一种Sr和Mg元素掺杂的非晶磷灰石材料和晶体磷灰石材料的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物医学材料技术领域，具体涉及一种Sr和Mg元素掺杂的非晶磷灰石材料和晶体磷灰石材料。
【背景技术】
[0002]骨骼是人体的支架，具有支持、保护、造血等重要的功能，是人体重要的组织器官。迄今为止，世界范围内用于临床治疗骨缺损修复的材料主要有金属合金材料、高分子材料和生物陶瓷材料。其中，生物陶瓷材料主要包括羟基磷灰石(ΗΑ)、β相磷酸三钙(β-TCP)以及两者的混合物(两相磷酸钙材料)。对于骨缺损修复，羟基磷灰石陶瓷体内基本不降解，不利于新骨再生；而β相磷酸三钙陶瓷可以体内降解，然而有些应用中其降解快于新骨再生，不利于形成完整的骨结构。非晶磷灰石材料的溶解度介于羟基磷灰石和β相磷酸三钙之间，降解速度适中。
[0003]此外研究表明许多微量元素在骨骼再生中起到关键作用。例如Sr元素可以促进新骨形成，减少骨的再吸收，调节钙代谢，降低破骨细胞活性([UBraux J，Velard F,Guillaume C，Bouthors S,Jallot E，Nedelec JM，Laurent—Maquin D，Laquerriere P.Anew insight into the dissociating effect of strontium on bone resorpt1n andformat1n.Acta B1materialia,2011,7(6): 2593-2603.) ;Mg元素可以提高β-TCP陶瓷相变温度，影响骨质的早期生长，调控骨质的生长和重塑([2] II ich JZ,KerstetterJE.Degradable B1materials based on Magnesium Corros1n.J American College ofNutrit1n，2000，19(6):715-737;[3]Famery R,Richard N，Boch P.Preparat1n ofa-andβ-tricalcium phosphate ceramics，with and without magnesium addit1n.CeramicInternat1nal，1994,20:327-36.)。因此，研究开发这两种元素掺杂的生物陶瓷材料将具有重要的临床应用价值。
【发明内容】
[0004]本发明目的是针对现有羟基磷灰石(HA)和磷酸三钙(β-TCP)人工骨材料降解速度与新骨形成速度不一致(HA晶体难于降解、β-TCP降解较快)，不利于新骨生长，同时HA和β-TCP人工骨支架的生物活性较差等问题，提供一种Sr和Mg元素掺杂的非晶磷灰石材料和晶体磷灰石材料，Sr、Mg元素掺杂可以提高磷灰石材料的生物活性，具有重要的临床应用价值。
[0005]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0006]一种Sr和Mg元素掺杂的非晶磷灰石材料，其为非晶态材料，化学式为:(Ca(9-x-y)SrxMgy)(HP04)(P04)5(0H);其中:X为Sr元素的原子个数，y为Mg元素的原子个数，X取值范围为:0<x< 1.8，y取值范围为1.28。
[0007]该非晶磷灰石材料中，当X与y均为0时，为无掺杂的非晶态磷灰石材料；当X与y中之一为0时，为仅掺杂Sr元素的非晶磷灰石材料(0〈X<1.8，y = 0)或仅掺杂Mg的非晶磷灰石材料(x = 0，0〈y < 1.28)；当x与y都不为0时，为同时掺杂Sr和Mg元素的非晶磷灰石材料(0〈χ<0.9,0<y <0.45)ο
[0008]上述Sr和Mg元素掺杂的非晶磷灰石材料的制备是以Ca (N03) 2、Mg (N03) 2、Sr (N03) 2、(NH4) 2HP04和氨水溶液(NH3.H20)作为原材料，通过化学沉淀法制备获得所述Sr和Mg元素掺杂的非晶磷灰石材料(包括无掺杂非晶磷灰石材料和掺杂不同浓度Sr、Mg元素的非晶磷灰石材料)；其制备具体包括如下步骤:
[0009](1)将Ca(N03)2、Mg(N03)2和Sr(N03)2按照所需的非晶磷灰石材料中Ca、Sr和Mg元素原子比例进行配比(通过调节X和y的值，调节非晶缺钙羟基磷灰石中Sr、Mg元素的浓度)，然后溶于去离子水中形成混合溶液，用25wt的氨水溶液将所述混合溶液的pH值调节至9-10，得到溶液A;
[0010](2)将(ΝΗ4)2ΗΡ04按照所需的非晶磷灰石材料中P元素的摩尔比例配比，并溶于去离子水中，用25wt.%的氨水溶液将其pH值调节至9-10，得到溶液B;
[0011](3)将溶液A迅速倒入溶液B中，磁力搅拌均匀后用抽滤瓶进行抽滤，并用去离子水和酒精分别清洗三遍，得到乳白色Sr和Mg元素掺杂的非晶磷灰石沉淀;冷冻干燥24小时后，获得粉末状所述Sr和Mg元素掺杂的非晶磷灰石材料。
[0012]步骤(3)中发生的沉淀反应方程式如下式(1)。
[0013](9-x-y) Ca (N03) 2+xSr (N03) 2+yMg (N03) 2+6 (NH4) 2HPO4+6NH3.H20—
[0014](Ca(hx-y)SrxMgy)(HP04)(P04)5(0H)+18NH4N03+5H20 (1)
[0015]本发明利用所述非晶磷灰石材料可以进一步制备获得Sr和Mg元素掺杂的晶体磷灰石材料，即，将所述Sr和Mg元素掺杂的非晶磷灰石材料经热处理后获得，包括Sr和Mg元素掺杂的纳米缺钙羟基磷灰石晶体和Sr和Mg元素掺杂的β相磷酸三钙(β-TCP)晶体。其中:
[0016]将所述Sr和Mg元素掺杂的非晶磷灰石材料在120°C热处理3-24小时后获得所述Sr和Mg元素掺杂的纳米缺钙羟基磷灰石晶体(恒温时间越长材料晶化程度越好)，其中:Sr元素的原子百分比(按Sr/(Ca+Sr+Mg)计算)范围为0-20%，Mg元素的摩尔百分比(按Mg/(Ca+Sr+Mg)计算)范围为0-10%。
[0017]所得Sr和Mg元素掺杂的纳米缺钙羟基磷灰石晶体中，包含无掺杂的纳米缺钙羟基磷灰石晶体(Sr和Mg元素掺杂量都为0时)、仅掺杂Sr的纳米缺钙羟基磷灰石晶体(Sr的原子百分比(按Sr/(Ca+Sr)计算)< 20%，Mg掺杂量为0)、仅掺杂Mg的纳米缺钙羟基磷灰石晶体(Sr的掺杂量为0，Mg的原子百分比(按Mg/(Ca+Mg)计算)<10%)、以及Sr和Mg共掺杂纳米缺钙羟基磷灰石晶体(Sr的原子百分比(按Sr/(Ca+Sr+Mg)计算)< 10%且Mg的摩尔百分比(按Mg/(Ca+Sr+Mg)计算)< 5% ) 0
[0018]将所述Sr和Mg元素掺杂的非晶磷灰石材料在800°C热处理3小时后获得所述Sr和Mg元素掺杂的β相磷酸三钙(β-TCP)晶体，其中:Sr元素的摩尔百分比(按Sr/(Ca+Sr+Mg)计算)范围在0-20%，Mg元素的摩尔百分比(按Mg/(Ca+Sr+Mg)计算)范围在0-14.25%。
[0019]所得Sr和Mg元素掺杂的β相磷酸三钙(β-TCP)晶体中，包含无掺杂的β相磷酸三钙(β-TCP)晶体(Sr和Mg元素掺杂量都为0时)、仅掺杂Sr的β相磷酸三钙(β-TCP)晶体(Sr的原子百分比(Sr/(Ca+Sr)) < 20%，Mg掺杂量为0)、仅掺杂Mg的β相磷酸三钙(β-TCP)晶体(Sr的掺杂量为0，Mg的原子百分比(Mg/(Ca+Mg)) <14.25%),以及Sr和Mg共掺杂β相磷酸三钙(β-TCP)晶体(Sr的原子百分比(Sr/(Ca+Sr+Mg)) < 10%且Mg的摩尔百分比(Mg/(Ca+Sr+Mg)) <5%)0
[0020]与现有技术相比，本发明的有益效果体现在:
[0021]1、本发明提供了一种制备非晶磷灰石及掺杂不同浓度Sr、Mg元素非晶磷灰石的方法，同时通过一定热处理工艺制备出掺杂不同浓度Sr、Mg元素的纳米缺钙羟基磷灰石晶体和β-TCP晶体材料。
[0022]2、Sr、Mg元素掺杂后，Sr元素可以促进新骨形成，减少骨的再吸收，调节钙代谢，降低破骨细胞活性，Mg元素可以影响骨质的早期生长，提高β-TCP陶瓷相变温度，调控骨质的生长和重塑。Sr、Mg元素的掺杂提高了制备的磷灰石材料的生物活性。
[0023]3、与骨组成相似，人的牙釉质中羟基磷灰石的含量在95%以上，因此，考虑到羟基磷灰石与牙釉质具有相同结构和高亲和力的特点，本发明合成的非晶磷灰石及Sr、Mg元素掺杂的磷灰石材料也可以应用于牙齿修复和保健材料领域。
【附图说明】
[0024]图1为实施例1合成的磷灰石材料的粉末X光衍射图谱:(a)冷冻干燥的非晶磷灰石，(b)经120°C热处理3小时后得到的纳米缺钙羟基磷灰石晶体，(c)800°C热处理3小时后得到的β-TCP晶体材料。
[0025]图2为实施例1所得纯相非晶磷灰石材料的红外谱图。
[0026]图3为实施例2冷冻干燥后掺杂摩尔百分比14.25%Mg(Mg/(Ca+Mg) = 14.25%)的非晶磷灰石的透射电镜照片。
[0027]图4为掺杂不同浓度Sr、Mg元素非晶磷灰石材料经120°C热处理3小时后生成纳米缺钙羟基磷灰石晶体的粉末X光衍射图:(a)掺杂摩尔百分比20%Sr纳米缺钙羟基磷灰石，(b)掺杂摩尔百分比9.67%Mg纳米缺钙羟基磷灰石，(c)掺杂摩尔百分比5%Mg、10%Sr缺钙纳米羟基磷灰石。
[0028]图5为掺杂不同浓度Sr、Mg元素非晶磷灰石材料经800°C热处理3小时后生成β-TCP晶体的粉末X光衍射图:(a)掺杂摩尔百分比20 % Sr的β-TCP晶体材料，(b)掺杂摩尔百分比15% Sr的β-TCP晶体材料，(c)掺杂摩尔百分比5 % Sr的β-TCP晶体材料，(d)掺杂摩尔百分比5%MgaO%Sr的β-TCP晶体材料，(e)掺杂摩尔百分比14.25%Mg的β-TCP晶体材料。
[0029]图6为利用聚氨酯模板法制备的掺杂摩尔百分比5% Mg、10 % Sr的β-TCP多孔生物陶瓷。
【具体实施方式】
[0030]下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步说明。
[0031]本发明是以〇3(勵3)2、]\%(勵3)2、34勵3)2、(冊4)2即04和順3.H20(氨水溶液)作为原材料，通过调控反应方程式(1)中x、y值，经化学沉淀法制得掺杂不同浓度Sr、Mg元素的非晶磷灰石材料。一方面制备的掺杂Sr、Mg元素的非晶磷灰石可以冷冻干燥密封后于4°C冰箱长期保存，另一方面可以其120°C热处理3-24小时获得掺杂不同浓度Sr、Mg元素的纳米缺钙羟基磷灰石晶体，或进行800°C热处理3小时得到掺杂不同浓度Sr、Mg元素的β-TCP晶体材料，然后利用烧结法制备掺杂不同浓度Sr、Mg元素的β-TCP人工骨陶瓷。
[0032]本发明工艺流程为:Ca(N03)2、Mg(N03)2、Sr(N03)2、(NH4)2HP04和ΝΗ3.H20(氨水溶液)原材料—化学沉淀—冷冻干燥—掺杂不同浓度Sr、Mg元素的非晶磷灰石—热处理—掺杂不同浓度Sr、Mg元素的纳米缺钙羟基磷灰石晶体或磷酸三钙晶体—球磨—烧结；具体包括如下步骤:
[0033]1)将Ca(N03)2、Mg(N03)2和Sr(N03)2按照方程(1)中的Ca、Mg和Sr摩尔比例配比(通过调节X和y的值，调节非晶缺钙羟基磷灰石中Sr、Mg元素的浓度)并溶于去离子水中，用质量百分比25%的氨水溶液将上述混合溶液的pH值调节至9-10，得到溶液A;
[0034]2)将(ΝΗ4)2ΗΡ04按照方程(1)中的P元素的摩尔比例配比，并溶于去离子水中，用质量百分比30 %的氨水溶液将其pH值调节至9-10，得到溶液B;
[0035]3)将溶液A迅速倒入溶液B中，磁力搅拌均匀后用抽滤瓶进行抽滤，并用去离子水和酒精分别清洗三遍，得到乳白色无掺杂非晶磷灰