一种掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架及其制备方法

1.本发明涉及离子掺杂羟基磷灰石材料领域，具体涉及一种掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架及其制备方法。


背景技术：

2.珊瑚是珊瑚虫在生长的过程中，从外界海洋环境吸收了ca
2+
与二氧化碳，并分泌出石灰石，作为自己的生存外壳。珊瑚的主要成分是碳酸钙，以方解石微晶的形式存在，约占95-99％，还有一定成分的有机质，例如硫酸化多糖，以及微量离子，其中珊瑚含有的镁、锶等微量元素有利于骨的生长。珊瑚具有多孔结构，孔径为100-500μm，与松质骨的孔结构形态相似，该结构有利于细胞黏附，具有促进血管生长的特点，可用作骨移植和骨修复材料。
3.珊瑚的主要成分碳酸钙稳定性较差，遇弱酸易溶解。羟基磷灰石(hap)是天然骨组织的主要成分，具有良好的生物相容性及骨传导性。如果控制反应条件，在珊瑚表面转化制备一层羟基磷灰石层，得到一种表面含羟基磷灰石的珊瑚/羟基磷灰石材料，不仅可以很好保留多孔结构，还可以使其具有良好的生物相容性。
4.通过离子掺杂改性技术，将不同离子掺入羟基磷灰石的晶格中，可以赋予羟基磷灰石新的功能。常见的掺杂阳离子有sr
2+
、ag
+
、cu
2+
等，易取代晶格中的ca
2+
，常见的阴离子有f-、sio
44-、cl-等，可以取代晶格中的po
43-或oh-。
5.硒(se)是动植物体内一种必须的营养元素，在抗癌应用上有显著的效果，可以以seo
32-的形式取代po
43-或oh-进入羟基磷灰石的晶格中，通过非特异性内吞途径进入癌细胞，在酸性微环境内发生释放，诱导活性氧自由基的生成，但目前尚未有将硒掺杂应用于珊瑚/羟基磷灰石支架的报告，硒能否掺入珊瑚/羟基磷灰石支架，掺入后对晶格和形貌有何影响，得到的复合材料是否稳定，这都是需要深入研究并解决的问题。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种掺硒的珊瑚/羟基磷灰石支架及其制备方法，以得到一种不仅具有良好生物活性，还具有多孔结构的功能性支架，掺杂效率高，稳定性好。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案来实现。
8.一种掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架的制备方法，包括以下步骤：
9.(1)将珊瑚支架进行预处理；所述预处理包括煅烧处理；
10.(2)将预处理后的珊瑚支架浸泡在混合溶液中进行水热反应，得到掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架；所述混合溶液为磷源溶液与硒源溶液的混合液。
11.优选的，步骤(2)所述混合溶液中se/p的摩尔比为0.05-1.0：1。
12.优选的，步骤(2)所述混合溶液中se/p的摩尔比为0.05-0.1：1。
13.优选的，步骤(1)所述煅烧的温度为400℃-600℃、升降温速率为2.5-3℃/min、保温时间为45min-75min。
14.优选的，步骤(2)所述珊瑚支架中所含的钙与混合溶液中硒和磷的摩尔比ca/(p+se)为1.67。
15.优选的，步骤(2)所述水热反应温度为120-180℃，反应时间≥12h。
16.优选的，步骤(1)中，所述珊瑚的骨架为枝条形，以便于切割得到形貌规整的珊瑚块。
17.优选的，步骤(1)所述珊瑚支架进行煅烧前先进行切割、洗涤；所述洗涤采用的是过氧化氢溶液，使用超声进行清洗。
18.优选的，所述切割过程中选用的切割机为金刚石刀片切割机，切割得到的珊瑚块厚度为3mm。
19.优选的，所述洗涤过程为选用15％的过氧化氢溶液浸泡一夜，再用去离子水超声洗去表现残留的过氧化氢。
20.优选的，步骤(2)所述硒源溶液为亚硒酸钠溶液，所述磷源溶液为磷酸氢二铵溶液；步骤(2)中将珊瑚支架浸泡在混合溶液之前，用浓氨水将混合溶液的ph调至10；步骤(2)所述煅烧后的珊瑚支架水热反应完毕后超声洗涤、烘干；所述洗涤是在水中超声洗涤，清洗完成的标志是最后一次洗涤液的ph处于纯水的ph范围6.8-7.2。
21.优选的，所述烘干过程是在50℃下干燥12-24h。
22.优选的，所述煅烧的温度为600℃、升降温速率均为2.5℃/min、保温时间为1h；所述混合溶液中se/p的摩尔比为0.08：1；所述水热反应的温度为150℃、反应时间为12h。
23.由以上任一项所述的制备方法制得的一种掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架；所述支架近似为圆柱状，厚度为3mm，孔径分布为100-500μm。
24.本发明的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架，硒能有效的掺入珊瑚支架表面的羟基磷灰石层中，根据不同的掺杂比，易于控制硒的掺入量，且掺杂效果稳定。
25.与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
26.(1)本发明制备掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架的方法简单，原料为海边的废弃珊瑚，做到了废物再利用；而且硒能稳定掺入珊瑚表面的羟基磷灰石层中，掺杂率高且可控，所得支架结构稳定。
27.(2)本发明掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架在发生转化的同时保留了珊瑚支架的多孔结构，有利于细胞的黏附与增殖分化。
28.(3)利用硒的抗癌作用，本发明掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架可以与载药、成骨等领域结合起来，发挥协同作用。
附图说明
29.图1为实施例1中不同se/p掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架的gixrd图。
30.图2为实施例1中不同se/p得到的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架粉末的icp分布图。
31.图3a、图3b为实施例1中样品1的fesem图。
32.图4a-图4b、图4c-图d为实施例1中样品2-3的fesem图。
33.图5a-图5b、图5c-图5d、图5e-图f、图5g-图h为实施例1中样品4-7的fesem图。
34.图6为实施例2中不同煅烧温度得到的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架粉末的icp测量结果图。
35.图7为实施例2中不同煅烧温度得到的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架的拉曼光谱图。
36.图8为实施例2中不同煅烧温度得到的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架的gixrd图。
37.图9为实施例4中洗净珊瑚支架的sem图。
38.图10为实施例4中反应得到的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架的sem图。
具体实施方式
39.下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
40.实施例1
41.制备se/p摩尔比为0、0.05、0.08、0.1、0.3、0.5、1.0的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架。
42.(1)将切割好的3mm珊瑚块在15wt％的过氧化氢溶液中浸泡过夜，超声洗净后在马弗炉中煅烧1h，煅烧温度为600℃，升温速率与降温速率均为2.5℃/min，温度变化过快或保温时间过长会导致支架受热不均匀而破裂。
43.(2)根据ca/(p+se)为1.67以及珊瑚块的质量，计算所需(nh4)2hpo4、na2seo3的质量，将(nh4)2hpo4(分析纯)与na2seo3(分析纯)溶于去离子水中，将混合溶液定容为80ml，硒源和磷源的摩尔比满足0、0.05、0.08、0.1、0.3、0.5、1.0，使用浓氨水将混合溶液的ph调至10。将珊瑚块与混合溶液转移到150ml规格的反应釜中，于150℃下水热反应12h。反应完毕后取出珊瑚块，浸泡在去离子水中超声清洗，每次超声处理5min后用新鲜的去离子水替换，直到最后一次洗涤液的ph处于纯水的ph范围(6.8-7.2)。在50℃下干燥24h，得到不同的se/p的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架样品，如表1所示。
44.(3)将得到的不同样品研磨成粉末，硝解后测定支架中se的含量。
45.表1
[0046][0047][0048]
图1为控制不同se/p得到的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架的gixrd(x射线掠入射衍射)图。如图1所示，当se/p较低(0-0.1)时，样品均出现了羟基磷灰石的特征峰，当se/p为
0.1时，羟基磷灰石特征峰强度降低，结晶度发生下降，se/p进一步增加时，样品的表面层将不再以磷灰石为主，而是以caseo3为主相。
[0049]
图2为控制不同se/p得到的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架粉末的icp分布图。如图2所示，在低se掺杂量下，当se/p增加，支架的掺杂含量也相应的增加，当se/p大于0.1时，支架的se含量反而会减少，直到出现一个稳定的平台，这是由于seo
32-以caseo3的形式聚集在表面，阻碍了其进一步进入hap的晶格，使大量的seo
32-残留在母液中，因而使得掺杂量下降。得到不同的se/p的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架样品的se含量如表2所示。
[0050]
表2
[0051][0052][0053]
图3a、图3b为样品1的表面fesem图。图4a-图4b、图4c-图d分别为样品2-3的表面fesem图，相较于不掺杂的样品1，低含量se掺杂样品随着掺杂量的增加表面气孔逐渐减小乃至消失，晶粒融合更为紧密。图5a-图5b、图5c-图5d、图5e-图f、图5g-图h分别为样品4-7的表面fesem图。可见，随着掺se量进一步升高，形貌又回到了分散的针状晶粒，此时样品5-7表面的主相为caseo3。
[0054]
综上，硒掺入了羟基磷灰石晶格，且掺杂效率随着掺杂量的增加呈现先增加后减少然后稳定的趋势，其中，最佳se/p为0.08。
[0055]
实施例2
[0056]
分别控制珊瑚块的煅烧温度为400℃、500℃、600℃，制备se/p为0.08：1的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架。
[0057]
(1)将切割好的3mm珊瑚块在15wt％的过氧化氢溶液中浸泡过夜，超声洗净后在马弗炉中煅烧1h，煅烧温度分别控制为400℃、500℃、600℃，升温速率与降温速率均为2.5℃/min，温度变化过快或保温时间过长会导致支架受热不均匀而破裂。
[0058]
(2)根据ca/(p+se)为1.67以及珊瑚块的质量，计算所需(nh4)2hpo4、na2seo3的质量，将(nh4)2hpo4(分析纯)与na2seo3(分析纯)溶于去离子水中，将混合溶液定容为80ml，硒源和磷源的摩尔量满足0.08：1，使用浓氨水将混合溶液的ph调至10。将珊瑚块与混合溶液
转移到150ml规格的反应釜中，于150℃下水热反应12h。反应完毕后取出珊瑚块，浸泡在去离子水中超声清洗，每次超声处理5min后用新鲜的去离子水替换，直到最后一次洗涤液的ph处于纯水的ph范围(6.8-7.2)。在50℃下干燥24h，得到掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架。
[0059]
(3)将得到的不同样品研磨成粉末，硝解后测定支架中的se的含量。
[0060]
se/p摩尔比为0.08时，不同煅烧温度下(400℃-700℃)得到的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架样品如表3所示。
[0061]
表3
[0062]
样品煅烧温度se/p11400℃0.0812500℃0.0813600℃0.0814700℃0.08
[0063]
图6是se/p不变的情况下，控制不同煅烧温度时得到的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架粉末的icp测量结果图。可见，随着预处理时煅烧温度的增加，支架的掺杂含量也相应的增加。
[0064]
本实施例得到不同煅烧温度下掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架样品的se含量如表4所示，其中，当煅烧温度过高时，支架在水热处理过程中发生塌陷。
[0065]
表4
[0066]
样品se含量(mg/kg)112052.891123701.806134647.58714支架塌陷
[0067]
图7是se/p不变的情况下，控制不同煅烧温度时得到的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架表面的拉曼光谱图。如图7所示，964cm-1
处为羟基磷灰石的拉曼特征峰，153cm-1
、180cm-1
、206cm-1
、1085cm-1
处为碳酸钙的特征峰，随着煅烧温度的增加，反应得到的样品的羟基磷灰石特征峰逐渐增强，碳酸钙特征峰逐渐减弱，图7表明了随着预处理时煅烧温度的增加，更能促进珊瑚支架表面发生向羟基磷灰石的转化，这也间接解释了可以得到更多掺硒羟基磷灰石的原因。
[0068]
图8是se/p不变的情况下，控制不同煅烧温度时得到的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架表面的gixrd图。如图8所示，400℃时由于煅烧温度较低，煅烧不完全，使得存在碳酸钙的杂相，随着煅烧温度的增加，碳酸钙的峰强度越来越小直至消失，羟基磷灰石的特征峰越来越明显。
[0069]
实施例3
[0070]
600℃煅烧预处理下，制备se/p摩尔比为0.08的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架，并进行离子释放实验。
[0071]
(1)将切割好的3mm珊瑚块在15wt％的过氧化氢溶液中浸泡过夜，超声洗净后在马弗炉中煅烧1h，煅烧温度为600℃，升温速率与降温速率均为2.5℃/min，温度变化过快或保温时间过长会导致支架受热不均匀而破裂。
[0072]
(2)根据ca/(p+se)为1.67以及珊瑚块的质量，计算所需(nh4)2hpo4、na2seo3的质量，将(nh4)2hpo4(分析纯)与na2seo3(分析纯)溶于去离子水中，将混合溶液定容为80ml，硒源和磷源的摩尔比满足0.08，使用浓氨水将混合溶液的ph调至10。将珊瑚块与混合溶液转移到150ml规格的反应釜中，于150℃下水热反应12h。反应完毕后取出珊瑚块，浸泡在去离子水中超声清洗，每次超声处理5min后用新鲜的去离子水替换，直到最后一次洗涤液的ph处于纯水的ph范围(6.8-7.2)。在50℃下干燥24h，得到掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架。
[0073]
(3)将反应完成的支架浸泡在5ml的pbs溶液中，在恒温摇床孵育(37℃、100rpm)，选择不同时间点(1h、2h、4h、8h、12h、24h、36h、48h、72h、120h)吸取1ml的浸泡液进行icp测试，并补充同体积新鲜pbs溶液。
[0074]
不同释放时间收集的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架样品在pbs中的浸提液如表5所示。
[0075]
表5
[0076]
样品释放时间se含量(mg/kg)rsd211h0.074273.6％222h0.06365.8％234h0.093210.1％248h0.082157.8％2512h0.067103.1％2624h0.10199.9％2736h0.13181.7％2848h0.039453.9％2972h0.071129.6％210120h0.021352.0％
[0077]
如表5所示，无论是释放1h的样品21，还是释放120h的样品210，其检测的rsd(相对标准偏差)都远远超过了可信范围(小于5％)，这意味着浸提液中se含量过低，无法达到icp的检出限，seo
32-基本上不会发生离子释放，这表明了seo
32-的掺杂效果稳定。
[0078]
实施例4
[0079]
制备预处理煅烧温度为600℃，se/p摩尔比为0.08的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架。
[0080]
(1)将切割好的3mm珊瑚块在15wt％的过氧化氢溶液中浸泡过夜，超声洗净后在马弗炉中煅烧1h，煅烧温度控制为600℃，升温速率与降温速率均为2.5℃/min，温度变化过快或保温时间过长会导致支架受热不均匀而破裂。
[0081]
(2)根据ca/(p+se)为1.67与珊瑚块的质量，计算所需的(nh4)2hpo4、na2seo3的重量，将(nh4)2hpo4(分析纯)与na2seo3(分析纯)溶于去离子水中，将混合溶液定容为80ml，硒源和磷源的摩尔量满足0.08，使用浓氨水将混合溶液的ph调至10。将珊瑚块与混合溶液转移到150ml规格的反应釜中，于150℃下水热反应12h。反应完毕后取出珊瑚块，浸泡在去离子水中超声清洗，每次超声处理5min后用新鲜的去离子水替换，直到最后一次洗涤液的ph处于纯水的ph范围(6.8-7.2)。在50℃下干燥24h，得到掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架。
[0082]
图9、图10分别是洗涤干净的珊瑚支架与本实施例得到的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架的sem图。如图9、图10所示，反应前后多孔形貌保留完好，图10中的裂隙可能是煅烧过程
所致。
[0083]
综上，本发明制备的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架，保留了其原有的多孔结构。由于seo
32-易与支架表面溶出的ca
2+
提前沉淀，抑制其进入羟基磷灰石晶格，制备过程中，硒源的量不宜过高。此外，高煅烧温度有利于表面向羟基磷灰石转化的进行，但温度过高易导致碳酸钙发生分解，将煅烧温度与se/p分别控制在600℃与0.08，可以得到掺杂效率最高的掺硒珊瑚/羟基磷灰石支架。
[0084]
同时，掺杂结构稳定，不易发生离子释放，未来可发挥其多孔性质，负载药物或者生长因子，与其在成骨、抗癌等领域发挥协同作用。
[0085]
以上实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下做出的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。