一种四氧化三铁磷酸钙核壳纳米磁性粒子及生物矿化法的制备方法

摘要

一种四氧化三铁磷酸钙核壳纳米磁性粒子及生物矿化法的制备方法，属于磁性粒子技术领域。以磁性的四氧化三铁纳米粒子为核，其平均粒径为27-38nm，磷酸钙类物质为壳层，壳层厚度为4-20nm。先制备四氧化三铁纳米磁性粒子，然后用表面改性剂对其改性，然后将其加入到预制成的1-10倍浓度的模拟人体体液中，进行矿化，将产物洗涤、磁分离、干燥后得到四氧化三铁磷酸钙核壳纳米磁性粒子。本发明的制备方法操作简单，制备工艺条件温和，所需原料来源广泛且对环境友好，制备的核壳纳米粒子具有生物活性，在组织工程、载药等生物医学领域具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有生物活性的核壳结构的纳米磁性粒子及其制备方法， 特别涉及生物矿化法制备四氧化三铁磷酸钙核壳纳米磁性粒子，属于磁性粒子 技术领域。

技术背景

四氧化三铁是一种非常重要的磁性材料，为立方相反尖晶石结构。它独特的 电学和磁学性能，使其广泛应用于磁流体和磁记录材料等。对于纳米尺度的四 氧化三铁，由于其具有与生物组织的相容性、与尺寸和形貌有关的电学和磁学 性能，在生物医药领域得到了广泛应用。有着合适的表面化学性质的超顺磁性 铁氧化物纳米微粒能够应用于众多的体内应用领域，如活体磁共振对比增强、 组织修复、免疫测定、解毒、热疗、药物输送和细胞分离。

骨组织是一种致密的结缔组织。有机物和无机物是骨的主要成分，其中有 机物主要为蛋白质如胶原等，无机物主要为钙质和磷质，提供一定的硬度。磷 酸钙类生物陶瓷(也可以简称磷酸钙)具有与骨矿物质相近的组成和良好的生 物相容性，其主要包括羟基磷灰石(HA)、二水合磷酸氢钙(DCPD)、磷酸三 钙(α-TCP，β-TCP)、焦磷酸钙(CPPD)、磷酸四钙(TTCP)、五水磷酸八钙(OCP)、 无定形磷酸钙(ACP)及其混合物等。在目前科学研究和临床应用的组织替换 生物材料中，磷酸钙为外科医生提供了一种选择性或附加的材料用于接枝和参 与治疗过程。

有研究报道[JOURNAL OF BIO SCIENCE AND BIOENGINEERING.  Vol.104，No.5，371-378.2007]，将包覆生物活性物质的四氧化三铁复合粒子与细胞 共培养，使粒子贴附在细胞上或被细胞摄入，在外加磁场的作用下，细胞能多 层紧密贴附生长，从而提高了单位体积内细胞的密度，形成致密的细胞薄膜。 采用磷酸钙包覆四氧化三铁纳米粒子，所形成的核壳结构纳米粒子兼具了纳米 四氧化三铁的超顺磁性与磷酸钙良好的生物相容性，其与成骨相关细胞具有优 异的亲和性，利用磁场易于实现细胞层的培养，对于骨组织再生修复有重要意 义。

传统的制备无机核壳结构纳米粒子的方法有溶胶凝胶法、共沉淀法、球磨 法、反相微乳液法等，这些方法合成的核壳材料的结构和物质组成需要进一步 提高。例如，共沉淀法和球磨法制备的核壳粒子壳层不均匀，分散性较差；溶 胶凝胶法制备步骤较多，需进行前驱物的溶胶、溶胶转化为凝胶、干燥和热处 理等步骤。同时，传统的制备方法得到的磷酸钙类化合物物质组成不能满足与 骨矿物质相近和良好的生物相容性。而采用生物矿化方法制备的四氧化三铁磷 酸钙核壳纳米磁性粒子的相关研究鲜有报道，该制备方法得到优化，选用材料 多为无机盐类，来源广泛并对环境友好。

发明内容

本发明就是为了解决现有技术中存在的材料结构和物质组成较差等技术问 题，提供一种具有生物活性的核壳结构的纳米磁性粒子及其制备方法。

为此，本发明采用一种生物矿化的方法，制备了一种四氧化三铁磷酸钙核 壳纳米磁性粒子，该方法工艺简单、条件温和可控、对环境友好。

本发明所提供的四氧化三铁磷酸钙核壳纳米磁性粒子，其特征在于，以磁 性的四氧化三铁纳米粒子为核，其平均粒径为27-38nm，磷酸钙类物质为壳层， 壳层厚度为4-20nm。

上述所述的磷酸钙类物质壳层的组成可为羟基磷灰石(HA)、二水合磷酸 氢钙(DCPD)、磷酸三钙(α-TCP，β-TCP)、焦磷酸钙(CPPD)、磷酸四钙(TTCP)、 五水磷酸八钙(OCP)、无定形磷酸钙(ACP)等。

本发明所提供的四氧化三铁磷酸钙核壳纳米磁性粒子的饱和磁化强度为 8-48emu/g。

本发明还提供一种四氧化三铁磷酸钙核壳纳米磁性粒子的生物矿化法制备 方法，其包含如下步骤：

(1)制备四氧化三铁纳米磁性粒子：将二价铁盐配成水溶液中，加入到分 散剂溶液中，匀速搅拌，然后向混合液以缓慢滴加碱溶液、氧化剂双氧水，保 证体系的pH为10-11，加热，恒温60-160℃搅拌反应1-8小时后，利用外加磁 场将产物分离，洗涤，冷冻干燥，制得四氧化三铁纳米磁性粒子；

(2)四氧化三铁纳米磁性粒子表面改性：将步骤(1)所得的四氧化三铁纳 米磁性粒子与表面改性剂加入去离子水中，超声搅拌地得表面引入羧基的四氧 化三铁纳米磁性粒子。

(3)制备四氧化三铁磷酸钙核壳纳米磁性粒子：将NaCl、NaHCO₃、KCl、 K₂HPO₄·3H₂O、MgCl₂、CaCl₂、Na₂SO₄·10H₂O溶解在去离子水中，恒温37±0.5 ℃，加入缓冲剂或持续通入二氧化碳气体并用盐酸调整溶液pH值为6.30-7.40， 制成1-10倍浓度的模拟人体体液(即模拟人体体液的浓度为人体体液的1-10 倍)；将步骤(2)中的得到的表面改性的四氧化三铁纳米磁性粒子在持续机械 搅拌加入到上述模拟人体体液中矿化，将产物洗涤、磁分离、干燥后得到四氧 化三铁磷酸钙核壳纳米磁性粒子。

本发明优选的技术方案为：步骤(1)中所述的二价铁盐为氯化亚铁或硫酸 亚铁中的一种，分散剂溶液为聚乙二醇、聚醋酸乙烯酯或聚乙烯吡咯烷酮水溶 液中的一种，碱为氨水溶液、氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液中的一种。

步骤(2)中所述的表面改性剂为柠檬酸或柠檬酸钠中的一种，其与四氧化 三铁的质量比为50∶1-10∶1；所述超声搅拌时间为12-15小时。

步骤(3)中所述缓冲剂为三羟甲基氨基甲烷，缓冲剂与NaCl的质量比为 1∶8-1∶4；1-10倍的模拟人体体液中各离子的摩尔浓度为：Ca²⁺2.5-25.0mmol/L、 HPO₄^2-1.0-10.0mmol/L、Na⁺142.0-1000.0mmol/L、K⁺5.0-25.0mmol/L、Mg²⁺1.5-7.7mmol/L、Cl^-148.0-750.0mmol/L、HCO₃^-4.2-42.0mmol/L、SO₄^2-0.5-5.0 mmol/L；其中矿化反应时间为0.5-60小时。上述优选随着模拟人体体液的倍数 增加，其矿化时间在减少，才能得到合适厚度的壳层，才能是四氧化三铁纳米 粒子性能优越。

本发明的显著效果是：本发明水热氧化法制备的四氧化三铁纳米粒子具有超 顺磁性、高的饱和磁化强度和均匀的粒径分布，采用生物矿化的方法模拟了人 体环境，将四氧化三铁表面官能化，通过生物矿化在核表面化学吸附钙、磷离 子形成磷酸钙无机物质，将两种材料以核壳形式通过化学键紧密结合起来，在 四氧化三铁表面覆盖了一层磷酸钙无机矿物质，壳层化合物种类丰富，该物质 可为骨细胞的粘附、生长和增殖提供更适宜的条件。制备的核壳纳米粒子兼具 超顺磁性和生物活性，可应用于组织工程、载药等生物医学领域。

附图说明

图1是实施例1所述四氧化三铁磷酸钙纳米粒子的XRD图；

图2是实施例1所述四氧化三铁磷酸钙纳米粒子的TEM图；

图3是实施例1所述四氧化三铁磷酸钙纳米粒子的VSM图。

具体实施方式

实施例1

(1)将1.5g聚乙二醇(Mw＝4000)溶于15ml去离子水中，机械搅拌12 小时以上。称取1.789g氯化亚铁，溶于15ml去离子水，搅拌至全部溶解，加入 聚乙二醇溶液中。机械搅拌的同时缓慢滴加17ml 2.5％的氨水溶液；然后滴加5ml 3％的双氧水；再加入50ml去离子水。保证体系的pH为11将上述混合溶液转 移至60℃的水浴，持续机械搅拌1小时。反应结束后，利用外加磁场将所得沉 淀从反应介质中分离出来，用去离子水清洗5次。最后将沉淀放入冷冻干燥箱 中干燥，既得四氧化三铁纳米磁性粒子。

(2)将准备好的四氧化三铁纳米磁性粒子与柠檬酸钠按1∶10的质量比放入 去离子水中，超声搅拌12小时。对所得产物离心，除去上层清液，下层沉淀即 为柠檬酸钠表面改性的四氧化三铁磁性纳米粒子。

(3)称取0.04g表面改性的四氧化三铁磁性纳米粒子，分散在去离子水中。 称取39.972g NaCl、1.764g NaHCO₃、1.118g KCl、1.141g K₂HPO₄·3H₂O、1.565g MgCl₂、1.410g CaCl₂和0.355g Na₂SO₄·10H₂O依次溶解在1L去离子水中，持续 通入CO₂气体并用1mol/l的盐酸调整溶液pH值到6.42左右，制得5倍模拟人 体体液。将含有四氧化三铁纳米粒子的水溶液在持续机械搅拌下加入到5倍模 拟人体体液中，恒温37±0.5℃，矿化12小时，将产物洗涤、分离、干燥后得到 四氧化三铁磷酸钙核壳纳米磁性粒子。壳桥层磷酸钙类矿物质的晶型主要为二 水合磷酸氢钙。四氧化三铁粒子的平均粒径为27.5nm，壳层厚度为4nm。饱和 磁化强度为47.2emu/g。

图1是实施例1所得四氧化三铁磷酸钙纳米粒子的XRD图；图2是实施例 1所得四氧化三铁磷酸钙纳米粒子的TEM图；图3是实施例1所得四氧化三铁 磷酸钙纳米粒子的VSM图；

对比实施例1：矿化过程中不持续通入CO₂气体，其他条件同实施例1，反 应结束后生成羟基磷灰石微米粒子，并不能与四氧化三铁形成核壳结构。

实施例2

(1)将1.5g聚乙二醇(Mw＝4000)溶于15ml去离子水中，机械搅拌12 小时以上。称取1.789g氯化亚铁，溶于15ml去离子水，搅拌至全部溶解，加入 聚乙二醇溶液中。机械搅拌的同时缓慢滴加17ml 2.5％的氨水溶液；然后滴加5ml 3％的双氧水；再加入50ml去离子水。保证体系的pH为11将上述混合溶液转 移至160℃的水浴，持续机械搅拌1小时。反应结束后，利用外加磁场将所得沉 淀从反应介质中分离出来，用去离子水清洗5次。最后将沉淀放入冷冻干燥箱 中干燥，既得四氧化三铁纳米磁性粒子。

(2)将准备好的四氧化三铁纳米磁性粒子与柠檬酸钠按1∶10的质量比放入 去离子水中，超声搅拌12小时。对所得产物离心，除去上层清液，下层沉淀即 为柠檬酸钠表面改性的四氧化三铁磁性纳米粒子。

(3)称取0.04g表面改性的四氧化三铁磁性纳米粒子，分散在去离子水中。 称取39.972g NaCl、1.764g NaHCO₃、1.118g KCl、1.141g K₂HPO₄·3H₂O、1.565g MgCl₂、1.410g CaCl₂和0.355g Na₂SO₄·10H₂O依次溶解在1L去离子水中，加入 10g三羟甲基氨基甲烷缓冲剂并用1mol/l的盐酸调整溶液pH值到6.42左右，得 到5倍模拟人体体液；将含有四氧化三铁纳米粒子的水溶液在持续机械搅拌下 加入到5倍模拟人体体液中，恒温37±0.5℃。矿化1小时，将产物洗涤、分离、 干燥后得到四氧化三铁磷酸钙核壳纳米磁性粒子。壳层磷酸钙类矿物质的晶型 主要为无定形的羟基磷灰石。四氧化三铁粒子的平均粒径为32.5nm，壳层厚度 为4nm。饱和磁化强度为47.3emu/g。

对比实施例2：矿化过程不加入三羟甲基氨基甲烷缓冲剂，其他条件同实施 例2，应结束后生成羟基磷灰石微米粒子，并不能与四氧化三铁形成核壳结构。

实施例3

(1)将1.5g聚乙二醇(Mw＝4000)溶于15ml去离子水中，机械搅拌12 小时以上。称取1.789g氯化亚铁，溶于15ml去离子水，搅拌至全部溶解，加入 聚乙二醇溶液中。机械搅拌的同时缓慢滴加17ml 2.5％的氨水溶液；然后滴加5ml 3％的双氧水；再加入50ml去离子水。保证体系的pH为10将上述混合溶液转 移至100℃的水浴，持续机械搅拌1小时。反应结束后，利用外加磁场将所得沉 淀从反应介质中分离出来，用去离子水清洗5次。最后将沉淀放入冷冻干燥箱 中干燥，既得四氧化三铁纳米磁性粒子。

(2)将准备好的四氧化三铁纳米磁性粒子与柠檬酸钠按1∶20的质量比放入 去离子水中，超声搅拌12小时。对所得产物离心，除去上层清液，下层沉淀即 为柠檬酸钠表面改性的四氧化三铁磁性纳米粒子。

(3)称取0.04g表面改性的四氧化三铁磁性纳米粒子，分散在去离子水中。 称取39.972g NaCl、1.764g NaHCO₃、1.118g KCl、1.141g K₂HPO₄·3H₂O、1.565g MgCl₂、1.410g CaCl₂和0.355g Na₂SO₄·10H₂O依次溶解在1L去离子水中，加入 5g三羟甲基氨基甲烷缓冲剂并用1mol/l的盐酸调整溶液pH值到6.42左右，得 到5倍模拟人体体液；将含有四氧化三铁纳米粒子的水溶液在持续机械搅拌下 加入到5倍模拟人体体液中，恒温37±0.5℃。矿化3小时，将产物洗涤、分离、 干燥后得到四氧化三铁磷酸钙核壳纳米磁性粒子。壳层磷酸钙类矿物质的晶型 主要为无定形的羟基磷灰石。四氧化三铁粒子的平均粒径为30nm，壳层厚度为 20nm。饱和磁化强度为8.0emu/g。

对比实施例3：制备四氧化三铁纳米粒子过程中体系pH值低于10，其条件 同实施例3，反应结束后得到的产物为三氧化二铁磷酸钙核壳纳米粒子。

实施例4

(1)将0.5g聚醋酸乙烯酯(Mw＝30000)溶于15ml去离子水中，机械搅 拌12小时以上。称取2.499g硫酸亚铁，溶于15ml去离子水，搅拌至全部溶解， 加入聚醋酸乙烯酯溶液中。机械搅拌的同时缓慢滴加17ml 2.5％的氢氧化钠溶 液；然后滴加5ml 3％的双氧水；再加入50ml去离子水。保证体系的pH为11 将上述混合溶液转移至160℃的水浴，持续机械搅拌8小时。反应结束后，利用 外加磁场将所得沉淀从反应介质中分离出来，用去离子水清洗5次。最后将沉 淀放入冷冻干燥箱中干燥，既得四氧化三铁纳米磁性粒子。

(2)将准备好的四氧化三铁纳米磁性粒子与柠檬酸按1∶25的质量比放入去 离子水中，超声搅拌15小时。对所得产物离心，除去上层清液，下层沉淀即为 柠檬酸表面改性的四氧化三铁磁性纳米粒子。

(3)称取0.04g表面改性的四氧化三铁磁性纳米粒子，分散在去离子水中。 称取13.324g NaCl、0.588g NaHCO₃、0.377g KCl、0.380g K₂HPO₄·3H₂O、0.522g MgCl₂、0.470g CaCl₂和0.118g Na₂SO₄·10H₂O依次溶解在1L去离子水中，加入 5g三羟甲基氨基甲烷缓冲剂并用1mol/l的盐酸调整溶液pH值到7.25左右，得 到1.5倍模拟人体体液；将含有四氧化三铁纳米粒子的水溶液在持续机械搅拌下 加入到1.5倍模拟人体体液中，恒温37±0.5℃。矿化60小时，将产物洗涤、分 离、干燥后得到四氧化三铁磷酸钙核壳纳米磁性粒子。壳层磷酸钙类矿物质的 晶型主要为无定形的羟基磷灰石。四氧化三铁粒子的平均粒径为37.5nm，壳层 厚度为15nm。饱和磁化强度为22.5emu/g。

对比实施例4：不加入柠檬酸进行表面改性，其条件同实施例4，反应结束 后生成羟基磷灰石纳米粒子，并不能与四氧化三铁形成核壳结构。

实施例5

(1)将0.5g聚乙烯吡咯烷酮(Mw＝40000)溶于15ml去离子水中，机械 搅拌12小时以上。称取2.499g硫酸亚铁，溶于15ml去离子水，搅拌至全部溶 解，加入聚乙烯吡咯烷酮溶液中。机械搅拌的同时缓慢滴加17ml 2.5％的氢氧化 钾溶液；然后滴加5ml 3％的双氧水；再加入50ml去离子水。保证体系的pH为 10将上述混合溶液转移至160℃的水浴，持续机械搅拌4小时。反应结束后， 利用外加磁场将所得沉淀从反应介质中分离出来，用去离子水清洗5次。最后 将沉淀放入冷冻干燥箱中干燥，既得四氧化三铁纳米磁性粒子。

(2)将准备好的四氧化三铁纳米磁性粒子与柠檬酸按1∶30的质量比放入去 离子水中，超声搅拌15小时。对所得产物离心，除去上层清液，下层沉淀即为 柠檬酸表面改性的四氧化三铁磁性纳米粒子。

(3)称取0.04g表面改性的四氧化三铁磁性纳米粒子，分散在去离子水中。 称取7.994g NaCl、0.353g NaHCO₃、0.224g KCl、0.228g K₂HPO₄·3H₂O、0.313g MgCl₂、0.282g CaCl₂和0.071g Na₂SO₄·10H₂O依次溶解在1L去离子水中，加入 5g三羟甲基氨基甲烷缓冲剂并用1mol/l的盐酸调整溶液pH值到7.40左右。将 含有四氧化三铁纳米粒子的水溶液在持续机械搅拌下加入到1倍模拟人体体液 中，恒温37±0.5℃。矿化7天，将产物洗涤、分离、干燥后得到四氧化三铁磷 酸钙核壳纳米磁性粒子。壳层磷酸钙类矿物质的晶型主要为无定形的羟基磷灰 石。四氧化三铁粒子的平均粒径为35nm，壳层厚度为8nm。饱和磁化强度为 40.1emu/g。

对比实施例5：制备四氧化三铁纳米粒子过程中不加入分散剂，其他条件同 实施例5，反应结束后得到产物仅为磷酸钙纳米粒子。

实施例6

(1)将1.5g聚乙二醇(Mw＝4000)溶于15ml去离子水中，机械搅拌12 小时以上。称取1.789g氯化亚铁，溶于15ml去离子水，搅拌至全部溶解，加入 聚乙二醇溶液中。机械搅拌的同时缓慢滴加17ml 2.5％的氨水溶液；然后滴加5ml 3％的双氧水；再加入50ml去离子水。保证体系的pH为11将上述混合溶液转 移至60℃的水浴，持续机械搅拌1小时。反应结束后，利用外加磁场将所得沉 淀从反应介质中分离出来，用去离子水清洗5次。最后将沉淀放入冷冻干燥箱 中干燥，既得四氧化三铁纳米磁性粒子。

(2)将准备好的四氧化三铁纳米磁性粒子与柠檬酸钠按1∶50的质量比放入 去离子水中，超声搅拌12小时。对所得产物离心，除去上层清液，下层沉淀即 为柠檬酸钠表面改性的四氧化三铁磁性纳米粒子。

(3)称取0.04g表面改性的四氧化三铁磁性纳米粒子，分散在去离子水中。 称取56.1g NaCl、1.764g NaHCO₃、1.420g Na₂HPO₄和2.775g CaCl₂依次溶解在 1L去离子水中，加入10g三羟甲基氨基甲烷缓冲剂并用1mol/l的盐酸调整溶液 pH值到6.30左右得到10倍模拟人体体液。将含有四氧化三铁纳米粒子的水溶 液在持续机械搅拌下加入到10倍模拟人体体液中，恒温37±0.5℃。矿化0.5小 时，将产物洗涤、分离、干燥后得到四氧化三铁磷酸钙核壳纳米磁性粒子。壳 层磷酸钙类矿物质的晶型主要为羟基磷灰石。四氧化三铁粒子的平均粒径为 27.5nm，壳层厚度为10nm。饱和磁化强度为39.1emu/g。

对比实施例6：矿化时间超过0.5h，其他条件同实施例6，反应结束后产物壳 层较厚，饱和磁化强度过低。