专利名称：层状磷酸钙盐及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及层状磷酸钙盐及其制备方法，具体来说，涉及一种生物大分子 与表面活性剂诱导合成层状磷酸钙盐的方法，属于生物医学材料技术领域。
背景技术：
磷酸钙盐是脊椎动物中骨和齿的主要无机成分，如无水磷酸氢钙、二水磷 酸氢钙、磷酸八钙和羟基磷灰石等。骨组织主要是由有机的骨基质与无机的骨 盐框架所构成。无机结构的基本单元是磷灰石纳米晶体。它们或定向和巻曲排 列，或相互缠结，构成多种超结构。不同超结构形成了骨组织在纳米尺寸上不 同的功能单元，如束状结构和团聚结构适于承受高强度，而巻曲和束状交织结 构具有很好的韧性，并有利于营养物的传递。钙化的火鸡肌腱就是其中一个典 型的例子。在钙化的火鸡肌腱中，位于胶原质纤维内部和之间的羟基磷灰石纳 米片沿着晶体C轴方向生长并整齐地叠加在一起。据报道具有这种超结构的钙 化的火鸡肌腱具有优异的机械性能。
制备与生物体内组成和结构相类似的材料一直是仿生学研究的热点。随着 对骨组织生物矿化过程的日益了解，越来越多的研究集中在体外如何制备出与 骨组织的组成和结构相类似的材料。尽管已经付出巨大努力，但迄今为止，还 不能在体外制备出与骨组织的结构和组成真正类似的材料。自组装是合成这类 超结构材料的一种重要的方法，其类似于自然动态过程中形成和组织同时进行， 控制轻基磷灰石的大小和形貌，并自组装成与生物体内某些器官和组织的结构 相似的材料。
众所周知，晶体的形貌与结晶驱动力和像原子、离子、分子和热量的扩散 等动力学因素紧密相关。表面活性剂和生物分子分别作为模板剂已被广泛地用 来控制磷酸钙盐的合成。表面活性剂分子在水溶液中能自组装成各种形状的胶 束(如棒状、层状等)，从而诱导生成各种形貌的磷酸钙盐。生物分子，例如 明胶、胶原质、丝纤蛋白、壳聚糖和硫酸软骨素等，也被证明对磷酸钙盐的成 核和生长有重要影响。目前，尽管生物分子与表面活性剂之间的作用已经研究得很彻底，但它们共同控制磷酸钙盐的成核和生长的机理不是很清楚。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有磷酸钙盐不具有高度定向的组装结构，而提 供的 一种层状磷酸钙盐及其制备方法。
在生物大分子和表面活性剂的共同诱导作用下，生成的层状磷酸钙盐纳米 片沿着特定的方向生长，并相互平行堆积形成层状结构。利用本发明方法制备 得到各种层状磷酸氢钙、层状磷酸八钙和层状羟基磷灰石物相，所得到的磷酸
钙盐呈纳米片状，其长度为10 100nm ，宽度为0. 1 2pm，厚度为20 100n m 本发明方法的实施方案如下
(1) 以可溶性钙盐和可溶性磷酸盐为原料，以生物大分子和表面活性剂为模 板剂。
可选用的可溶性钙盐有四水硝酸钙、二水氯化钙等；
可选用的可溶性磷酸盐有磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、磷酸氢 二钾、磷酸二氢氨和磷酸氢二氨；
可选用的生物大分子有明胶、琼脂、角叉原、透明质酸、胶原质、海藻酸、 纤维蛋白、纤维蛋白原、角质蛋白、丝蛋白、酪蛋白、白蛋白、弹性蛋白中的 一种或是它们的衍生物、或是其中两种或多种的共混物；其中最优选的是琥珀 酰化的明胶。
可选用的表面活性剂为胺盐、季铵盐表面活性剂，包括十六垸基三甲基溴 化铵、双辛烷基二甲基氯化铵、四甲基硫酸氢铵中的一种或是其中两种或多种 的共混物。其中最优选的是十六垸基三甲基溴化铵。
(2) 配制含有40 400 mmol/L表面活性齐U, 0.1 0.5%生物大分子和10 30% 尿素的水溶液。接着向上述溶液中加入可溶性钙盐和可溶性磷酸盐，并搅拌0.5 5小时。其中可溶性钙盐的浓度为0.1 1 mol/L，钙和磷的摩尔比(Ca/P)为l 2.7。
(3) 将反应液倒入水热釜中，在70 150°C反应0.5 120小时。
(4) 反应结束后，自然冷却至室温。产物经抽滤，水洗和醇洗，再在25 100°C 下干燥12 96小时。
结构表征及性能评价广角X射线衍射仪(XRD)分析产物的物相。仪器型号为Rigaku D/Max 2550V，采用铜靶，Cu Ka射线(入=1.54178A)。
场发射扫描电子显微镜(SEM)用来观察产物的形貌。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。仪器型号为JE0L JEM-2100F,加速电压为200kv。
磷酸钙盐由于在医学领域有着广泛应用价值而受到人们的高度关注。然而 目前获取的磷酸钙盐的尺寸、形貌不易控制，机械性能较差，因而影响了其应 用性能及应用范围。
为此，本发明提出采用生物大分子和表面活性剂作为模板，制备具有高有 序度的层状磷酸钙盐，并且有助于提高磷酸钙盐的机械性能，因此，不仅有利 于我们进一步理解磷酸钙盐的生物矿化过程，同时为高质量医用磷酸钙盐材料 的获取及推广提供了新的可能。本发明所得到的磷酸钙盐可用于人体硬组织骨 缺损填充修复材料、注入缺损部位凝固或可降解骨替代材料。
图1显示了不同反应时间得到的产物的XRD图谱，(a) 4h， (b) 12 (c) 24 h， (d) 48 1; and (e) 96 h。结果表明，不同的磷酸钙盐可以通过不同的反应时 间得到。
图2显示了具有层状结构的磷酸氢钙的扫描电镜图。 图3显示了具有层状结构的磷酸八钙的扫描电镜图。 图4显示了具有层状结构的羟基磷灰石的扫描电镜图。
具体实施例方式
下面通过对比例和实施例进一步说明本发明，但本发明绝非限于实施例。 对比例1:
琥珀酰化的明胶(SG)诱导羟基磷灰石的形成，具体工艺如下首先配制 含有0,24wt。/。 SG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2小时。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。C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°C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，所得的产物为破碎 的片状羟基磷灰石。
对比例2:
十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)诱导羟基磷灰石的形成，具体工艺如下 首先配制含有首先配制含有340 mmol/L CTAB和24wtn/。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2小时。其中，其中硝酸钙 的浓度为0.14 mol/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。C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。C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，所得的产物为破碎 的片状羟基磷灰石。
实施例1:
分别按下表1中指定的各组分及参数，利用十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB)与琥珀酰化的明胶(SG)共同诱导磷酸钙盐的形成，具体工艺如下首 先配制含有CTAB、 SG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2小时。随后将反应液倒入水热釜中，在80°C 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。C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，所得的产物为层状 羟基磷灰石。其组成单元(纳米片)都沿着特定的方向生长。纳米片的长度在 10微米至100微米之间，厚度为20纳米 100纳米。宽度为100纳米~2微 米。
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。结果表明，所得的产物为层状磷酸八钙。其他结果与实施例l类似。
7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。结果表明，所得的产物为层状磷酸氢钙。其他结果与实施例 l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，但用双辛烷基二甲 基氯化铵代替十六烷基三甲基溴化铵。结果与实施例l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，但用四甲基硫酸氢 铵代替十六烷基三甲基溴化铵。结果与实施例l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，但用胶原质代替琥 珀酰化的明胶。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，但用透明质酸代替 琥珀酰化的明胶。结果与实施例l类似。
表1
各组分含量和反应条件实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6实施例7
十六烷基三甲基溴化铵 (mmol/L)340340340330320310300
琥珀酰化的明胶 (wt%)0.240.240,240.220.220.200.20
硝酸钙(mol/L)0.140.140.140.180.200.240.30
Ca/P比1.71.71.71.81.61.52.0
反应时间(h)961249696969权利要求
1、层状磷酸钙盐，其特征在于，纳米片状磷酸钙盐沿着特定的方向生长，并相互平行堆积形成层状结构。
2、 按权利要求1所述的层状磷酸钙盐，其特征在于可得到的层状磷酸钙盐 包括磷酸氢钙、磷酸八钙和羟基磷灰石。
3、 按权利要求1或2所述的层状磷酸钙盐，磷酸钙盐长度为10 100pm， 宽度为0. 1 2pm，厚度为20 100nm。
4、 层状磷酸钙盐的制备方法，其特征在于，包括下述步骤(1) 以可溶性钙盐和可溶性磷酸盐为原料，以生物大分子和表面活性剂为模 板剂；(2) 配制含有40 400 mmol/L表面活性剂，0.1~0.5%生物大分子和10 30% 尿素的水溶液。接着向上述溶液中加入可溶性钙盐和可溶性磷酸盐，并搅拌0.5 5小时。其中可溶性钙盐的浓度为0.1 1 mol/L，钙和磷的摩尔比(Ca/P)为l 2.7;(3) 将反应液倒入水热釜中，在70 150°C反应0.5 120小时；(4) 反应结束后，自然冷却至室温。产物经抽滤，水洗和醇洗，再在25 100°C 下干燥12 96小时。
5、 按权利要求4所述的层状磷酸钙盐的制备方法，其特征在于，可溶性钙 盐包括四水硝酸钙、二水氯化钙。
6、 按权利要求4所述的层状磷酸钙盐的制备方法，其特征在于，可溶性磷 酸盐包括磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢氨或 磷酸氢二氨。
7、 按权利要求4所述的层状磷酸钙盐的制备方法，其特征在于，生物大分 子包括明胶、琼脂、角叉原、透明质酸、胶原质、海藻酸、纤维蛋白、纤维蛋 白原、角质蛋白、丝蛋白、酪蛋白、白蛋白、弹性蛋白中的一种或是它们的衍 生物、或是其中两种或多种的共混物。
8、 按权利要求7所述的层状磷酸钙盐的制备方法，其特征在于，生物大分子是琥珀酰化的明胶。
9、 按权利要求4所述的层状磷酸钙盐的制备方法，其特征在于，表面活性 剂为胺盐、季铵盐表面活性剂，包括十六烷基三甲基溴化铵、双辛烷基二甲基氯化铵、四甲基硫酸氢铵中的一种或是其中两种或多种的共混物。
10、 按权利要求9所述的层状磷酸钙盐的制备方法，其特征在于，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
11、 按权利要求1或2或3所述的层状磷酸钙盐磷酸钙盐用于人体硬组织 填充材料或可降解骨替代材料。
全文摘要
本发明涉及层状磷酸钙盐及其制备方法和应用，具体来说，是一种生物大分子与表面活性剂诱导合成层状磷酸钙盐的方法，属于生物医学材料技术领域。本发明以可溶性钙盐和可溶性磷酸盐为原料，以生物大分子和表面活性剂为模板剂，制备得到的磷酸钙盐纳米片沿着特定的方向生长，形成层状结构。纳米片的长度为10～100μm，宽度为0.1～2μm，厚度为20～100nm。本发明有助于提高磷酸钙盐机械性能，扩展其在骨替代材料方面的应用，为高质量医用磷酸钙盐材料的获取及推广提供了新的可能。
文档编号A61L27/00GK101538028SQ200910049369
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月15日 优先权日2009年4月15日
发明者祝迎春, 肖军武, 阮启超 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所