专利名称：硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法
技术领域：
硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，属于生物医用材料领域。
背景技术：
羟基磷灰石[Caltl(PO4)6(OH)2,HAp]被广泛应用于生物医学材料、化学工程、气体传感器、催化剂、以及环境工程等领域。而HAp的这些应用领域又在很大程度上取决于材料的形貌。如分散性良好的HAp纳米颗粒可以用于基因转染(Biomaterials，2007，28，1267.)，棒状或线状HAp具有良好的力学性能，可以用于增强复合生物材料的力学增强组分(J. Am.Ceram. Soc. 2007,90,3694. ；Nature 2004，431，287. ；Mater. Sci. Eng. C 2009, 29, 2133.),空心纳米结构HAp具有良好的药物或蛋白的吸附和控制释放性能，可以用做药物、蛋白、基因、生物分子的载体和控制释放系统(Microporous Mesoporous Mater. , 2010,127, 245)。
因此，HAp的制备及形貌的调控对这类材料的具体应用起到决定性作用。迄今，多种策略被用于HAp的形貌调控。然而，目前大多是基于有机类分子模板诱导的软化学合成方法。如Wang等人以十六烷基三乙基溴化铵为模板剂、环己烷为溶剂，采用微乳液溶剂热方法制备HAp纳米线(Nanotechnology 2006,17,4405.) ;Wang等人以聚电解质为模板剂制备 HAp 微球(J. Colloid Interface Sci.，2009，339，69.) ;Ma 和 Zhu 以 N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，采用溶剂热方法制备得到HAp空心微球(Eur. J. Inorg. Chem.，2009，36，5522.)。可见，在这些方法中，大量的有毒模板剂、有机溶剂、表面活性剂被广泛使用，这些试剂对环境和人类的健康有很大的危害作用。因此，开发一种工艺技术简单、成本低廉、环境友好的方法制备形貌可控的HAp粉体具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述的常规通用制备方法的缺点，提供一种形貌可控的羟基磷灰石粉体制备方法，且制备方法具有简单、成本低廉、工艺环保等优点。本发明的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，是使用具有特定形貌的结晶态碳酸I丐，或者结晶态娃酸I丐水合物(calcium silicate hydrate, CSH)作为硬模板原料，将硬模板原料与浓度为O. 05-2. 5mol/L可溶性磷酸盐水溶液按钙与磷的摩尔比O. 01-2. O混合后进行水热反应，反应后，所采用的硬模板原料的形貌得以良好保持，获得的羟基磷灰石的形貌与所采用的硬模板原料的形貌一致。在一个优选的实施方式中，所述碳酸钙的形貌为纳米颗粒状或微米颗粒状或纳米棒状或微米棒状或纳米线状或微米线状。在一个优选的实施方式中，所述硅酸钙水合物的形貌为纳米颗粒状或微米颗粒状或纳米棒状或微米棒状或纳米线状或微米线状或纳米球状或微米球状。在另一个优选的实施方式中，所述硅酸钙水合物的形貌为纳米空心球状或微米空心球状。
在另一个优选的实施方式中，所述结晶态硅酸钙水合物包括硬硅钙石[xonotlite, Ca6(Si6O17) (OH)2]和 / 或雪娃I丐石[tobermorite, Ca5(Si6O16) (OH)2 · 4H20]。在另一个优选的实施方式中，所述可溶性磷酸盐为可溶性磷酸正盐、可溶性磷酸一氢盐和可溶性磷酸二氢盐中的一种或几种。在另一个优选的实施方式中，所述可溶性磷酸盐水溶液的浓度O. 05-2. 5mol/L，进一步优选为 O. 1-2. OmoI/Lο在另一个优选的实施方式中，所述可溶性磷酸盐为可溶性磷酸正盐。在另一个优选的实施方式中，所述可溶性磷酸盐为可溶性磷酸一氢盐。在另一个优选的实施方式中，所述可溶性磷酸盐为可溶性磷酸二氢盐。在另一个优选的实施方式中，所述水热反应的条件为80_250°C下水热反应2-240 小时，进一步优选水热反应温度100-230°C，进一步优选水热反应时间为4-200小时。在另一个优选的实施方式中，所述结晶态碳酸钙的制备方法包括化学沉淀法或水热法或微乳液法或水热微乳液法或仿生法。在另一个优选的实施方式中，所述结晶态硅酸钙水合物的制备方法包括化学沉淀法或水热法或微乳液法或水热微乳液法或仿生法。在另一个优选的实施方式中，所述可溶性磷酸正盐包括磷酸钠(Na3PO4)、磷酸钾(K3PO4)和磷酸铵((NH4)3PO4)中的一种或几种。所述可溶性磷酸一氢盐包括磷酸氢二钠(NaH2PO4)、磷酸氢二钾(K2HPO4)和磷酸氢二铵((NH4)2HPO4)中的一种或几种。所述可溶性磷酸二氢盐包括磷酸二氢钠(NaH2PO4)、磷酸二氢钾(KH2PO4)和磷酸二氢铵(NH4H2PO4)中的一种或几种。在另一个优选的实施方式中，所述硬模板原料与可溶性磷酸盐水溶液的钙与磷的摩尔比为O. 03-2. O。
图I为采用本发明方法，分别采用的结晶态碳酸钙纳米颗粒、结晶态硅酸钙水合物纳米线、结晶态碳酸钙空心微球硬模板的X-射线衍射图谱(分别对应图中的A、B、C)。结果显示碳酸韩纳米颗粒由方解石物相(calcite)和球霰石物相(vaterite)混合组成,娃酸隹丐水合物纳米线为硬娃I丐石(xonotlite)物相,碳酸I丐空心微球为方解石物相(calcite)。图2为分别将结晶态碳酸钙纳米颗粒、硬硅钙石纳米线、结晶态碳酸钙微米级空心球硬模板在Na3PO4水溶液中于180°C水热反应72小时、120°C水热反应24小时、180°C水热反应72小时后得到的产物的X-射线衍射图谱(分别对应图中的S1、S2、S3)。可见不同的硬模板在磷酸盐水溶液中水热反应后得到的产物均为纯的羟基磷灰石(HAp)物相。图3为采用本发明方法，分别采用的结晶态碳酸钙纳米颗粒(A)、硬硅钙石纳米线(C)、结晶态碳酸钙微米级空心球(E)硬模板在Na3PO4水溶液中于180°C水热反应72小时、120°C水热反应24小时、180°C水热反应72小时后得到的产物的扫描电镜照片，得到的HAp产物的形貌分别是纳米颗粒(B)、纳米线(D)、微米级空心球(F)。可见，产物HAp的形貌可以通过采用不同形貌或结构的结晶态碳酸钙或结晶态硅酸钙水合物为硬模板，在水热条件下转化为类似尺寸、形貌和结构的HAp产物。
具体实施例方式在本发明中，结晶态硅酸钙水合物可以理解为采用化学沉淀法、水热法、微乳液法、水热微乳液法等方法制备得到，而结晶态碳酸钙可以采用化学沉淀法、水热法、仿生法等方法制备得到。可以理解这些方法都为获得本发明所述硬模板原料的常规制备方法。在本发明钟获得的羟基磷灰石的形貌与所采用的硬模板原料的形貌一致，即形貌为纳米颗粒状或微米颗粒状或纳米棒状或微米棒状或纳米线状或微米线状或纳米球状或微米球状或纳米空心球状或微米空心球状。本发明的制备方法具有工艺简单易行、成本低廉、工艺路线绿色环保、且便于推广等优点，制备得到的各种形貌的羟基磷灰石粉体能够应用于硬组织修复材料、色谱分离试齐U、药物和催化剂载体、高分子力学增强材料等方面。比如制备获得的羟基磷灰石纳米颗粒由于其良好的分散性，可以作为基因载体；纳米棒、纳米线材料由于其优良的力学性能，可以作为力学增强体制备高力学性能的羟基磷灰石生物陶瓷及复合生物材料；而获得羟基磷灰石空心微球材料可以作为药物、蛋白、生物分子的吸附和控制释放载体而用做生物材料、药物输送材料，以及催化剂载体等。 下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。实施例I分别配制O. 25mol/L的氯化钙(CaCl2)和碳酸钠(Na2CO3)水溶液。在强烈搅拌下将等体积的碳酸钠水溶液逐滴加入氯化钙水溶液中。滴加完毕后，继续搅拌2小时。之后，过滤、洗涤、烘干获得碳酸钙粉体。X-射线衍射图谱显示产物由方解石物相(calcite)和球霰石物相(vaterite)组成(如图1A)，扫描电镜结果显示产物的形貌为纳米颗粒状(如图3A)。将制备得到的碳酸钙粉体Ig同85mL浓度为O. 2mol/L的Na3PO4水溶液混合(钙与磷的摩尔比约O. 6)，混合后转移到IOOmL反应釜中，于180°C水热处理72小时。水热反应后过滤、洗涤得产物。X-射线衍射图谱证实产物为纯羟基磷灰石粉体(如图2S1所示)；扫描电镜显示产物的形貌保持为纳米颗粒，颗粒尺寸约25-50纳米(如图3B所示)。实施例2分别配制O. 5mol/L的硝酸钙(Ca(NO3)2)和硅酸钠(Na2SiO3)水溶液。在搅拌下将等体积的硝酸钙水溶液逐滴加入硅酸钠水溶液中。滴加完毕后，将反应物专一到反应釜中，于200°C水热处理24小时。之后，过滤、洗涤、烘干获得硅酸钙水合物粉体。X-射线衍射图谱显示产物为硬硅钙石物相(xonotlite)组成(如图1B)，扫描电镜结果显示产物的形貌为分散性良好的纳米线，直径约20纳米、长度可达2微米(如图3C)。将制备得到的硬硅钙石粉体I克同85mL浓度为O. 2mol/L的Na3PO4水溶液混合(钙与磷的摩尔比约O. 5)，混合后转移到IOOmL反应釜中，于120°C水热处理24小时。水热反应后过滤、洗涤得产物。X-射线衍射图谱证实产物为纯羟基磷灰石粉体(如图2S2所示)；扫描电镜显示产物的形貌保持为纳米线、且分散性良好，其直径和长度与所采用的硬硅钙石硬模板材料一致(如图3D所示)。
实施例3在剧烈搅拌下，将相同体积的O. 2mol/L氯化钙溶液和O. lmol/L的十二烷基硫酸钠溶液快速混合，持续剧烈搅拌并加入与混合溶液等体积的O. 2mol/L的碳酸钠溶液。混合后继续搅拌30分钟。之后，过滤、洗涤、烘干获得碳酸钙空心微球。X-射线衍射图谱显示产物由方解石(calcite)物相组成(如图1C)，扫描电镜结果显示产物的形貌为单分散的空心微球，球的直径约2-3微米(如图3E)。将制备得到的碳酸钙空心微球I克同85mL浓度为O. 2mol/L的Na3PO4水溶液混合(钙与磷的摩尔比约O. 6)，混合后转移到IOOmL反应釜中，于180°C水热处理72小时。水热反应后过滤、洗涤得产物。X-射线衍射图谱证实产物为纯羟基磷灰石粉体(如图2S3所示)；扫描电镜显示产物的形貌保持为单分散微米级空心球结构、尺寸与所采用的碳酸钙空心微球硬模板材料一致(如图3F所示)。实施例4 首先，分别将I. 1335克硝酸钙(Ca(NO3)2 · 4H20)和I. 3642克硅酸钠(Na2SiO3 · 9H20)溶于4. OmL去离子水中配制得到含Ca(NO3)2和Na2SiO3的水溶液，并用氨水调节溶液的PH约10. 8。在200mL的烧杯中加入65mL的正己烷，之后依次加入2. 60克的CTAB、4. OmL的正戊醇，再分别加入4. OmL的Ca(NO3)2或Na2SiO3水溶液，从而配制得到分别含Ca(NO3)2和Na2SiO3的微乳液。最后在搅拌下将含Ca(NO3)2的微乳液逐滴滴入含Na2SiO3的微乳液中。滴加完成后将反应物转移到高压反应釜中，并于200°C下水热处理ISh0冷却后过滤、先后用去离子水和无水乙醇充分洗涤、过滤并于60°C干燥48h得到雪硅钙石(Tobermorite)粉体。扫描电镜显示产物为纳米线，直径约30_50nm，长度最高达10多微米。将上述获得的Tobermorite前驱体I克同85mL浓度为O. 2mol/L的Na3PO4水溶液混合(钙与磷摩尔比约0. 4)，混合后转移到IOOmL反应釜中，于150°C水热处理12小时。水热反应后过滤、洗涤得产物。X-射线衍射图谱证实产物为纯羟基磷灰石粉体；扫描电镜显示产物的形貌保持为纳米线、且分散性良好，其直径和长度与所采用的Tobermorite硬模板材料一致。实施例5分别配制O. 5mol/L 的硝酸钙(Ca(NO3)2 · 4H20)和硅酸钠(Na2SiO3 · 9H20)水溶液。在搅拌下将等体积的硝酸钙水溶液逐滴加入硅酸钠水溶液中。滴加完毕后，将反应物专一到反应釜中，于140°C水热处理3小时。之后，过滤、洗涤、烘干获得硅酸钙水合物粉体。X-射线衍射图谱显示产物为硬硅钙石(xonotlite)物相，扫描电镜结果显示产物的形貌为分散性良好的纳米棒，直径为10-20纳米、长度约50纳米。将制备得到的硬硅钙石粉体0. 5g同85mL浓度为0. 2mol/L的K3PO4水溶液混合(钙与磷的摩尔比约0. 25)，混合后转移到IOOmL反应釜中，于120°C水热处理6小时。水热反应后过滤、洗涤得产物。X-射线衍射图谱证实产物为纯羟基磷灰石粉体；扫描电镜显示产物的形貌保持为纳米棒、且分散性良好，其直径和长度与所采用的硬硅钙石硬模板材料一致。实施例6将实施例I中制备得到的碳酸钙纳米粉体I克同85mL浓度为2mol/L的Na2HPO4水溶液混合(钙与磷的摩尔比约O. 06)，混合后转移到IOOmL反应釜中，于200°C水热处理180小时。水热反应后过滤、洗涤得产物。X-射线衍射图谱证实产物为纯羟基磷灰石粉体；扫描电镜显示产物的形貌保持为纳米颗粒，颗粒尺寸约25-50纳米。实施例7将实施例2中制备得到的硬硅钙石纳米线3克加入85mL浓度为O. 2mol/L的Na3PO4水溶液(钙与磷的摩尔比约I. 5)，并移到IOOmL反应釜中，于100°C水热处理24小时。水热反应后过滤、洗涤得产物。X-射线衍射图谱证实产物为纯羟基磷灰石粉体；扫描电镜显示产物为纳米线、且分散性良好，其直径和长度与所采用的硬硅钙石硬模板材料一致。实施例8将实施例3中制备得到的碳酸钙空心微球I克同85mL浓度为O. lmol/L的Na3PO4和O. lmol/L的NaH2PO4水溶液混合(钙与磷的摩尔比约O. 6)，混合后转移到IOOmL反应釜 中，于180°C水热处理72小时。水热反应后过滤、洗涤得产物。X-射线衍射图谱证实产物为纯羟基磷灰石粉体；扫描电镜显示产物的形貌保持为单分散空心微球结构，尺寸与所采用的碳酸钙空心微球硬模板材料一致。
权利要求
1.硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于以特定形貌的结晶态碳酸钙作为硬模板原料，将硬模板原料与浓度为O. 05-2. 5mol/L可溶性磷酸盐水溶液按钙与磷的摩尔比O. 01-2. O混合后进行水热反应获得羟基磷灰石粉体，获得的羟基磷灰石的形貌与所采用的硬模板原料的形貌一致。
2.按权利要求I所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述的碳酸钙硬模板原料的形貌为纳米颗粒状或微米颗粒状。
3.按权利要求I所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述的碳酸钙硬模板原料的形貌为纳米棒状或微米棒状。
4.按权利要求I所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述的碳酸钙硬模板原料的形貌为纳米线状或微米线状。
5.硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于以特定形貌的结晶态硅酸钙水合物作为硬模板原料，将硬模板原料与浓度为O. 05-2. 5mol/L可溶性磷酸盐的水溶液按钙与磷的摩尔比O. 01-2. O混合后进行水热反应获得羟基磷灰石粉体，获得的羟基磷灰石的形貌与所采用的硬模板原料的形貌一致。
6.按权利要求5所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述的硅酸钙水合物硬模板原料的形貌为纳米颗粒状或微米颗粒状。
7.按权利要求5所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述的 硅酸钙水合物硬模板原料的形貌为纳米棒状或微米棒状。
8.按权利要求5所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述的硅酸钙水合物硬模板原料的形貌为纳米线状或微米线状。
9.按权利要求5所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述的硅酸钙水合物硬模板原料的形貌纳米球或微米球。
10.按权利要求9所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述的硅酸钙水合物硬模板原料的形貌为纳米空心球或微米空心球。
11.按权利要求5所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述的结晶态硅酸钙水合物是硬硅钙石和/或雪硅钙石。
12.按权利要求1-11之一所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述可溶性磷酸盐包括可溶性磷酸正盐、可溶性磷酸一氢盐或可溶性磷酸二氢盐中的一种或几种。
13.按权利要求1-11之一所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述可溶性磷酸盐水溶液的浓度O. 05-2. 5mol/L，进一步优选为O. 1-2. Omol/L。
14.按权利要求12所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述可溶性磷酸盐为可溶性磷酸正盐。
15.按权利要求12所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述可溶性磷酸盐为可溶性磷酸一氢盐。
16.按权利要求12所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述可溶性磷酸盐为可溶性磷酸二氢盐。
17.按权利要求1-11之一所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述水热反应的条件为80-250°C下水热反应2-240小时。
18.按权利要求17之一所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述水热反应的条件为100-230°C下水热反应4-200小时。
19.按权利要求1-11之一所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述硬模板原料的制备方法包括化学沉淀法、水热法、微乳液法或水热微乳液法。
20.按权利要求14所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述可溶性磷酸正盐包括磷酸钠(Na3PO4)、磷酸钾(K3PO4)或磷酸铵((NH4)3PO4)中的一种或几种。
21.按权利要求15所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述可溶性磷酸一氢盐优选包括磷酸氢二钠(Na2HPO4)、磷酸氢二钾(K2HPO4)或磷酸氢二铵((NH4)2HPO4)中的一种或几种。
22.按权利要求16所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述可溶性磷酸二氢盐优选包括磷酸二氢钠(NaH2PO4)、磷酸二氢钾(KH2PO4)或磷酸二氢铵(NH4H2PO4)中的一种或几种。
23.按权利要求1-11之一所述的硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，其特征在于所述钙与磷的摩尔比为O. 03-2. O。
全文摘要
本发明涉及硬模板水热控制羟基磷灰石粉体形貌的方法，属于生物医用材料领域。本发明采用具有特定形貌的结晶态碳酸钙，或者结晶态硅酸钙水合物(calcium silicate hydrate，CSH)作为硬模板原料，将硬模板原料与浓度为0.05-2.5mol/L可溶性磷酸盐水溶液按钙与磷的摩尔比0.01-2.0混合后进行水热反应，反应后，所采用的硬模板原料的形貌得以良好保持，获得的羟基磷灰石的形貌与所采用的硬模板原料的形貌一致。本发明的制备方法具有工艺简单易行、成本低廉、工艺环保、且便于推广等优点，制备得到的各种形貌的羟基磷灰石粉体能够应用于硬组织修复材料、色谱分离试剂、药物和催化载体、高分子力学增强材料等方面。
文档编号B82Y40/00GK102826525SQ201110170339
公开日2012年12月19日 申请日期2011年6月13日 优先权日2011年6月13日
发明者常江, 林开利, 金晓刚 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所