸钙微球的制备

(1).将可溶性钙盐溶于去离子水或蒸馏水中，在0～-5℃的条件下进行机 械搅拌(搅拌的时间一般为1秒～1周)，配制成0.001～2mol/L的可溶性钙盐 溶液；

(2).将可溶性碳酸盐溶于去离子水或蒸馏水中，在0～-5℃的条件下进行 机械搅拌(搅拌的时间一般为1秒～1周)，配制成0.001～2mol/L的可溶性碳 酸盐溶液；

(3).在反应温度为0～-5℃及在机械搅拌(优选搅拌的速度为1～3000rpm) 的条件下，将步骤(1)得到的可溶性钙盐溶液快速加入(优选加入的速度为 0.1mL/min～2L/min)到步骤(2)得到的可溶性碳酸盐溶液中，或将步骤(2) 得到的可溶性碳酸盐溶液快速加入(优选加入的速度为0.1mL/min～2L/min) 到步骤(1)得到的可溶性钙盐溶液中；反应5分钟～1周后，过滤，水洗后得 到椭球形碳酸钙微球；

2.椭球形离子掺杂HA的制备

(4).将可溶性磷酸盐溶于去离子水或蒸馏水中，在10～99℃的条件下进 行机械搅拌(搅拌的时间一般为1秒～1周)，配制成0.001～0.5mol/L的溶液， 然后用氢氧化钠或氨水调节该溶液的pH在7～14之间，得到磷酸盐溶液；

(5).将步骤(3)得到的椭球形碳酸钙微球分散于步骤(4)得到的磷酸 盐溶液中，固液比为0.01～50g/L，得到含有椭球形羟基磷灰石微球的悬浮液；

(6).将步骤(5)得到的含有椭球形羟基磷灰石微球的悬浮液置于0～200℃ 的反应温度下，静置或在搅拌(优选搅拌的速度为0<搅拌的速度≤3000rpm) 下进行连续反应1秒～1周得到反应体系，然后向该反应体系中加入各种所要 掺杂离子(Mg²⁺，Sr²⁺，Zn²⁺，Ag⁺，Fe3+，Si⁴⁺，Y²⁺，Eu²⁺，F^-，Cl^-)的可溶 性盐溶液，掺杂的离子在反应体系中的浓度均为0.001mol/L～0.5mol/L，继续 反应1秒～1周后，过滤，水洗，得到表面多孔的椭球形离子掺杂型羟基磷灰 石微球。

通过调节步骤(6)所述的0～200℃的温度，可以获得中空或实心的表面 多孔的椭球形离子掺杂型羟基磷灰石微球。

所述的可溶性钙盐是氯化钙、硝酸钙或两者的混合物。

所述的可溶性碳酸盐选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸铵中的一种或几种的混 合物。

所述的可溶性磷酸盐选自磷酸氢二铵、磷酸氢二钠、磷酸氢二钾、磷酸 二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸钠、磷酸钾中的一种或几种的混合物。

所述的可溶性盐选自可溶性镁盐、可溶性锶盐、可溶性锌盐、可溶性银 盐、可溶性硅盐、可溶性钇盐、可溶性铕盐、可溶性氟盐、可溶性氯盐中的 一种或几种的混合物。

所述的可溶性镁盐选自氯化镁、硝酸镁、硫酸镁中的一种或几种的混合 物。

所述的可溶性锶盐是硝酸锶、氯化锶或两者的混合物。

所述的可溶性锌盐选自氯化锌、硝酸锌、醋酸锌中的一种或几种的混合 物。

所述的可溶性银盐是硝酸银、氟化银或两者的混合物。

所述的可溶性铁盐是硝酸铁、氯化铁或两者的混合物。

所述的可溶性硅盐选自硅酸钠、硅酸钾、硅酸铵中的一种或几种的混合 物。

所述的可溶性钇盐是硝酸钇。

所述的可溶性铕盐是硝酸铕。

所述的可溶性氟盐选自氟化钠、氟化钾、氟化铵中的一种或几种的混合 物。

所述的可溶性氯盐选自氯化钠、氯化钾、氯化铵中的一种或几种的混合 物。

本发明制备的椭球形碳酸钙微球和椭球形离子掺杂型羟基磷灰石微球， 经扫描电镜检测，粒径分布均匀；并且椭球形离子掺杂型羟基磷灰石微球的 表面呈多孔状结构，具有较高的比表面积，能够吸附带正电的高分子，并具 有荧光示踪、抑菌等多种特性。

本发明所得到的椭球形离子掺杂型羟基磷灰石微球具有中空结构，具有 优良的药物负载和缓释性能、生物相容性和生物活性，是一种新型的生物无 机材料。本发明所得到的椭球形离子掺杂型羟基磷灰石微球可作为药物载体 材料、骨修复材料、环境水处理材料、高效液相色谱柱中的材料、食品或化 妆品添加物材料使用。

本发明的优点如下：(1)本发明使用的椭球形碳酸钙微球的制备方法简 单可控，制备成本低廉；(2)中空型HA微球具有良好的药物负载和缓释性 能、生物相容性和生物活性，可以广泛用于药物载体、骨修复材料、环境水 处理、高效液相色谱柱、食品和化妆品等领域；(3)中空型HA微球的形貌 规则，粒径分布均匀，能够负载多种功能离子，满足各方面的需要；(4)所 有的制备过程不引入任何的表面活性剂，不会削弱材料的生物学性能；(5) 具有荧光示踪、抑菌特性；(6)生产工艺简单，设备投资少，可以极大的降 低生产成本，满足社会需要。

附图说明

图1.本发明实施例1得到的椭球形碳酸钙微球的扫描电镜结果图。

图2.本发明实施例1得到的椭球形多离子掺杂型HA微球的扫描电镜结 果图。

图3.本发明实施例2得到的多离子掺杂型HA微球的SEM图。

图4.本发明实施例3中的椭球形碳酸钙微球向椭球形多离子掺杂型HA 微球的转化的XRD图。

图5.本发明实施例5得到的椭球形多离子掺杂型HA微球的粒径分布图。

具体实施方式

实施例1

1.椭球形碳酸钙微球的制备

(1).称取适量硝酸钙，溶于去离子水中，在0℃的条件下进行机械搅拌 1周，配制成2mol/L的硝酸钙溶液；

(2).称取适量的碳酸钠，溶于去离子水中，在0℃的条件下进行机械搅 拌1周，配制成2mol/L的碳酸钠溶液；

(3).调节反应温度为0℃，在反应温度为0℃及在搅拌速度为3000rpm 的机械搅拌条件下，将步骤(1)得到的硝酸钙溶液以速度为2L/min快速加 入到步骤(2)得到的碳酸钠溶液中；反应1周后，过滤，水洗后得到椭球形 碳酸钙微球；

2.椭球形离子掺杂HA的制备

(a).称取适量磷酸氢二铵，溶于去离子水中，在温度为99℃的条件下 进行机械搅拌1周，配制成0.5mol/L的磷离子溶液，然后用氨水调节该磷离 子溶液的pH为14，得到磷酸氢二铵溶液；

(b).按固液比为50g/L，将上述制备椭球形碳酸钙微球的步骤(3)得到 的椭球形碳酸钙微球分散于步骤(a)得到的磷酸氢二铵溶液中，得到含有椭 球形羟基磷灰石微球的悬浮液；

(c).将步骤(b)得到的含有椭球形羟基磷灰石微球的悬浮液置于200℃ 的反应温度下，在搅拌速度为3000rpm下进行连续反应1周后得到反应体系， 然后向该反应体系中加入各种所要掺杂离子(Mg²⁺，Sr²⁺，Zn²⁺，Ag⁺，Fe³⁺， Si⁴⁺，Y²⁺，Eu²⁺，F^-)的可溶性盐溶液，其中所述的可溶性盐是氯化镁、硝酸 锶、氯化锌、硝酸银、氯化铁、硅酸钠、硝酸钇、硝酸铕和氟化钾，掺杂的 各种离子在反应体系中的浓度均为0.5mol/L，继续在200℃连续反应1秒后， 过滤，水洗，得到实心的表面多孔的椭球形多离子掺杂型羟基磷灰石微球。

经扫描电镜观察得到的椭球形碳酸钙微球(图1)及椭球形多离子掺杂型 HA微球(图2)，两种微球均呈现出椭球形，大小均一，分散良好。

实施例2

1.椭球形碳酸钙微球的制备

(1).称取适量氯化钙，溶于去离子水中，在-3℃的条件下进行机械搅拌 6小时，配制成1mol/L的氯化钙溶液；

(2).称取适量的碳酸钾，溶于去离子水中，在-3℃的条件下进行机械搅 拌6小时，配制成1mol/L的碳酸钾溶液；

(3).调节反应温度为-3℃，在反应温度为-3℃及在搅拌速度为2000rpm 的机械搅拌条件下，将步骤(1)得到的氯化钙溶液以速度为1.5L/min快速加 入到步骤(2)得到的碳酸钾溶液中；反应9小时后，过滤，水洗后得到椭球 形碳酸钙微球；

2.椭球形离子掺杂HA的制备

(a).称取适量磷酸氢二钠，溶于去离子水中，在温度为37℃的条件下进 行机械搅拌6小时，配制成0.4mol/L的磷离子溶液，然后用氨水调节该磷离 子溶液的pH为9，得到磷酸氢二钠溶液；

(b).按固液比为25g/L，将上述制备椭球形碳酸钙微球的步骤(3)得到 的椭球形碳酸钙微球分散于步骤(a)得到的磷酸氢二钠溶液中，得到含有椭 球形羟基磷灰石微球的悬浮液；

(c).将步骤(b)得到的含有椭球形羟基磷灰石微球的悬浮液置于60℃ 的反应温度下，在搅拌速度为300rpm下进行连续反应48小时后得到反应体 系，然后向该反应体系中加入各种所要掺杂离子(Mg²⁺，Sr²⁺，F^-)的可溶性 盐溶液，其中所述的可溶性盐是氯化镁、硝酸锶和氟化钠，掺杂的各种离子 在反应体系中的浓度均为0.001mol/L，继续在60℃连续反应22小时后，过滤， 水洗，得到中空的表面多孔的椭球形多离子掺杂型羟基磷灰石微球。

经扫描电镜观察得到的椭球形多离子掺杂型HA微球大小均一，分散良好。 为中空结构(图3)。

实施例3

1.椭球形碳酸钙微球的制备

(1).称取适量硝酸钙，溶于去离子水中，在-5℃的条件下进行机械搅拌 1秒，配制成0.001mol/L的硝酸钙溶液；

(2).称取适量的碳酸铵，溶于去离子水中，在-5℃的条件下进行机械搅 拌1秒，配制成0.001mol/L的碳酸铵溶液；

(3).调节反应温度为-5℃，在反应温度为-5℃及在搅拌速度为3000rpm 的机械搅拌条件下，将步骤(1)得到的硝酸钙溶液以速度为0.001L/min快速 加入到步骤(2)得到的碳酸铵溶液中；反应1周后，过滤，水洗后得到椭球 形碳酸钙微球；

2.椭球形离子掺杂HA的制备

(a).称取适量磷酸氢二钾，溶于去离子水中，在温度为10℃的条件下进 行机械搅拌1秒，配制成0.001mol/L的磷离子溶液，然后用氢氧化钠调节该 磷离子溶液的pH为7，得到磷酸氢二钾溶液；

(b).按固液比为0.01g/L，将上述制备椭球形碳酸钙微球的步骤(3)得 到的椭球形碳酸钙微球分散于步骤(a)得到的磷酸氢二钾溶液中，得到含有 椭球形羟基磷灰石微球的悬浮液；

(c).将步骤(b)得到的含有椭球形羟基磷灰石微球的悬浮液置于0℃的 反应温度下，在无需搅拌的情况下进行连续反应1周后得到反应体系，然后 向该反应体系中加入各种所要掺杂离子(Mg²⁺，Sr²⁺，Zn²⁺，Ag⁺，Fe³⁺，Si⁴⁺， Y²⁺，Eu²⁺，F^-)的可溶性盐溶液，其中所述的可溶性盐是氯化镁、硝酸锶、 氯化锌、硝酸银、氯化铁、硅酸钠、硝酸钇、硝酸铕和氟化钾，掺杂的各种 离子在反应体系中的浓度均为0.001mol/L，继续在0℃连续反应1周后，过滤， 水洗，得到空心的表面多孔的椭球形多离子掺杂型羟基磷灰石微球。

经XRD结果分析得到的椭球形多离子掺杂型HA微球，椭球形碳酸钙微 球在32小时后完全转化为椭球形多离子掺杂型HA微球(图4)。

实施例4

1.椭球形碳酸钙微球的制备

(1).称取适量硝酸钙，溶于去离子水中，在-5℃的条件下进行机械搅拌 1秒，配制成0.2mol/L的硝酸钙溶液；

(2).称取适量的碳酸钾，溶于去离子水中，在-5℃的条件下进行机械搅 拌1秒，配制成0.2mol/L的碳酸钾溶液；

(3).调节反应温度为-1℃，在反应温度为-1℃及在搅拌速度为600rpm 的机械搅拌条件下，将步骤(1)得到的硝酸钙溶液以速度为1L/min快速加 入到步骤(2)得到的碳酸钾溶液中；反应1小时后，过滤，水洗后得到椭球 形碳酸钙微球；

2.椭球形离子掺杂HA的制备

(a).称取适量磷酸氢二钾，溶于去离子水中，在温度为10℃的条件下进 行机械搅拌1秒，配制成0.1mol/L的磷离子溶液，然后用氨水调节该磷离子 溶液的pH为10，得到磷酸氢二钾溶液；

(b).按固液比为5g/L，将上述制备椭球形碳酸钙微球的步骤(3)得到 的椭球形碳酸钙微球分散于步骤(a)得到的磷酸氢二钾溶液中，得到含有椭 球形羟基磷灰石微球的悬浮液；

(c).将步骤(b)得到的含有椭球形羟基磷灰石微球的悬浮液置于120℃ 的反应温度下，在搅拌速度为300rpm下进行连续反应48小时后得到反应体 系，然后向该反应体系中加入各种所要掺杂离子(Mg²⁺，Sr²⁺，Eu²⁺)的可溶 性盐溶液，其中所述的可溶性盐是氯化镁、硝酸锶和硝酸铕，掺杂的各种离 子在反应体系中的浓度均为0.01mol/L，继续在120℃连续反应10小时后，过 滤，水洗，得到实心的表面多孔的椭球形多离子掺杂型羟基磷灰石微球。

经扫描电镜中的能谱分析(EDS)，分析结果显示得到的椭球形多离子掺杂 型羟基磷灰石微球(表1)，Sr²⁺，Mg²⁺，Eu³⁺等离子均掺杂进入HA微球中。

表1

元素 重量百分比 原子百分比 C 6.02 10.58 O 49.43 65.23 Mg 0.27 0.24 P 13.94 9.50 Ca 25.91 13.65 Sr 1.77 0.43 Eu 2.66 0.37 总量 100.00 100.00

实施例5

1.椭球形碳酸钙微球的制备

(1).称取适量硝酸钙，溶于蒸馏水中，在-2℃的条件下进行机械搅拌2 小时，配制成0.1mol/L的硝酸钙溶液；

(2).称取适量的碳酸铵，溶于蒸馏水中，在-2℃的条件下进行机械搅拌 2小时，配制成0.1mol/L的碳酸铵溶液；

(3).调节反应温度为-2℃，在反应温度为-2℃及在搅拌速度为1000rpm 的机械搅拌条件下，将步骤(1)得到的硝酸钙溶液以速度为0.5L/min快速加 入到步骤(2)得到的碳酸铵溶液中；反应3小时后，过滤，水洗后得到椭球 形碳酸钙微球；

2.椭球形离子掺杂HA的制备

(a).称取适量磷酸氢二铵，溶于蒸馏水中，在温度为10℃的条件下进行 机械搅拌1秒，配制成0.05mol/L的磷离子溶液，然后用氨水调节该磷离子溶 液的pH为11，得到磷酸氢二铵溶液；

(b).按固液比为2.5g/L，将上述制备椭球形碳酸钙微球的步骤(3)得 到的椭球形碳酸钙微球分散于步骤(a)得到的磷酸氢二铵溶液中，得到含有 椭球形羟基磷灰石微球的悬浮液；

(c).将步骤(b)得到的含有椭球形羟基磷灰石微球的悬浮液置于150℃ 的反应温度下，在搅拌速度为800rpm下进行连续反应72小时后得到反应体 系，然后向该反应体系中加入各种所要掺杂离子(Mg²⁺，Sr²⁺，Eu²⁺)的可溶 性盐溶液，其中所述的可溶性盐是氯化镁、硝酸锶和硝酸铕，掺杂的各种离 子在反应体系中的浓度均为0.001mol/L，继续在150℃连续反应10小时后， 过滤，水洗，得到实心的表面多孔的椭球形多离子掺杂型羟基磷灰石微球。

经激光粒度仪结果分析得到的椭球形多离子掺杂型HA微球(图5)，椭 球形多离子掺杂HA微球的粒径分布范围很窄，平均粒径为6.7μm。

上述实施例得到的中空或实心的所述的表面多孔的椭球形离子掺杂型羟 基磷灰石微球可作为药物载体材料、骨修复材料、环境水处理材料、高效液 相色谱柱中的材料、食品添加物材料或化妆品添加物材料使用。