专利名称：四氧化三铁/磷酸钙核壳结构纳米粒子及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种带磁性能的生物活性纳米粒子的制备方法，尤其涉及一种四氧化 三铁/磷酸钙核壳结构纳米粒子的制备方法；本发明还涉及一种带磁性能的生物活性纳米 粒子，该复合粒子可用于磁场作用下细胞调控与骨修复工程。
背景技术：
随着纳米技术的飞速发展，纳米磁性？6304作为一种功能材料，其制备工艺及其产 物性质的研究受到很大的重视。纳米磁性Fe304除在物理、化学方面具有纳米材料的介观特 性之外，还具有其特殊的磁性能——介观磁性，主要有量子尺寸效应、超顺磁性、磁有序颗 粒的小尺寸效应、宏观量子隧道效应等。磁性粒子在细胞分离、固定化酶、靶向药物、蛋白质 提纯、核酸分离、生物标记以及临床诊断等领域有着广泛应用。 磷酸钙生物陶瓷主要包括羟基磷灰石(HAP)、磷酸三钙(a -TCP, P -TCP)、焦磷酸 牵丐(CPPD)、磷酸四f丐(TTCP)、五水磷酸八f丐(OCP)、透f丐磷石(DCPD)、无水磷酸二f丐(DCPA) 和无定形磷酸钙(ACP)及其混合物等。在目前科学研究和临床应用的组织替换生物材料 中，磷酸钙类生物陶瓷材料占有较大的比重。从自然骨的微观结构上看，骨是由纳米磷酸钙 盐晶体弥散分布在胶原蛋白纤维及其它生物高分子中构成的连续多相复合体。磷酸钙陶瓷 具有与骨骼矿化物类似的成分、表面及体相结构，具有良好的生物相容性和生物活性，对人 体无毒、无害、无致癌作用，植入人体后可通过体内的生化反应与自然骨形成牢固的骨性结 合，部分磷酸钙陶瓷还具有引导骨细胞粘附和生长的功能，是理想的骨修复材料。尤其是 13 -TCP，其在人体中能够通过正常的新陈代谢途径释放Ca2+和P043—到体液中，诱导植入体 周围形成新的骨组织，并为新骨的生成提供生理营养成分，因此不仅具有较好的骨传导能 力，而且会与骨形态蛋白(BMP)产生较强的亲和性以及与骨组织形成直接的生物键合，表 现出很强的生物活性。 将具有生物活性的物质包覆在磁性纳米四氧化三铁表面例如Akira Ito等使用 脂质体包覆四氧化三铁，将此颗粒与H印G2和NIH3T3细胞共培养，使颗粒贴附在细胞，在 外加磁场的作用下，细胞能多层紧密贴附，从而提高了单位体积内细胞的密度。(JOURNAL OFBIOSCIENCE AND BIOENGINEERING。 Vol. 104，No.5，371-378. 2007) 利用溶胶凝胶法使磷酸钙包覆在四氧化三铁上形成核壳结构，结合纳米四氧化三 铁的超顺磁性与磷酸钙良好的生物相容性与生物活性的生物复合材料还未见有人报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种四氧化三铁/磷酸钙核壳结构纳米粒子的制备方法，使 磷酸钙相的结晶度和纯度很高，可为骨细胞的粘附、生长和增殖提供更适宜的条件；本发明 的另一 目的是提供一种仿生的四氧化三铁/磷酸钙核壳结构纳米粒子，该复合粒子兼具了 四氧化三铁的超顺磁性以及磷酸钙的生物相容性。 本发明提供的一种四氧化三铁/磷酸钙核壳结构纳米粒子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)磁流体的制备把氯化铁和氯化亚铁按摩尔比1. 5 2混合加入去离子水中配 成铁离子浓度为0. 425mol/L的溶液，在机械搅拌的同时往里滴加3mol/L NaOH溶液，使其 按照计量式反应；用磁铁收集制得的四氧化三铁，反应完成后用去离子水和乙醇冲洗各3 次，将其在6(TC干燥12小时即得四氧化三铁纳米粒子；将制得的四氧化三铁纳米粒子放于 质量浓度0. 1 0. 5g/L柠檬酸钠溶液中机械搅拌12h，其中四氧化三铁纳米粒子质量(g) 与柠檬酸钠溶液体积(ml)比为l : 10 1 : 100，离心机中10000R/min离心分离去除上 层清液，然后再用去离子水离心分离2次去除上层清液；再加入去离子水离心机中10000R/ min离心分离得到上层清液，上层清液为质量浓度1. 05%的稳定的四氧化三铁磁流体。
(2)前驱体溶胶的制备在室温下把含钙离子为2mol/L的水溶液滴加到已充分水 解的质量分数为46. 7%、用硝酸调节的pH值在1 5之间的磷酸盐乙醇溶液中，形成混合 溶液，钙磷比调节范围为1. 0 1. 6，混合溶液搅拌2h后置于_18°〇的环境下陈化7天得到 前驱体溶胶。 (3)磁流体与溶胶的混合以及干燥将(1)步骤制得的磁流体加入到(2)步骤制得 的溶胶中，其体积比为l : 1 1 : 2，于30 8(TC超声，经过100 15(TC干燥得到粉末。
(4)高温烧结将(3)步骤制得的粉末在马弗炉中烧结，从室温以1 5°C /min的 速度升温，使温度达到600 130(TC进行烧结，烧结时间为1 12h，然后以1 l(TC /min 降温到室温，烧结过程中采用惰性保护气体进行保护，其中惰性保护气体包括高纯氮、高纯 氩的一种或两种组合。 本发明提方法供钙元素的钙盐包括硝酸钙、氯化钙、醋酸钙、乳酸钙、柠檬酸钙的 一种或多种组合，提供磷元素的磷酸盐包括三甲基磷酸、三乙基磷酸、三丁基磷酸、五氧化 二磷、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵的一种或多种的组合。 本发明的四氧化三铁/磷酸钙核壳结构纳米粒子，其特征在于，磷酸钙包覆纳米 四氧化三铁，复合纳米粒子粒径在80 120nm，作为核的四氧化三铁纳米粒子粒径8 60nm，核与壳重量百分比10 30%。 本发明通过溶胶-凝胶法制得的四氧化三铁/磷酸钙核壳结构纳米粒子，其特征 在于，所述磷酸钙为e-磷酸三钙。 四氧化三铁/磷酸钙核壳结构纳米粒子形貌为圆形、椭圆形或不规则形状。
(i)本发明通过控制氯化铁和氯化亚铁的比例，反应ra值以及加入氢氧化钠的量
合成了高纯度的四氧化三铁纳米颗粒；并且通过表面改性加强了四氧化三铁在水溶液中的 分散性，制备出了分散均匀的磁流体。
(2)本发明通过严格控制前驱体溶胶的初始钙磷比、调节反应体系的酸碱度，溶胶
的陈化温度和时间，以及纤维的煅烧温度和时间，溶液的酸碱性可以有效的控制烧结产物
的成分，并避免CaO杂相的生成，最终可获得高纯度、高结晶度的13 -TCP。
(3)本发明结合了四氧化三铁和磷酸钙各自的特点，使粒子能在磁场的作用下有
目的的调节细胞生长方式，还可以为骨细胞的粘附、生长和增殖提供适宜的环境，能有效促
进骨组织的修复和再生。 (4)本发明所述四氧化三铁/磷酸钙核壳纳米粒子可逐步被人体部分或完全吸 收，在修复区域能够释放出大量钙磷元素，加快生物矿化过程，促进新骨的形成。
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(5)本发明所采用的制备和加工方法简单，可控性强，能用于工业化生产。
图1是实施例1所述四氧化三铁/磷酸f丐纳米粒子的XRD图；
图2是实施例1所述四氧化三铁/磷酸f丐纳米粒子的TEM图；
图3是实施例1所述四氧化三铁/磷酸f丐纳米粒子的VSM图。
具体实施方式
实施例1 (1)将9. 197g六水氯化铁与4. 335g四水氯化亚铁(摩尔比2 : 1)和80ml去离 子水混合，在4(TC水浴下机械搅拌，往里滴加80ml3mol/L的氢氧化钠溶液，反应完成后用 磁铁收集制的的四氧化三铁，用去离子水和乙醇冲洗各3次。6(TC下干燥12h得到四氧化 三铁纳米粒子。将0. 2g四氧化三铁纳米粒子，lg柠檬酸钠和20ml去离子水混合在4(TC水 浴下机械搅拌12h，10000r/min转速离心分离去除上层清液，加入去离子水再次分离去除 上层清液，倒入30ml去离子水离心分离得到上层清液，即为质量浓度1. 05%的稳定的四氧 化三铁磁流体。 (2)将3. 643g磷酸三乙酯、2. 76g乙醇和1. 08g去离子水混合配成溶液，并滴加硝 酸调节溶液pH = l，在8(TC下剧烈搅拌水解48h，按照Ca/P = 1. 6的化学计量比缓慢滴加 2mol/L硝酸钙的水溶液，混合溶液搅拌2h后置于-18°C的环境下陈化7天。
(3)将步骤(1)制得的磁流体30ml加入到步骤(2)的30ml溶胶中于3(TC超声， 经过IO(TC干燥得到粉末。 (4)将粉末置于碳化炉中在130(TC氮气保护烧结2小时，升温速度为5°C /min，以 5°C /min的降温速度冷却，烧结过程中采用惰性保护气体进行保护，其中惰性保护气体为 高纯氮。 即可得到Fe304/ P -TCP核壳结构纳米粒子。 其四氧化三铁/磷酸f丐核壳结构纳米粒子的XRD图参见图1 ;四氧化三铁/磷酸 钙核壳结构纳米粒子的TEM图参见图2 ;四氧化三铁/磷酸钙核壳结构纳米粒子的VSM图 参见图3，从图中可得四氧化三铁纳米粒子为圆形或椭圆形，粒径8 60nm，复合纳米粒子 粒径在80 120nm，磷酸钙为P -磷酸三钙，核与壳重量百分比10 30% 。实施例2
(1)将9. 197g六水氯化铁与4. 621g四水氯化亚铁和80ml去离子水混合，在4(TC 水浴下机械搅拌，往里滴加70ml 3mol/L的氢氧化钠溶液，反应完成后用磁铁收集制的的 四氧化三铁，用去离子水和乙醇冲洗各3次。6(TC下干燥12h得到四氧化三铁纳米粒子。将 0. 8g四氧化三铁，lg柠檬酸钠和20ml去离子水混合在4(TC水浴下机械搅拌12h， 10000r/ min转速离心分离去除上层清液，加入去离子水再次分离去除上层清液，倒入30ml去离子 水离心分离得到上层清液，即为质量浓度1. 05%的稳定的四氧化三铁磁流体。
(2)将3. 643g三乙基磷酸、2. 76g乙醇和1. 08g去离子水混合配成溶液，并滴加硝 酸调节溶液pH = 2在8(TC下剧烈搅拌水解48h，按照Ca/P = 1. 4的化学计量比缓慢滴加 2mol/L硝酸钙的水溶液，混合溶液搅拌2h后置于-18°C的环境下陈化7天。
(3)将30ml磁流体加入到35ml溶胶中于4(TC超声，经过12(TC干燥得到粉末。
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(4)将粉末置于碳化炉中在110(TC氮气保护烧结4小时，升温速度为3°C /min，以 l(TC /min的降温速度冷却，烧结过程中采用惰性保护气体进行保护，其中惰性保护气体高 纯氩，即可得到Fe304/ 13 -TCP核壳结构纳米粒子。其四氧化三铁/磷酸钙核壳结构纳米粒 子的XRD图、TEM图、VSM图与实施例1基本相同。
实施例3 (1)将9. 197g六水氯化铁与5. 124g四水氯化亚铁和80ml去离子水混合，在40°C 水浴下机械搅拌，往里滴加60ml 3mol/L的氢氧化钠溶液，反应完成后用磁铁收集制的的 四氧化三铁，用去离子水和乙醇冲洗各3次。6(TC下干燥12h得到四氧化三铁纳米粒子。将 1. 0g四氧化三铁，lg柠檬酸钠和20ml去离子水混合在4(TC水浴下机械搅拌12h， lOOOOr/ min转速离心分离去除上层清液，加入去离子水再次分离去除上层清液，倒入30ml去离子 水离心分离得到上层清液，即为质量浓度1. 05%的稳定的四氧化三铁磁流体。
(2)将3. 643g三丁基磷酸、2. 76g乙醇和1. 08g去离子水混合配成溶液，并滴加硝 酸调节溶液pH = 4在8(TC下剧烈搅拌水解48h，按照Ca/P = 1. 2的化学计量比缓慢滴加 2mol/L硝酸钙的水溶液，混合溶液搅拌2h后置于-18°C的环境下陈化7天。
(3)将30ml磁流体加入到45ml溶胶中于6(TC超声，经过13(TC干燥得到粉末。
(4)将粉末置于碳化炉中在90(TC氮气保护烧结1小时，升温速度为2°C /min，以 TC /min的降温速度冷却，烧结过程中采用惰性保护气体进行保护，其中惰性保护气体高 纯氩，即可得到Fe304/ 13 -TCP核壳结构纳米粒子。其四氧化三铁/磷酸钙核壳结构纳米粒 子的XRD图、TEM图、VSM图与实施例1基本相同。
实施例4 (1)将9. 197g六水氯化铁与5. 78g四水氯化亚铁和80ml去离子水混合，在4(TC水 浴下机械搅拌，往里滴加50ml 3mol/L的氢氧化钠溶液，反应完成后用磁铁收集制的的四 氧化三铁，用去离子水和乙醇冲洗各3次。6(TC下干燥12h得到四氧化三铁纳米粒子。将 2g四氧化三铁，lg柠檬酸钠和20ml去离子水混合在4(TC水浴下机械搅拌12h， 10000r/min 转速离心分离去除上层清液，加入去离子水再次分离去除上层清液，倒入30ml去离子水离 心分离得到上层清液，即为质量浓度1. 05%的稳定的四氧化三铁磁流体。
(2)将3. 643g磷酸二氢铵、2. 76g乙醇和1. 08g去离子水混合配成溶液，并滴加硝 酸调节溶液pH = 5在8(TC下剧烈搅拌水解48h，按照Ca/P = 1. 6的化学计量比缓慢滴加 2mol/L硝酸钙的水溶液，混合溶液搅拌2h后置于-18°C的环境下陈化7天。
(3)将30ml磁流体加入到60ml溶胶中于8(TC超声，经过15(TC干燥得到粉末。
(4)将粉末置于碳化炉中在60(TC氮气保护烧结12小时，升温速度为1°C /min，以 TC /min的降温速度冷却，烧结过程中采用惰性保护气体进行保护，其中惰性保护气体包 括高纯氮、高纯氩两种组份，即可得到Fe304/ 13 -TCP核壳结构纳米粒子。其四氧化三铁/磷 酸钙核壳结构纳米粒子的XRD图、TEM图、VSM图与实施例1基本相同。
权利要求
一种四氧化三铁/磷酸钙核壳结构纳米粒子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)磁流体的制备把氯化铁和氯化亚铁按摩尔比1.5～2混合加入去离子水中配成铁离子浓度为0.425mol/L的溶液，在机械搅拌的同时往里滴加3mol/L NaOH溶液，使其按照计量式反应；用磁铁收集制得的四氧化三铁，反应完成后用去离子水和乙醇冲洗各3次，将其在60℃干燥12小时即得四氧化三铁纳米粒子；将制得的四氧化三铁纳米粒子放于质量浓度0.1～0.5g/L柠檬酸钠溶液中机械搅拌12h，其中四氧化三铁纳米粒子质量g与柠檬酸钠溶液体积ml比为1∶10～1∶100，离心机中10000R/min离心分离去除上层清液，然后再用去离子水离心分离2次去除上层清液；再加入去离子水离心机中10000R/min离心分离得到上层清液，上层清液为质量浓度1.05％的稳定的四氧化三铁磁流体。(2)前驱体溶胶的制备在室温下把含钙离子为2mol/L的水溶液滴加到已充分水解的质量分数为46.7％、用硝酸调节的pH值在1～5之间的磷酸盐乙醇溶液中，形成混合溶液，钙磷比调节范围为1.0～1.6，混合溶液搅拌2h后置于-18℃的环境下陈化7天得到前驱体溶胶。(3)磁流体与溶胶的混合以及干燥将(1)步骤制得的磁流体加入到(2)步骤制得的溶胶中，其体积比为1∶1～1∶2，于30～80℃超声，经过100～150℃干燥得到粉末。(4)高温烧结将(3)步骤制得的粉末在马弗炉中烧结，从室温以1～5℃/min的速度升温，使温度达到600～1300℃进行烧结，烧结时间为1～12h，然后以1～10℃/min降温到室温，烧结过程中采用惰性保护气体进行保护，其中惰性保护气体包括高纯氮、高纯氩的一种或两种组合。
2. 按照权利要求1的制备方法，其特征在于，提供钙离子的盐包括硝酸钙、氯化钙、醋 酸钙、乳酸钙、柠檬酸钙的一种或多种组合。
3. 按照权利要求l的制备方法，其特征在于，所述磷酸盐包括三甲基磷酸、三乙基磷 酸、三丁基磷酸、五氧化二磷、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵的一种或多种的组合。
4. 按照权利要求3四氧化三铁/磷酸钙核壳结构纳米粒子，其特征在于，磷酸钙包覆 纳米四氧化三铁，复合纳米粒子粒径在80 120nm，作为核的四氧化三铁纳米粒子粒径8 60nm，核与壳重量百分比10 30%。
5. 按照权利要求4的四氧化三铁/磷酸钙核壳结构纳米粒子，其特征在于，所述磷酸钙 为P-磷酸三钙。
全文摘要
本发明公开了一种四氧化三铁/磷酸钙核壳结构纳米粒子的制备方法；作为核结构的四氧化三铁利用共沉淀法制得，通过对其表面修饰改性制备出在水中分散性良好的磁流体。配置钙盐与磷酸盐摩尔比为1.0～1.6的混合溶液，调节溶液pH值1～10于低温陈化形成前躯体溶胶。将磁流体均匀分散于该溶胶中，经过干燥，高温烧结过程得到四氧化三铁/磷酸钙核壳结构复合纳米粒子。该复合纳米粒子粒径在80～120nm，其中四氧化三铁粒径为8～60nm。此复合粒子用于磁场作用下的细胞调控与骨修复工程。
文档编号A61L27/40GK101721749SQ20091024221
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年12月4日
发明者刘海洋, 方舟, 杨小平, 林元华, 蔡晴, 连鹏飞 申请人:北京化工大学