羟基磷灰石微米管及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种羟基磷灰石微米管及其制备方法，属于生物材料领域。

背景技术：

作为脊椎动物骨骼和牙齿的主要无机成分，羟基磷灰石因其良好的生物活性、生物相容性以及骨传导和骨诱导能力而被应用于组织工程、药物输运等生物医学领域，如羟基磷灰石生物陶瓷、羟基磷灰石骨缺损修复支架、羟基磷灰石药物载体等。

到目前为止，人们已经通过多种不同的合成方法制备出具有不同形貌的羟基磷灰石材料，如一维的棒状、线状，二维的片状，三维的球状、花状、块状等，但是采用简单的方法制备羟基磷灰石管状结构材料的例子报道很少。因此，探索新制备方法合成性能优良的羟基磷灰石管状结构材料具有重要的科学意义和良好的应用前景。

虽然目前文献已有合成羟基磷灰石管状材料方法的报道，例如M.G.Ma,Y.J.Zhu and J.Chang,Mater.Lett.,2008,62,1642-1645.Y.Yuan,C.Liu,Y.Zhang and X.Shan,Mater.Chem.Phys.,2008,112,275-280.J.Hui,G.Xiang,X.Xu,J.Zhuang and X.Wang,Inorg.Chem.,2009,48,5614-5616.F.Chen,Y.J.Zhu,K.W.Wang and K.L.Zhao,CrystEngComm,2011,13,1858-1863.R.K.Singh,A.M.El-Fiqi,K.D.Patel and H.-W.Kim,Mater.Lett.,2012,75,130-133.B.B.Chandanshive,P.Rai,A.L.Rossi,O.Ersen and D.Khushalani,Mater.Sci.Eng.C,2013,33,2981-2986.E.Lester,S.V.Y.Tang,A.Khlobystov,V.L.Rose,L.Buttery and C.J.Roberts,CrystEngComm,2013,15,3256-3260等。但存在着制备工艺复杂、产物分散性不好、团聚严重、结晶度不高、尺寸难以调控等问题。

技术实现要素：

面对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种制备羟基磷灰石微米管及其制备方法和应用。

一方面，本发明提供了一种羟基磷灰石微米管，所述羟基磷灰石微米管为管状结构所述羟基磷灰石微米管的直径为0.1～20μm，长度为10～200μm。

本发明中所述羟基磷灰石微米管具有单晶、超长、无团聚等特点，在生物医学、过滤吸附、环境保护等领域中具有良好的应用前景。本发明对扩展磷酸钙类生物材料的制备和应用具有重要的科学意义和实用价值。

另一方面，本发明还提供了一种羟基磷灰石微米管的制备方法，包括：

(1)将水溶性钙盐水溶液、水溶性磷盐水溶液加入到由水、醇和油酸的混合三元溶剂中，得到混合液，所述水溶性磷盐为水溶性多偏磷酸盐或/和水溶性多聚磷酸盐；

(2)将所得混合液于120～240℃进行溶剂热反应1～72小时后，再经离心分离，洗涤干燥后得到所述羟基磷灰石微米管。

本发明以水溶性钙盐作为钙源、水溶性多偏(聚)磷酸盐作为磷源、以水、醇、油酸作为溶剂。一方面油酸与钙离子形成油酸钙，油酸钙作为前驱体和钙源。本方法采用水溶性多偏(聚)磷酸盐合成出了单分散、无团聚、长度可调节、直径可调节的羟基磷灰石微米管。本发明所采用的磷源在羟基磷灰石微米管的形成过程中发挥了很大的作用，一方面油酸与钙离子形成油酸钙，油酸钙作为前驱体和钙源。另一方面，加入水溶性多偏(聚)磷酸盐后在120～240℃进行溶剂热反应，随着反应的进行，多偏(聚)磷酸盐发生水解生成磷酸根离子，最终形成了羟基磷灰石微米管。而其它水溶性磷盐如磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠，在溶解后很容易水解出磷酸根离子，会直接生成纳米线，在相同合成条件下不能得到羟基磷灰石微米管。

本发明中所述的制备方法中，在所述水、醇和油酸的混合三元溶剂中加入水溶性钙盐水溶液和强碱水溶液形成油酸钙前驱体后，再加入水溶性多偏(聚)磷酸盐水溶液，得到混合液。

较佳地，所述三元溶剂中水、醇和油酸的体积比为(1～10)：(1～10)：(1～12)。

较佳地，所述醇包括甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、异丁醇、戊醇和己醇中的至少一种。

较佳地，所述油酸和水溶性多偏(聚)磷酸盐的摩尔比为10:1～1:15。

较佳地，所述水溶性钙盐包括氯化钙、硝酸钙和乙酸钙中的至少一种。

较佳地，所述水溶性多偏磷酸盐或/和水溶性多聚磷酸盐包括三偏磷酸盐或/和六偏磷酸盐，优选为三聚磷酸钠、三偏磷酸钠、六偏磷酸钠、三聚磷酸钾、三偏磷酸钾和六偏磷酸钾中的至少一种。

较佳地，所述水溶性钙盐与水溶性磷盐的摩尔比为10:1～1:10，优选为4:1～6:1。

较佳地，使用强碱或强碱水溶液调节所述混合液pH值至5～14，所述强碱包括氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。具体来说，以采用上述强碱水溶液调节pH至5～14，使用的强碱水溶液的摩尔浓度可为0.1～10M，优选为1～2M。

本发明采用溶剂热法，将所得混合液于120～240℃进行溶剂热反应1～72小时后，再经离心分离，洗涤干燥后得到所述羟基磷灰石微米管。

再一方面，本发明还提供了一种羟基磷灰石微米管在生物医学、过滤吸附、环境保护领域中的应用。

本发明的制备工艺简单，操作方便，不需要复杂昂贵的设备，有望实现工业化生产。通过本发明所述制备方法制备的羟基磷灰石微米管在生物医学、过滤吸附、环境保护等领域中具有良好的应用前景。

附图说明

图1为实施例4制备的羟基磷灰石微米管的扫描电子显微(SEM)图；

图2为实施例4制备的羟基磷灰石微米管的透射电子显微(TEM)图；

图3为实施例4制备的羟基磷灰石微米管的X射线衍射(XRD)图。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明人经过锐意的研究认识到采用溶剂热法以水溶性钙盐作为钙源、水溶性磷盐(水溶性多偏磷酸盐或多聚磷酸盐)作为磷源、以水、醇、油酸作为溶剂可得到单分散、无团聚的羟基磷灰石微米管。所述羟基磷灰石微米管的直径可为0.1～20μm，长度可为10～200μm。本发明还通过调节制备条件参数例如钙/磷摩尔比、溶剂比例、溶剂热温度等可以有效控制合成的羟基磷灰石微米管的直径和长度。

本发明采用简单的溶剂热法，以水溶性钙盐作为钙源、水溶性多偏磷酸盐或多聚磷酸盐作为磷源、以水、醇、油酸作为溶剂合成羟基磷灰石微米管。以下示例性地说明本发明提供的羟基磷灰石微米管的制备方法。

将水、醇和油酸混合，得到三元溶剂。所述三元溶剂中水、醇和油酸的体积比可为(1～10)：(1～10)：(1～12)。其中，油酸用于合成油酸钙前驱体，乙醇使水、油酸和醇三相均匀混合。其中醇包括甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、异丁醇、戊醇、己醇等。

将水溶性钙盐、水溶性多偏(聚)磷酸盐和强碱加入到由水、醇和油酸混合的三元溶剂中，得到混合液。具体来说，可以是将所述水溶性钙盐水溶液加入到水、醇、油酸三元混合溶剂中，然后加入氢氧化钠水溶液，最后加入水溶性多偏磷酸盐或多聚磷酸盐水溶液。然而应理解，可以采用其它混合方式，例如将水溶性钙盐固体、强碱固体和多偏磷酸盐或多聚磷酸盐固体先后或同时加入到水、醇、油酸三元溶剂中，搅拌形成悬浮液(同上述混合液)。

上述水溶性钙盐可采用常用的水溶性钙盐，包括氯化钙、硝酸钙、乙酸钙等，应理解可采用一种水溶性钙盐，也可采用两种以上的水溶性钙盐；此外还应理解可以采用水溶性钙盐的水合物，例如CaCl₂·6H₂O。

上述磷源为水溶性多偏磷酸盐或/和水溶性多聚磷酸盐可选用三偏磷酸盐或/和六偏磷酸盐，优选包括三聚磷酸钠、三偏磷酸钠、六偏磷酸钠、三聚磷酸钾、三偏磷酸钾、六偏磷酸钾和/或这些化合物的水合物。

上述油酸和水溶性钙盐的摩尔比可为10:1～1:15，优选的2:1～1:2。

上述水溶性钙盐与水溶性多偏磷酸盐或多聚磷酸盐的摩尔比为1:10～10:1，较佳地，其摩尔比为1:2～2:1。

本发明中还可优选地将所述水溶性钙盐水溶液加入到水、醇、油酸三元混合溶剂中，然后加入强碱水溶液，最后加入水溶性多偏磷酸盐或多聚磷酸盐水溶液，搅拌形成乳浊液。所述水溶性钙盐水溶液的摩尔浓度可为0.01～10摩尔/升，优选为0.1～2摩尔/升。所述水溶性多偏磷酸盐或多聚磷酸盐水溶液的摩尔浓度可为0.01～10摩尔/升，优选为0.1～2摩尔/升。

然后，使用强碱或强碱水溶液调节上述混合液的pH至5～14。所述强碱可为氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。所述强碱水溶液的摩尔浓度可为0.01～10摩尔/升，优选为1～2摩尔/升。

将所得混合液于120～240℃进行溶剂热反应1～72小时，得到所述羟基磷灰石微米管。本发明制备的羟基磷灰石微米管为管状结构，微米管的直径在0.1～20微米范围、长度在1～200微米范围，且直径和长度可调节。

对溶剂热处理后的产物进行分离。分离的方法包括离心分离、过滤或静置沉淀分离等。对分离出的产物进行洗涤和干燥处理，即得到羟基磷灰石微米管粉体。洗涤可采用水洗和/或乙醇洗。

本发明具有如下优点：

(1)所制备得到的羟基磷灰石微米管结晶度高，分散性好，无团聚；

(2)在一定条件下制备得到的羟基磷灰石微米管具有尖锐的端部，可用于生物针头和探针等；

(3)所制备得到的羟基磷灰石微米管的尺寸可以通过改变制备条件来调节；

(4)所制备的羟基磷灰石微米管在生物医学、过滤吸附、环境保护等领域中具有良好的应用前景；

(5)本发明制备工艺简单、操作方便，不需要复杂昂贵的设备，有望实现工业化生产。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

在室温下，将0.2200克CaCl2溶于10毫升去离子水中形成A液；将0.6600克NaOH溶于10毫升去离子水中形成B液；将0.1925克(NaPO3)6溶于10毫升去离子水中形成C液；取去离子水、乙醇、油酸配置4.5：8.5：7总体积为20毫升的三元溶剂D液。将A液加入D液中，磁力搅拌10分钟；然后将B液加入到上述混合液中，磁力搅拌20分钟；最后将C液加入到混合液中，磁力搅拌10分钟。调节混合液的最终pH值为8。将该乳白色混合液转入到不锈钢外套的聚四氟乙烯反应釜中(容量为100毫升)，密封，在180℃下反应25小时。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用无水乙醇洗涤3次，用去离子水洗涤3次，60℃空气中干燥，得到直径约为1～2μm，长度为20～40μm的羟基磷灰石微米管粉体。

实施例2

在室温下，将0.2200克CaCl₂溶于10毫升去离子水中形成A液；将0.6600克NaOH溶于10毫升去离子水中形成B液；将0.1925克(NaPO₃)₆溶于10毫升去离子水中形成C液；取去离子水、乙醇、油酸配置4.5：8.5：7总体积为20毫升的三元溶剂D液。将A液加入D液中，磁力搅拌10分钟；然后将B液加入到上述混合液中，磁力搅拌20分钟；最后将C液加入到混合液中，磁力搅拌10分钟。调节混合液的最终pH值为8。将该乳白色混合液转入到不锈钢外套的聚四氟乙烯反应釜中(容量为100毫升)，密封，在200℃下反应25小时。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用无水乙醇洗涤3次，用去离子水洗涤3次，60℃空气中干燥，得到直径约为0.5～1μm，长度为20～40μm的羟基磷灰石微米管粉体。

实施例3

在室温下，将0.2200克CaCl₂溶于10毫升去离子水中形成A液；将0.6600克NaOH溶于10毫升去离子水中形成B液；将0.1925克(NaPO₃)₆溶于10毫升去离子水中形成C液；取去离子水、乙醇、油酸配置4.5：8.5：7总体积为20毫升的三元溶剂D液。将A液加入D液中，磁力搅拌10分钟；然后将B液加入到上述混合液中，磁力搅拌20分钟；最后将C液加入到混合液中，磁力搅拌10分钟。调节混合液的最终pH值为8。将该乳白色混合液转入到不锈钢外套的聚四氟乙烯反应釜中(容量为100毫升)，密封，在160℃下反应25小时。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用无水乙醇洗涤3次，用去离子水洗涤3次，60℃空气中干燥，得到直径约为1～2μm，长度为10～30μm的羟基磷灰石微米管粉体。

实施例4

在室温下，将0.2200克CaCl₂溶于10毫升去离子水中形成A液；将0.6600克NaOH溶于10毫升去离子水中形成B液；将0.2378克(NaPO₃)₆溶于10毫升去离子水中形成C液；取去离子水、乙醇、油酸配置4.5：8.5：7总体积为20毫升的三元溶剂D液。将A液加入D液中，磁力搅拌10分钟；然后将B液加入到上述混合液中，磁力搅拌20分钟；最后将C液加入到混合液中，磁力搅拌10分钟。调节混合液的最终pH值为8。将该乳白色混合液转入到不锈钢外套的聚四氟乙烯反应釜中(容量为100毫升)，密封，在200℃下反应25小时。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用无水乙醇洗涤3次，用去离子水洗涤3次，60℃空气中干燥，得到直径约为0.3～1μm，长度为50～100μm的羟基磷灰石微米管粉体。

实施例5

在室温下，将0.2200克CaCl₂溶于10毫升去离子水中形成A液；将0.6600克NaOH溶于10毫升去离子水中形成B液；将0.1925克(NaPO₃)₆溶于10毫升去离子水中形成C液；取去离子水、乙醇、油酸配置5：7：8总体积为20毫升的三元溶剂D液。将A液加入D液中，磁力搅拌10分钟；然后将B液加入到上述混合液中，磁力搅拌20分钟；最后将C液加入到混合液中，磁力搅拌10分钟。调节混合液的最终pH值为8。将该乳白色混合液转入到不锈钢外套的聚四氟乙烯反应釜中(容量为100毫升)，密封，在200℃下反应25小时。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用无水乙醇洗涤3次，用去离子水洗涤3次，60℃空气中干燥，得到直径约为2～3μm，长度为10～30μm的羟基磷灰石微米管粉体。

图1为实施例4制备的羟基磷灰石微米管的扫描电子显微(SEM)图，从图中可知所得羟基磷灰石微米管单分散，无团聚现象，所述羟基磷灰石微米管的直径约为0.3～1μm，长度为50～100μm；

图2为实施例4制备的羟基磷灰石微米管的透射电子显微(TEM)图，从图中可知所述羟基磷灰石微米管为管状结构；

图3为实施例4制备的羟基磷灰石微米管的X射线衍射(XRD)图，从图中可知所得羟基磷灰石微米管为单一的羟基磷灰石晶相，没有其它杂相存在。

产业应用性：本发明的制备工艺简单、操作方便，不需要复杂昂贵的设备，易于实现工业化生产。通过本发明所述制备方法制备的羟基磷灰石微米管在生物医学、过滤吸附、环境保护等领域中具有良好的应用前景。