硅酸钙纳米线/羟基磷灰石纳米颗粒复合粉体及其制备方法

摘要

本发明涉及硅酸钙纳米线/羟基磷灰石纳米颗粒复合粉体及其制备方法，属生物医用材料领域。本发明是由硅酸钙纳米线和羟基磷灰石纳米颗粒复合而成；先以磷酸氢二铵和硝酸钙为原料经化学沉淀制备得到羟基磷灰石纳米粉体，将制备得到的羟基磷灰石纳米粉体分散于溶有硝酸钙的水溶液中，调节pH值得到悬浮液，将硅酸钠水溶液滴入悬浮液中发生二次化学沉淀反应，并将反应体系转入密闭高压反应釜中于160-250℃水热处理12-36小时，水热处理后经过滤、洗涤、并在800-1000℃煅烧。本发明具有容易调控粉体的复合比例、制备工艺简单易行、成本低廉且便于推广等优点。

说明书

技术领域

两步化学沉淀与水热相结合的方法制备硅酸钙/羟基磷灰石纳米复合粉体方法，属生物医用材料领域。

背景技术

无机生物医用硬组织修复和替换材料方面主要有钙-磷基生物材料和钙-硅基生物材料。其中钙-磷基生物材料研究已经有很长的历史。过去的研究发现在钙-磷基材料中羟基磷灰石具有较好的生物活性，但降解性差；此外，力学强度也较低，限制了临床使用范围。近年来钙-硅基生物材料如生物活性玻璃和硅酸钙类材料则由于其优良的生物活性和降解性而越来越受到重视。除了材料的组成之外，材料的结构、复合材料的微观结构、复合方式和复合均匀性也很大程度上影响材料的强度、生物活性，从而直接影响到材料的临床应用。

20世纪80年代日本的Kokubo等人(J.Mater.Sci.，1986，21：536)研究出的A-W玻璃是一种在玻璃相中析出磷灰石和硅酸钙两种晶相的玻璃陶瓷。该材料具有较好的机械力学性能和生物活性但不能降解。Kokubo等人的研究也证实，在模拟体液中CaO-SiO₂基玻璃表面能形成类骨羟基磷灰石层，而CaO-P₂O₅基玻璃表面没有类骨羟基磷灰石形成。Punnama等人(J.Biomed.Mater.Res.，2000，52：30)首次制备了致密的硅酸钙生物陶瓷，并发现在模拟体液中硅酸钙陶瓷表面类骨羟基磷灰石的形成速度非常快，具有非常好的生物活性。本申请的发明人的先前研究也表明硅酸钙生物材料具有良好的生物活性、降解性和力学强度，并可以制成适合于组织损伤修复用的多孔硅酸钙生物陶瓷(中国专利号：ZL02137248.9)。类骨羟基磷灰石的形成有利于促进生物材料的骨传导和骨再生，并促进材料同软/硬组织形成紧密的化学键合作用。此外，硅酸钙组分在降解过程中释放出的硅离子还可以激活细胞、并刺激骨细胞增殖和分化的基因表达作用(Biomaterials 2004，25：2941)。因此，采用硅酸钙作为复合相，将会调节羟基磷灰石生物陶瓷材料的降解性。此外，硅酸钙材料，尤其是纤维状硅酸钙粉体被广泛用做陶瓷和高分子材料的力学增强相。因此，硅酸钙纳米线除了具有良好的生物活性和降解性外，还因其优良的力学性能将有望作为力学增强相用于增强羟基磷灰石生物陶瓷的力学性能。

目前，复合陶瓷粉体的常规的一种制备方法是：先制备出各种单一组成的陶瓷粉体；之后，按设计比例将不同的粉体混合并应用机械球磨的方法进行混料，从而制备出复合陶瓷粉体。这种机械球磨混料的方法虽然工艺简单，但致命缺点是：首先，要制备出不同的单一陶瓷粉体，每种单一的陶瓷粉体的制备过程都需要复杂、繁琐的洗涤、过滤、干燥、煅烧等工艺；其次应用机械球磨混料法必须引入球磨介质，通常的球磨介质是氧化铝或氧化锆等物质，因此球磨混料过程中极易引入作为球磨介质的杂质，而生物材料领域对材料的纯度要求又非常高，所以，球磨混合工艺是一种非理想的制备生物材料的工艺技术，而且球磨法得到的复合粉体的复合程度通常不是非常均匀。所以，由于粉体的复合程度不均匀、烧结活性不好、烧结过程中温度过高导致的相变等原因，导致制备得到的复合陶瓷的力学强度不好，影响了更广泛的临床应用，特别是在力学承载要求较高的场合下受到限制等缺点。

纳米复合粉体由于具有晶粒细小、比表面积大，其烧结活性比常规的微米和亚微米尺度的复合粉体好得多，容易得到致密的、且晶粒细小的陶瓷材料。研究表明，高强度的陶瓷材料基本要求是高密度和细晶粒。因此应用纳米粉体作为烧结体的起始粉体，有可能获得较好力学强度的陶瓷材料。可见，开发一种工艺技术简单、成本低廉、分散均匀和烧结活性良好的方法制备硅酸钙/羟基磷灰石纳米复合粉体，并控制复合粉体中硅酸钙纳米线的形貌和分散性，并且可以容易地调控材料的复合比例、从而改善粉体的烧结行为和力学性能的工艺技术具有非常重要的意义。从而构思出本发明的目的，以克服上面所述的常规通用的机械球磨混料方法的缺点。

发明内容

本发明的第一目的在于通过优化工艺提供一种新的优良力学性能、生物活性和降解性的，且力学强度、生物活性和降解性可控的硅酸钙纳米线/羟基磷灰石纳米颗粒复合粉体。

本发明的第二目的在于提供硅酸钙纳米线/羟基磷灰石纳米颗粒复合粉体的制备方法。

本发明的第一方面提供一种硅酸钙纳米线/羟基磷灰石纳米颗粒复合粉体，该复合粉体中硅酸钙占硅酸钙和羟基磷灰石总量的5wt-95wt％，优选10-90wt％。

硅酸钙纳米线的直径为10-100纳米，长度为50纳米-10微米；羟基磷灰石纳米颗粒的尺寸为10-200纳米；

采用本发明提供的方法制备得到硅酸钙/羟基磷灰石纳米复合粉体，由于纳米线材料具有优异的力学性能，在复合材料领域作为力学增强相和增韧剂被广泛应用[J.Alloys Compounds，472：395-399；2009；Composite Science andTechnology，66：1002-1111；2006]。因此，采用本发明制备得到的复合粉体为原料制备硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料，其硅酸钙纳米线将作为力学增强相用于增强复合陶瓷材料的力学性能，从而制备出力学性能良好的复合生物材料。此外，硅酸钙的组分具有良好的生物活性和降解性[J.Mater.Res.，14：529-536；1999.；Biomaterials，29：2588-2596；2008.]。因此，采用硅酸钙纳米线作为复合相，除了会提高材料的力学性能外，还可以提高羟基磷灰石陶瓷的生物活性、并改善羟基磷灰石陶瓷的降解性(通常，羟基磷灰石陶瓷被认为基本不降解)。同时，通过调控材料中硅酸钙与羟基磷灰石的复合比例，还可以有效调控制备得到的硅酸钙/羟基磷灰石复合陶瓷的力学性能、生物活性和降解性，为临床骨缺损修复领域提供不同性能的新型骨修复陶瓷材料。

本发明的第二方面提供一种硅酸钙纳米线/羟基磷灰石纳米颗粒复合粉体的制备方法，包括如下步骤：

(1)以可溶性钙盐为原料，配制可溶性钙盐溶液，调节溶液的pH为9-11.5；以可溶性磷盐为原料，配制可溶性磷盐溶液，调节溶液的pH为8-10.5；以可溶性硅酸盐为原料，配制可溶性硅酸盐溶液，调节溶液的pH为9-12；

(2)以钙磷摩尔比为1.60-1.70的比例，将可溶性磷盐溶液加入可溶性钙盐溶液中，加入过程中保持反应溶液pH为9-12，然后将反应产物陈化、过滤；

(3)将步骤(2)所得粉体加入到水中形成混浊液，按硅酸钙占硅酸钙和羟基磷灰石总量5wt％-95wt％的配比，在上述混浊液中加入可溶性硅酸盐溶液；

(4)将与硅酸盐离子摩尔比为0.8-1.2的可溶性钙盐水溶液加入步骤(3)所得产物中，加入过程调节溶液的pH为9-12，加入后继续搅拌；

(5)将步骤(4)所得产物置于密闭高压釜中于160-250℃水热处理12-36小时，水热处理后过滤、洗涤，并在800-1000℃煅烧。

上述步骤中，优选可溶性钙盐溶液的钙离子浓度为0.05-2mol/L；优选可溶性磷盐的磷酸根离子浓度为0.05-2mol/L；优选可溶性硅酸盐的硅酸根离子浓度为0.05-2mol/L。

上述步骤中，调节溶液的pH为采用碱性溶液调节，优选采用加入氨水调节，优选氨水的浓度为0.05-2mol/L。

该方法的特点是将两步化学沉淀法与水热辅助处理方法相结合。即先采用化学沉淀法制备获得羟基磷灰石纳米粉体，之后将获得的羟基磷灰石粉体分散于水溶液中，在搅拌下第二次沉淀制备硅酸钙粉体，沉淀完毕后水热反应釜中水热处理。

该煅烧制度的选择依据是：若温度低于800℃，将不能获得硅酸钙物相，而是水合硅酸钙物相；若温度高于1000℃，获得的硅酸钙纳米线将严重团聚并导致直径急剧增大至(亚)微米尺度。

表1为应用本发明方法制备得到的不同复合比例(质量比)的硅酸钙/羟基磷灰石的纳米复合粉体的化学组成(质量百分含量)。可见，制备得到的粉体的化学组成同理论值吻合得很好。说明，应用本发明提供的方法可以很好地设计并合成得到预设比例的硅酸钙/羟基磷灰石的纳米复合粉体。

表1

*括号内的数据为理论值。

采用本发明提供的方法制备得到的由硅酸钙纳米线和羟基磷灰石纳米颗粒复合而成的硅酸钙/羟基磷灰石纳米复合粉体具有如下的优点：由于纳米线材料具有优异的力学性能，在复合材料领域作为力学增强相和增韧剂被广泛应用[J.Alloys Compounds，472：395-399；2009；Composite Science and Technology，66：1002-1111；2006]。因此，采用本发明制备得到的复合粉体为原料制备硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料，其硅酸钙纳米线将作为力学增强相用于增强复合陶瓷材料的力学性能，从而制备出力学性能良好的复合生物材料。此外，硅酸钙的组分具有良好的生物活性和降解性[J.Mater.Res.，14：529-536；1999.；Biomaterials，29：2588-2596；2008.]。因此，采用硅酸钙纳米线作为复合相，除了会提高材料的力学性能外，还可以提高羟基磷灰石陶瓷的生物活性、并改善羟基磷灰石陶瓷的降解性(通常，羟基磷灰石陶瓷被认为基本不降解)。同时，通过调控材料中硅酸钙与羟基磷灰石的复合比例，还可以有效调控制备得到的硅酸钙/羟基磷灰石复合陶瓷的力学性能、生物活性和降解性，为临床骨缺损修复领域提供不同性能的新型骨修复陶瓷材料。

附图说明

图1为本发明制备得到的不同复合比例的硅酸钙/羟基磷灰石的纳米复合粉体的X-射线衍射图谱：30wt.％CS(A)，50wt.％CS(B)，70wt.％CS(C)和90wt.％CS(D)。可见不同复合比例的粉体均由硅酸钙和羟基磷灰石两种物相组成。

图2为采用本发明方法制备得到的硅酸钙/羟基磷灰石的透射照片：30wt.％CS(A)，50wt.％CS(B)，70wt.％CS(C)和90wt.％CS(D)。由图可见，制备得到的复合粉体的中纤维状物相的直径约10-100纳米、长度约50纳米-10微米；颗粒状粉体的粒径约10-100纳米。此外，两种粉体分布得较均匀、且分散性良好。复合粉体中的纳米线将起到增强烧结体的力学性能作用，同时其生物活性和降解性的性能还可以有效提高材料的生物活性和降解性。

图3是采用本发明方法制备得到的纳米颗粒(3A)和纳米线(3B)的选取电子衍射图。选取电子衍射结果确认了纳米颗粒是羟基磷灰石物相、纳米线是硅酸钙物相。

具体实施方式

以下结合具体实施例，进一步阐明本发明。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。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，例如是工艺手册中的条件，或按照制造厂商所建议的条件。比例和百分比基于摩尔比例(或称为原子比例)，除非特别说明。

除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。

实施例1：

取11.76克的Ca(NO₃)₂溶于100mL去离子水中，并用1∶1的氨水调节到pH＝11，将3.95g克的(NH₄)₂HPO₄溶于100mL去离子水中得(NH₄)₂HPO₄水溶液。将上述(NH₄)₂HPO₄水溶液滴加到Ca(NO₃)₂溶液中，加料过程用1∶1的氨水溶液保持反应体系的pH值为11，加毕继续搅拌24小时，过滤得到羟基磷灰石纳米粉体，将羟基磷灰石纳米粉体分散于800mL去离子水中，并溶解91.61克Ca(NO₃)₂，获得分散有羟基磷灰石纳米粉体的白色悬浮液；将pH为11.0的800mL并溶有110.25克的Na₂SiO₃水溶液逐滴加入上述悬浮液中，加料过程用1∶1的氨水溶液保持反应体系的pH值为11，加毕后转移到水热高压反应中、密闭并于200℃水热处理24小时。之后，过滤、用去离子水和无水乙醇洗涤、滤干、于80℃烘干12小时得到干粉体，将干粉体在950℃煅烧2小时，得到质量百分比为10∶90的均匀复合的羟基磷灰石/硅酸钙纳米复合粉体。制备得到的纳米复合粉体的形貌如图2D所示，其中羟基磷灰石颗粒尺寸约10-30纳米，硅酸钙纳米线的直径约20-50纳米、长度约200纳米-10微米。物相如图1所示；化学组成(质量百分比)为：CaO 48.09％、SiO₂ 46.56％、P₂O₅ 4.44％，而理论值分别为CaO 49.03％、SiO₂ 46.55％、P₂O₅ 4.24％。可见，制备得到的粉体的化学组成同理论值吻合得很好。

实施例2：

取58.80克的Ca(NO₃)₂溶于500mL去离子水中，并用1∶1的氨水调节到pH＝11，将19.73克的(NH₄)₂HPO₄溶于500mL去离子水中得(NH₄)₂HPO₄水溶液。将上述(NH₄)₂HPO₄水溶液滴加到Ca(NO₃)₂溶液中，加料过程用1∶1的氨水溶液保持反应体系的pH值为11，加毕继续搅拌24小时，过滤得到羟基磷灰石纳米粉体，将羟基磷灰石纳米粉体分散于500mL去离子水中，并溶解50.89克Ca(NO₃)₂，获得分散有羟基磷灰石纳米粉体的白色悬浮液；将pH为11.0的500mL并溶有61.25克的Na₂SiO₃水溶液逐滴加入上述悬浮液中，加料过程用1∶1的氨水溶液保持反应体系的pH值为11，加毕后转移到水热高压反应中、密闭并于200℃水热处理24小时。之后，过滤、用去离子水和无水乙醇洗涤、滤干、于80℃烘干12小时得到干粉体，将干粉体在950℃煅烧2小时，得到质量百分比为50∶50的均匀复合的羟基磷灰石/硅酸钙纳米复合粉体。制备得到的纳米复合粉体的形貌如图2B所示，其中羟基磷灰石颗粒尺寸约30纳米，硅酸钙纳米线的直径约30-50纳米、长度约300纳米-10微米。物相如图1所示；化学组成(质量百分比)为：CaO 51.03％、SiO₂ 25.58％、P₂O₅ 21.59％，而理论值分别为CaO 52.03％、SiO₂25.86％、P₂O₅ 21.22％。可见，制备得到的粉体的化学组成同理论值吻合得很好。

实施例3：

取82.32克的Ca(NO₃)₂溶于700mL去离子水中，并用1∶1的氨水调节到pH＝11，将26.62克的(NH₄)₂HPO₄溶于700mL去离子水中得(NH₄)₂HPO₄水溶液。将上述(NH₄)₂HPO₄水溶液滴加到Ca(NO₃)₂溶液中，加料过程用1∶1的氨水溶液保持反应体系的pH值为11，加毕继续搅拌24小时，过滤得到羟基磷灰石纳米粉体，将羟基磷灰石纳米粉体分散于300mL去离子水中，并溶解30.54克Ca(NO₃)₂，获得分散有羟基磷灰石纳米粉体的白色悬浮液；将pH为11.0的300mL并溶有36.75克的Na₂SiO₃水溶液逐滴加入上述悬浮液中，加料过程用1∶1的氨水溶液保持反应体系的pH值为11，加毕后转移到水热高压反应中、密闭并于200℃水热处理24小时。之后，过滤、用去离子水和无水乙醇洗涤、滤干、于80℃烘干12小时得到干粉体，将干粉体在950℃煅烧2小时，得到质量百分比为70∶30的均匀复合的羟基磷灰石/硅酸钙纳米复合粉体。制备得到的纳米复合粉体的形貌如图2A所示，其中羟基磷灰石颗粒尺寸约20纳米，硅酸钙纳米线直径约20纳米、长度约500纳米-10微米。物相如图1所示；化学组成(质量百分比)为：CaO 52.79％、SiO₂ 15.54％、P₂O₅ 30.21％，而理论值分别为CaO 53.53％、SiO₂ 15.22％、P₂O₅ 29.70％。可见，制备得到的粉体的化学组成同理论值吻合得很好。

实施例4

取35.28克的Ca(NO₃)₂溶于400mL去离子水中，并用1∶1的氨水调节到pH＝11，将11.84克的(NH₄)₂HPO₄溶于350mL去离子水中得(NH₄)₂HPO₄水溶液。将上述(NH₄)₂HPO₄水溶液滴加到Ca(NO₃)₂溶液中，加料过程用1∶1的氨水溶液保持反应体系的pH值为11，加毕继续搅拌24小时，过滤得到羟基磷灰石纳米粉体，将羟基磷灰石纳米粉体分散于700mL去离子水中，并溶解71.25克Ca(NO₃)₂，获得分散有羟基磷灰石纳米粉体的白色悬浮液；将pH为11.0的700mL并溶有85.75克的Na₂SiO₃水溶液逐滴加入上述悬浮液中，加料过程用1∶1的氨水溶液保持反应体系的pH值为11，加毕后转移到水热高压反应中、密闭并于200℃水热处理24小时。之后，过滤、用去离子水和无水乙醇洗涤、滤干、于80℃烘干12小时得到干粉体，将干粉体在950℃煅烧2小时，得到质量百分比为30∶70的均匀复合的羟基磷灰石/硅酸钙纳米复合粉体。制备得到的纳米复合粉体的形貌如图2C所示，其中羟基磷灰石颗粒尺寸约20纳米，硅酸钙纳米线直径约10-80纳米、长度约500纳米-10微米。物相如图1所示；化学组成(质量百分比)为：CaO 49.32％、SiO₂ 36.89％、P₂O₅ 12.98％，而理论值分别为CaO 50.53％、SiO₂36.21％、P₂O₅ 12.73％。可见，制备得到的粉体的化学组成同理论值吻合得很好。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。