磷酸镁纳米结构材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种磷酸镁纳米结构材料及其制备方法，以水溶性镁盐为镁源、含磷生物分子为磷源，配制含有水溶性镁盐、含磷生物分子的混合溶液，微波加热所述混合溶液获得所述磷酸镁纳米结构材料，通过控制反应温度可以调控所得磷酸镁纳米结构材料的物相与形貌，以使产物为无定形磷酸镁纳米片多级纳米结构或结晶五水合磷酸镁纳米片多级纳米结构。
【专利说明】磷酸镁纳米结构材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种磷酸镁纳米结构材料的制备方法，具体涉及一种采用含磷生物分子作为磷源，并在微波加热条件下获得磷酸镁纳米结构材料的制备方法，属于生物材料制备领域。
【背景技术】
[0002]镁是人体中存在的元素之一，对人体各种生命活动起着重要的调节作用，例如镁能调节骨组织的代谢，影响骨组织中矿物的矿化和结晶过程。含镁生物材料具有十分优越的生物相容性和生物可降解性，例如镁掺杂的磷酸钙材料与纯磷酸钙材料相比更容易促进成骨细胞的粘附和生长，同时镁掺杂的磷酸钙骨水泥具有可控的机械性能以及降解速率。因此含镁生物材料如镁掺杂磷酸钙等在临床医学中具有良好的应用前景。
[0003]作为另一种重要的含镁生物材料，磷酸镁因其良好的生物活性、生物相容性以及生物可降解性而被应用于组织工程、药物输运和基因转染等生物医学领域。镁与钙元素同属于碱土金属元素，因此他们具有相似的性质。例如磷酸镁骨水泥与磷酸钙骨水泥一样，都能满足临床医学应用所必须的各项性能指标，例如生物相容性、生物可降解性、可注射性、高强度、适合的固化时间等，因此磷酸镁材料最有可能取代磷酸钙生物材料而被广泛应用于生物医学领域。
[0004]一直以来，人们都在寻找制备磷酸镁纳米结构材料的新方法，但是由于磷酸镁在水溶液体系中不稳定，很容易结晶长大，因此目前采用简单便捷的方法制备磷酸镁纳米结构材料的例子还鲜有报道。因此探索新的方法制备出稳定的磷酸镁纳米结构材料成为当前的一个研究热点。
[0005]虽然目前文献已有报道合成磷酸镁以及镁掺杂磷酸钙材料的方法，但它们大多采用直接加入无机磷酸盐，这样在反应的初期，溶液中的镁离子与磷酸根离子可能处于过饱和状态，因此容易结晶长大，而不能形成稳定的纳米结构材料。直接利用生物体内的含磷生物分子作为磷源，通过含磷生物分子在加热条件下缓慢水解释放出磷酸根离子与溶液中的镁离子反应形成磷酸镁纳米结构材料目前还未见报道。
【发明内容】
[0006]本发明旨在克服现有磷酸镁纳米结构材料在制备方法及性能方面的缺陷，本发明提供了一种磷酸镁纳米结构材料及其制备方法。
[0007]本发明提供了一种磷酸镁纳米结构材料的制备方法，以水溶性镁盐为镁源、含磷生物分子为磷源，配制含有水溶性镁盐、含磷生物分子的混合溶液，微波加热所述混合溶液获得所述磷酸镁纳米结构材料，通过控制反应温度可以调控所得磷酸镁纳米结构材料的物相与形貌，以使产物为无定形磷酸镁纳米片多级纳米结构或结晶五水合磷酸镁纳米片多级纳米结构。
[0008]较佳地，所述水溶性镁盐包括氯化镁、硝酸镁、乙酸镁及上述镁盐的水合物中的至少一种，所述含磷生物分子包括磷酸果糖和/或磷酸果糖盐。
[0009]较佳地，水溶性镁盐和含磷生物分子的摩尔比为1:10?10:1，优选水溶性镁盐和含磷生物分子的摩尔比为1:1?5:1。
[0010]较佳地，所述水溶性镁盐的摩尔浓度为0.001?I摩尔/升，优选为0.005?0.1
摩尔/升。
[0011 ] 较佳地，调节混合溶液的pH值为7?11。
[0012]较佳地，微波辅助水热反应的反应温度为100?200°C，反应时间为I分钟到I小时。
[0013]较佳地，当微波加热进行微波辅助水热反应的反应温度为100?120°C，所述磷酸镁纳米结构材料为磷酸镁无定形相纳米片组装体。
[0014]较佳地，当微波辅助水热反应的反应温度为120— 200°C，所述磷酸镁纳米结构材料为结晶五水合磷酸镁纳米片组装体。
[0015]又，本发明还提供了一种上述方法制备的磷酸镁纳米结构材料，所述磷酸镁纳米结构材料是无定形磷酸镁纳米片和/或结晶五水合磷酸镁纳米片组装体，纳米片的厚度在2?300纳米之间。
[0016]本发明的有益效果:
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磷酸镁纳米结构材料作为生物医用材料用于药物输运、基因转染、硬组织修复等领域将具有良好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1示出了本发明的两个实施实施方式中制备的无定形磷酸镁与五水合磷酸镁结晶相的X射线(XRD)衍射图；
图2示出了本发明的一个实施方式中制备的无定形磷酸镁纳米片组装花状结构的扫描电镜(SEM)照片；
图3示出了本发明的一个实施方式中制备的五水合磷酸镁纳米片层状结构的扫描电镜(SEM)照片。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0019]本发明涉及一种磷酸镁纳米结构材料的制备方法，属于生物材料制备领域。
[0020]本发明采用水溶性镁盐和含磷生物分子为原料，即以水溶性镁盐作为镁源、含磷生物分子作为磷源，以水为溶剂，通过微波加热法使含磷生物分子水解产生磷酸根离子并形成磷酸镁纳米结构材料。
[0021]本发明以含磷生物分子作为磷源，一方面利用其在高温条件下的水解特性产生磷酸根离子，再与镁离子结合形成磷酸镁纳米结构材料，同时还可利用含磷生物分子及其水解产物对磷酸镁材料进行形貌调控。这样含磷生物分子可兼具磷源和调控剂和稳定剂的作用，无需额外加入表面活性剂。此外，含磷生物分子本身生物降解性能好，环境友好。本发明制得的磷酸镁纳米结构材料可广泛应用于生物医学以及组织工程等领域。本发明的方法对扩展磷酸镁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。
[0022]所述含磷生物分子为磷酸果糖或磷酸果糖盐，例如二磷酸果糖钠盐和/或其水合物。应理解可以使用其水合物，此外，应理解也可使用其它合适的磷酸果糖盐。
[0023]所述水溶性镁盐为氯化镁和/或其水合物、硝酸镁和/或其水合物、和/或乙酸镁和/或其水合物。应理解可采用一种水溶性镁盐，也可采用两种以上的水溶性镁盐；此外还应理解可以采用水溶性镁盐水合物，例如MgCl2.6H20。
[0024]所述水溶性镁盐和含磷生物分子的摩尔比为1:10?10:1，较佳地，其摩尔比为1:1 ?5:1。
[0025]将所述水溶性镁盐和含磷生物分子共同溶于水中，并调节该水溶液的pH至7?11。
[0026]所述水溶性镁盐的摩尔浓度为0.001?I摩尔/升，优选为0.005?0.1摩尔/升。
[0027]微波辅助水热反应的反应温度为100?200°C，反应时间为I分钟到I小时，优选反应时间为5分钟到I小时。采用微波辅助水热反应，反应易控，反应时间短。
[0028]所述磷酸镁纳米结构材料在较低微波加热温度下为无定形相，在较高微波加热温度下为五水合磷酸镁结晶相。
[0029]所述磷酸镁纳米结构材料为纳米片组装的多级结构，纳米片的厚度可通过控制微波加热的温度进行调节，其尺寸在2?300纳米之间。
[0030]该磷酸镁纳米结构材料在较低微波加热温度下(如120°C )为厚度在10纳米以下的无定形磷酸镁纳米片组装的花状结构，在较高微波加热温度下(如180°C )为厚度在几百纳米的五水合磷酸镁组装而成的多级结构材料。
[0031]下面说明本发明方法的步骤:
(I)液相反应体系的配制:以水溶性镁盐(如MgCl2.6H20、C4H6O4Mg.4H20、Mg(NO3)2.6Η20)和含磷生物分子(例如二磷酸果糖三钠盐)为原料，以水为溶剂。其中，水溶性镁盐和含磷生物分子的摩尔比为1:10?10:1，较佳地，其摩尔比为1:1?5:1，控制水溶性镁盐的摩尔浓度为0.001?I摩尔/升，优选为0.005?0.1摩尔/升，调节pH值为7?11。室温下搅拌，得到含镁离子和二磷酸果糖三钠盐的均一澄清溶液。这里，优选将水溶性镁盐和含磷生物分子共同溶于水中，并调节该水溶液的pH至7?11。然而应理解，可以采用其它常用混合方式，例如并不将水溶性镁盐和含磷生物分子固体先后或同时加入水，而是将水溶性镁盐和含磷生物分子分别制成溶液再混合，优选去离子水，搅拌形成溶液。可以采用氨水或氢氧化钠水溶液调节pH值,例如用I摩尔/升氢氧化钠水溶液调节pH值至10。
[0032](2)将上述均一澄清溶液移至微波反应釜中，在100?200°C进行微波水热反应，反应时间可为I分钟到I小时。利用微波加热，二磷酸果糖三钠盐水合物水解产生磷酸根离子，磷酸根离子和镁离子结合形成磷酸镁纳米结构材料。在不同的反应时间和反应温度下可分别得到不同物相和尺寸的磷酸镁纳米结构材料，例如在120°c下反应10分钟可得到由厚度小于10纳米的无定形磷酸镁纳米片组装而成的花状结构，又如在180°C下反应10分钟可得到厚度为几百纳米的五水合磷酸镁结晶相。
[0033](3)对微波水热反应后的产物进行分离。分离的方法可包括离心分离、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，即得到磷酸镁纳米结构粉体。洗涤可采用水(去离子水)洗和/或乙醇(无水乙醇)洗。
[0034]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稳定的磷酸镁纳米结构材料的方法。本发明人经过锐意的研究认识到含磷生物分子作为有机磷源，例如二磷酸果糖三钠盐，在高温条件下水解能产生磷酸根离子，其与溶液中加入的镁离子反应可形成磷酸镁纳米结构材料。通过调节实验过程中的反应时间和反应温度，可以有效控制合成的磷酸镁纳米结构材料的物相和尺寸。同时含磷生物分子及其水解后的产物可引入到磷酸镁纳米结构材料中，还有望改善磷酸镁纳米结构材料的生物学性能。
[0035]本发明所选的含磷生物分子存在于生物体内，具有良好的生物相容性，环境友好，利用含磷生物分子所制备的磷酸镁纳米结构材料在生物医学领域具有良好的应用前景。本发明所阐述的制备方法对扩展磷酸镁类生物材料的种类及应用范围具有重要的科学意义和应用价值。
[0036]本发明具有如下优点:
(1)所得无定形磷酸镁纳米片厚度较薄，仅为几个纳米(参见图2)，并且纳米片能够组装成大小较为均匀的花状结构；
(2)随着微波加热温度的增加以及时间的延长，无定形磷酸镁逐渐结晶，并且磷酸镁纳米片的厚度逐渐增加；
(3)所得磷酸镁纳米结构的物相和尺寸均可以通过改变离子浓度、反应温度、反应时间等来调节；
(4)所制备的磷酸镁纳米结构同时复合有一定量的有机分子，可以改善其生物学性能。
[0037]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。通过本发明所述制备方法制备的磷酸镁纳米结构材料可用于药物输运、基因转染、硬组织修复等生物医学领域，具有良好的应用前景。
[0038]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。
[0039]例如，下述实施例以MgCl2.6Η20和二磷酸果糖三钠盐作为起始原料，但如上述，也可采用其它合适的水溶性镁盐和二磷酸果糖盐替代。
[0040]实施例1
在室温下，将2.033克MgCl2.6Η20溶于100毫升去离子水中形成A液，将0.812克二磷酸果糖三钠盐溶于40毫升去离子水中形成B液。取20毫升去离子与12毫升A液和8毫升B液混合，并在磁搅拌下用I摩尔/升的氢氧化钠水溶液调节其pH等于10后，将该澄清混合溶液转入微波反应釜中(容量为60毫升)，在100°C下反应10分钟。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用去离子水洗涤3次，用无水乙醇洗涤I次，60°C空气中干燥，得到无定形磷酸镁纳米片组装花状结构，其无定形磷酸镁纳米片的厚度在10纳米以下。
[0041]实施例2
在室温下，将2.033克MgCl2.6H20溶于100毫升去离子水中形成A液，将0.812克二磷酸果糖三钠盐溶于40毫升去离子水中形成B液。取20毫升去离子与12毫升A液和8毫升B液混合，并在磁搅拌下用I摩尔/升的氢氧化钠水溶液调节其pH等于7后，将该澄清混合溶液转入微波反应釜中(容量为60毫升)，在120°C下反应10分钟。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用去离子水洗涤3次，用无水乙醇洗涤I次，60°C空气中干燥，得到无定形磷酸镁纳米片组装花状结构，其无定形磷酸镁纳米片的厚度在10纳米以下。
[0042]实施例3
在室温下，将2.033克MgCl2.6H20溶于100毫升去离子水中形成A液，将0.812克二磷酸果糖三钠盐溶于40毫升去离子水中形成B液。取20毫升去离子与12毫升A液和8毫升B液混合，并在磁搅拌下用I摩尔/升的氢氧化钠水溶液调节其pH等于10后，将该澄清混合溶液转入微波反应釜中(容量为60毫升)，在120°C下反应10分钟。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用去离子水洗涤3次，用无水乙醇洗涤I次，60°C空气中干燥，得到无定形磷酸镁纳米片组装花状结构，其无定形磷酸镁纳米片的厚度在10纳米以下。
[0043]实施例4
在室温下，将2.033克MgCl2.6H20溶于100毫升去离子水中形成A液，将0.812克二磷酸果糖三钠盐溶于40毫升去离子水中形成B液。取20毫升去离子与12毫升A液和8毫升B液混合，并在磁搅拌下用I摩尔/升的氢氧化钠水溶液调节其pH等于10后，将该澄清混合溶液转入微波反应釜中(容量为60毫升)，在120°C下反应60分钟。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用去离子水洗涤3次，用无水乙醇洗涤I次，60°C空气中干燥，得到结晶性较差的五水合磷酸镁纳米片组装花状结构，该五水合磷酸镁纳米片的厚度约为几十纳米。
[0044]实施例5
在室温下，将2.033克MgCl2.6H20溶于100毫升去离子水中形成A液，将0.812克二磷酸果糖三钠盐溶于40毫升去离子水中形成B液。取20毫升去离子与12毫升A液和8毫升B液混合，并在磁搅拌下用I摩尔/升的氢氧化钠水溶液调节其pH等于10后，将该澄清混合溶液转入微波反应釜中(容量为60毫升)，在150°C下反应10分钟。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用去离子水洗涤3次，用无水乙醇洗涤I次，60°C空气中干燥，得到五水合磷酸镁纳米片组装结构，该五水合磷酸镁纳米片的厚度约为几十纳米。
[0045]实施例6
在室温下，将2.033克MgCl2.6H20溶于100毫升去离子水中形成A液，将0.812克二磷酸果糖三钠盐溶于40毫升去离子水中形成B液。取20毫升去离子与12毫升A液和8毫升B液混合，并在磁搅拌下用I摩尔/升的氢氧化钠水溶液调节其pH等于10后，将该澄清混合溶液转入微波反应釜中(容量为60毫升)，在180°C下反应10分钟。反应体系自然冷却到室温后，取出产物并离心分离，分离的产物用去离子水洗涤3次，用无水乙醇洗涤I次，60°C空气中干燥，得到结晶性良好的五水合磷酸镁纳米片组装结构，该五水合磷酸镁纳米片的厚度约为几百纳米。
[0046]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磷酸镁纳米结构作为生物医用材料用于药物输运、基因转染、硬组织修复等领域将具有良好的应用前景。
【权利要求】
1.一种磷酸镁纳米结构材料的制备方法，其特征在于，以水溶性镁盐为镁源、含磷生物分子为磷源，配制含有水溶性镁盐、含磷生物分子的混合溶液，微波加热所述混合溶液获得所述磷酸镁纳米结构材料，通过控制反应温度可以调控所得磷酸镁纳米结构材料的物相与形貌，以使产物为无定形磷酸镁纳米片多级纳米结构或结晶五水合磷酸镁纳米片多级纳米结构。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性镁盐包括氯化镁、硝酸镁、乙酸镁及上述镁盐的水合物中的至少一种，所述含磷生物分子包括磷酸果糖和/或磷酸果糖盐。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，水溶性镁盐和含磷生物分子的摩尔比为1:10?10:1，优选水溶性镁盐和含磷生物分子的摩尔比为1:1?5:1。
4.根据权利要求1一3中任一所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性镁盐的摩尔浓度为0.001?I摩尔/升，优选为0.005?0.1摩尔/升。
5.根据权利要求1一4中任一所述的制备方法，其特征在于，调节混合溶液的pH值为7 ?11。
6.根据权利要求1一5中任一所述的制备方法，其特征在于，微波加热进行微波辅助水热反应的反应温度为100?200°C，反应时间为I分钟到I小时。
7.根据权利要求1一6中任一所述的制备方法，其特征在于，当微波加热进行微波辅助水热反应的反应温度为100?120°C，所述磷酸镁纳米结构材料为无定形磷酸镁纳米片多级纳米结构。
8.根据权利要求1一7中任一所述的制备方法，其特征在于，当微波辅助水热反应的反应温度为120—200°C，所述磷酸镁纳米结构材料为结晶五水合磷酸镁纳米片多级纳米结构。
9.一种权利要求1一8中任一所述方法制备的磷酸镁纳米结构材料，其特征在于，所述磷酸镁纳米结构材料是无定形磷酸镁纳米片和/或五水合磷酸镁结晶相纳米片多级纳米结构组装体，纳米片的厚度在2?300纳米之间。
【文档编号】B82Y30/00GK104401954SQ201410680661
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月24日 优先权日:2014年11月24日
【发明者】朱英杰, 漆超, 陈 峰 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所