专利名称：一种高比表面磷酸钙微球的制备方法
技术领域：
本发明属于多孔材料领域，更具体地涉及磷酸钙微球的制备方法及通过其获得的
女口
广叩O
背景技术：
磷酸钙类似于人骨和天然牙的性质、结构，有着很好的生物相容性，实现牢固结合人造骨、人造关节、人造鼻软骨、穿皮接头、人造血管、人造气管等。目前，可见到以下一些关于钙基微球研究的报道美国(BiotechnologyProgress (生物技术进展)，2005 年 21 期第 918 页至 925页)报道了利用碳酸钙微球来吸附生物大分子，但该材料通过物理吸附对牛血清蛋白的吸附量只有20 μ g/mg碳酸钙，这样的吸附能力太小，不能满足很多领域的应用需要，且球霰石相碳酸钙在水溶液中很不稳定，很容易转化成方解石相碳酸钙而导致吸附能力大大降低。美国(Biomacromolecules (生物大分子)，2004年第5期第1962页至1972页)介绍了碳酸钙微球的吸附能力，进而将其作为模板转化成微囊，但此法的碳酸钙微球在水溶液中非常不稳定，并且成本较高、制备过程复杂，难以实现大规模工业化生产。荷兰(Microporousand Mesoporous Materials (微孔介孔材料)，2009 年第 118卷第480页至488页)报道了一种用碳酸钙微球转化成磷酸钙的方法，该方法中氯化钙是通过从天然珠母贝中加入盐酸提取得来，而后加入碳酸钠溶液，快速加入碳酸钠溶液得到的碳酸钙形状比较规整。不过此法中得到的碳酸钙中球霰石含量低，故转化为磷酸钙的比例很低；慢速滴加碳酸钠溶液于氯化钙溶液中得到的碳酸钙形状非常不规则，这导致最后获得的磷酸钙形状也不规则，故用于工业化生产会导致不同批次产品性能不稳定，差异较大等缺点；该杂志2010年第127卷第245页又报道了一种用碳酸钙微球转化成磷酸钙的方法，但此制备方法中需要加入表面活性剂CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)，以及环己烷、丁醇，这些添加剂作为微反应器来协助碳酸钙向磷酸钙的转化。然而，这样合成的磷酸钙会被表面活性剂污染而降低其生物活性，同时也会降低其比较面积。此外，该杂志中也没有关于磷酸钙微球的吸附性能的报道。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种简单快速大量制备磷酸钙微球的方法，本发明方法的磷酸钙微球的制备过程中不使用任何表面活性剂，并且由此制得具有高比表面积的磷酸钙微球，其对带正电荷的生物大分子具有高吸附性能。在一方面，本发明提供了一种快速制备高比表面磷酸钙微球的方法，所述方法包括将碳酸钙微球的固体粉末加入到磷酸盐溶液中以进行反应，其特征在于，所述反应过程中不添加任何表面活性剂。在一个优选实施方式中，加入的所述碳酸钙微球的固体粉末和所述磷酸盐溶液按摩尔比以Ca/P = I. 67的量进行反应。在一个优选实施方式中，所述反应的反应温度为10°C -160 °C,反应时间为O.5h-72h。在一个优选实施方式中，所述碳酸钙微球通过将等体积等浓度的钙盐溶液和碳酸盐溶液混合并剧烈搅拌而获得。在一个优选实施方式中，所述钙盐溶液是CaCl2溶液，所述碳酸盐溶液是Na2CO3溶液，并且它们的浓度在O. 1M-1M的范围。在一个优选实施方式中，获得的所述碳酸钙微球用水和/或乙醇洗涤，干燥后得到所述碳酸钙微球的固体粉末。在一个优选实施方式中，所述磷酸盐溶液是选自(NH4) 2HP04、Na2HPO4, NH4H2PO4,NaH2PO4, K2HPO4和KH2PO4中的一种或多种的水溶液。在一个优选实施方式中，所述磷酸盐溶液的浓度为O. 9M-4. 5M。在一个优选实施方式中，所述磷酸盐溶液的浓度为1.51M。在另一方面，本发明提供一种通过上述方法获得的高比表面磷酸钙微球。本发明的制备高比表面磷酸钙微球的方法中，由于在反应过程中未添加任何表面活性剂，故具有很好的生物安全性，对人体无害，且本发明方法简单、成本低，易于扩大化而实现工业化生产，所制得的高比表面磷酸钙微球可用于食品、化妆品等领域。
图I是根据本发明实施例I中获得的碳酸钙(CaCO3)微球的扫描电子显微图。图2是根据本发明实施例I通过CaCO3微球固体粉末与(NH4) 2ΗΡ04溶液在不同温度下反应48小时得到的不同磷酸钙微球产物的X射线衍射分析图。图3是根据本发明实施例I (反应温度为65°C )制备的磷酸钙微球的扫描电子显微图。图4是根据本发明实施例2 (反应温度为80°C )制备的磷酸钙微球的扫描电子显微图。图5是根据本发明实施例2 (反应温度为80°C )制备的磷酸钙微球经超声破碎后的透射电子显微图。图6是根据本发明实施例2通过碳酸钙微球固体粉末在磷酸盐溶液(反应温度为80°c )中的不同反应时间所制备的磷酸钙微球的X射线衍射分析图。图7是根据本发明实施例3 (反应温度为160°C )制备的磷酸钙微球的扫描电子显微图。图8是根据本发明实施例3 (反应温度为160°C )制备的磷酸钙微球经超声破碎后的透射电子显微图。图9是根据本发明实施例3制备的磷酸钙微球在水中不同时间的稳定性的X射线衍射分析图。图10(a) (C)分别是根据本发明实施例I 3制备的磷酸钙微球吸附FITC-CMC (异硫氰酸荧光素-羧甲基壳聚糖)后的荧光显微图。
具体实施例方式本发明涉及一种简单快速且大量制备磷酸钙微球的方法，本发明方法的磷酸钙微球的制备过程中不使用任何表面活性剂，并且由此制得具有高比表面积的磷酸钙微球，其对带正电荷的生物大分子具有高吸附性能。更具体地，本发明的快速制备高比表面磷酸钙微球的方法包括将碳酸钙微球的固体粉末加入到磷酸盐溶液中以进行反应，在所述反应过程中不添加任何表面活性剂，这里的表面活性剂可以提及例如CTAB (十六烷基三甲基溴化铵)、MDP (单-η-十二烷基磷酸)、共聚物EOici6PO7ciEOici6(EC)为聚乙撑氧、PO为聚环氧丙烷)等。在本发明的快速大量制备具有良好载附大分子特性的磷酸钙微球的方法中，利用已有的或通过合成的碳酸钙微球的固体粉末，将其加入到磷酸盐溶液中，其中为了不形 成缺陷型磷酸钙，二者的加入量按摩尔比优选以Ca/P = I. 67来计算，于不同温度例如IO0C _160°C下反应O. 5h以上，从而得到了磷酸钙微球。对于本发明的反应时间的上限没有限制，但从经济实用的角度看，优选反应时间不要过长，例如在72h以下。本发明方法获得的磷酸钙微球具有高比表面积，相比于现有技术中的碳酸钙微球或磷酸钙微球，本发明获得的磷酸钙微球对带正电荷的大分子具有更高的吸附性能。优选地，本发明方法中使用的碳酸钙微球通过如下制备获得例如将等体积等浓度的钙盐溶液例如CaCl2溶液、Ca(NO3)2溶液等和碳酸盐溶液例如Na2CO3溶液、K2CO3溶液等快速混合，它们的浓度例如在O. 1M-1M的范围，同时剧烈搅拌，得到的碳酸钙经过洗涤、干燥即可得到可用于本发明的碳酸钙微球。例如，获得的碳酸钙微球优选用水和/或乙醇洗涤，并干燥而获得碳酸钙微球的固体粉末。优选地，本发明方法中使用的磷酸盐溶液可以是选自(NH4) 2HP04、Na2HPO4,NH4H2PO4、NaH2P04、K2HPO4和KH2PO4中的一种或多种磷酸盐溶液。优选地，所述磷酸盐溶液的浓度在O. 9M-4. 5M之间，例如为约I. 5M。在本发明方法中，所述反应的反应时间在O. 5小时以上均可获得预期产物；通常反应时间越长，碳酸钙向磷酸钙转化越完全，为了使反应更完全，优选低温(100°C以下)情况下反应时间为约48小时，在高温(100°C以上)情况下可以适当缩短时间，这有助于保持磷酸钙微球结构的完整。在本发明的方法中，反应温度在10°C到160°C之间均可获得预期产物；通常反应温度越高，碳酸钙向磷酸钙转化越完全，不受限于特定理论，一般来说，低温下是溶解沉淀反应，在高温例如高于140°C离子交换反应。如前提及的，更具体地，本发明的磷酸钙微球的制备方法可以包括两个主要步骤，首先是碳酸钙微球的合成，然后将碳酸钙微球转化成磷酸钙微球。这里需要说明的是，本发明方法中使用的碳酸钙微球可以通过商购获得或者通过本领域技术人员已知的方法获得，而不必局限于通过本发明的合成方法获得。优选地，碳酸钙微球的合成是将等体积等浓度例如O. 1M-1M的钙盐溶液例如CaCl2溶液与碳酸盐溶液例如Na2CO3溶液快速混合，剧烈搅拌，得到的碳酸钙用水和乙醇洗涤，并置于例如干燥箱内室温烘干例如24小时后得到碳酸钙微球的固体粉末。接着配制例如O. 9M-4. 5M的磷酸盐溶液，将碳酸钙粉末加入(按摩尔比Ca/P = I. 67来加入定量的碳酸钙)，于不同温度(10°C-160°C)下反应O. 5小时以上，得到期望的磷酸钙微球。此法得到的磷酸钙微球对正电荷的大分子具有较高的吸附性能，即，本发明采用了一种简单快速合成大量高比表面磷酸钙微球的方法，同时所获得的磷酸钙微球对带正电荷的生物大分子具有较高的吸附性能。在本发明的一个具体实施方式
中，例如，上述磷酸钙微球制备方法包括将等体积等浓度，例如O. 33M CaCl2溶液与例如O. 33M Na2CO3溶液快速混合，剧烈搅拌，再用水和乙醇洗得到的碳酸钙三遍，将其置于恒温干燥箱内烘干约24小时后得到碳酸钙微球的固体粉末。接着在IOml去离子水中配制例如I. 51M的(NH4)2ΗΡ04，再按摩尔比Ca/P = I. 67的比例加入2. 5g碳酸钙固体粉末，于10°C _160°C是不同温度下反应例如48小时，得到期望的磷酸钙微球，此磷酸钙微球对带正电荷的大分子具有高吸附性能。以下结合实施例对本发明磷酸钙微球的绿色制备方法做具体的说明。实施例I :
将等体积的O. 33M CaCl2与O. 33M Na2CO3在带有搅拌装置的反应容器中快速混合，并剧烈搅拌半分钟左右得到碳酸钙微球固体沉淀，再用水和乙醇将沉淀离心(3000r/min,2min)洗涤三遍，将其置于真空干燥箱内室温烘干约24小时后得到碳酸钙微球的固体粉末，取样对其形状进行分析，结果如图I所示。然后在IOml去离子水中配制I. 51M的(NH4)2HPO4溶液，再按摩尔比Ca/P = I. 67的比例加入2. 5g之前获得的碳酸钙微球的固体粉末，于65°C下反应48小时，进行离心(3000r/min，2min)去除上清液后得到磷酸钙微球固体沉淀，再用水和乙醇将洗涤三遍，将其置于真空干燥箱内室温烘干约24小时后，得到磷酸钙微球的固体粉末。通过粉末的X射线衍射分析表明，得到的磷酸钙为羟基碳酸磷灰石(HCAP)(其为一种碳酸钙)。对所获得的HCAP碳酸钙微球表面形状进行分析，结果如图3所示。该烘干固体粉末经全自动比表面积和孔隙分析仪(美国Micromeritics公司的Tristar II3020M)测得比表面积为67. 4711 '该值远高于之前获得的碳酸钙固体粉末的15. 3678!!! -1,以上的化学试剂均可以购自例如国药集团化学试剂有限公司。对所获得的磷酸钙微球的吸附能力进行了检测，具体地，将其与FITC-CMC以I : I的质量比共混，37°C下摇床12h，离心(8000r/min，5min)后，测得上清液的荧光值(上清液中的FITC-CMC是未被吸附的FITC-CMC)。配制不同浓度的FITC-CMC，经荧光分光光度计测得其荧光值，并获得标准曲线。通过前述上清液的荧光值，可以在标准曲线中得出相应的未被吸附FITC-CMC的浓度，从而可以反推出被磷酸钙微球吸附的FITC-CMC量。经测试后计算，本发明获得的磷酸钙微球的吸附量为402 μ g/mg HCAP。对于本实施例1，图I是根据本实施例I过程中制备的碳酸钙(CaCO3)微球固体粉末的扫描电子显微图，从图中可以看出，根据本实施例I制得的碳酸钙(CaCO3)微球是粒径比较均一的CaCO3微球。由于碳酸钙成核速度较快，故本方法中快速使等浓度等体积的CaCl2与Na2CO3溶液混合，可以形成形貌比较均一的碳酸钙微球。图2是根据本实施例I通过CaCO3微球固体粉末与(NH4) 2ΗΡ04溶液在不同温度下反应48小时得到的不同磷酸钙微球产物的X射线衍射分析图，其中将该碳酸钙微球置于(NH4)2HPO4 溶液中于不同温度下(10°C、室温(约 25°C )、37°C、50°C、65°C、80°C、160°C )反应48小时，得到不同温度下合成磷酸钙的X射线衍射分析图。如图2所示，随着温度的升高，磷酸钙的含量逐渐增多，CaCO3的含量逐渐减少。10°C时由于CaCO3在水溶液中不稳定，更多地转化为C相，有少量的磷酸钙生成；温度升至室温后，磷酸钙形成量稍有增大；37°C时，该温度还不足以让CaCO3迅速转化为磷酸钙；50°C时，CaCO3可以迅速地转化为磷酸钙，故几乎没有C相，基本为HCAP的纯相；65°C时，无C相峰，为HCAP的纯相；80°C时，高温把CO/—给除掉了，故HCAP完全转化为羟基磷灰石(HAP)(为另一种磷酸钙)，为HAP的纯相，这可以参见以下实施例2 ;160°C时物相上和80°C时一样，没有任何变化。图3是本实施例I中反应温度为65°C时得到HCAP微球的扫描电子显微图(其中为了更清楚，在该图的右上部分中显示了部分放大的视图)，从图3可以看出，所获得的HCAP微球的表面为花魁状结构，这样的结构相比于光滑磷酸钙微球可以增加该磷酸钙微球的比表面积，有利于增大其吸附能力。实施例2 反应过程类似于实施例1，通过等体积的O. 33M CaCl2溶液与O. 33MNa2C03溶液得到碳酸钙微球的固体粉末。接着在IOml去离子水中配制I. 51M的(NH4)2ΗΡ04，再按摩尔比Ca/P = I. 67加入2. 5g所得到的碳酸I丐固体粉末，于80°C条件下反应48小时得到磷酸隹丐， 再用水和乙醇将沉淀离心(3000r/min, 2min)洗漆三遍得到磷酸I丐固体沉淀,将其置于真空干燥箱内室温烘干约24小时后得到磷酸钙微球的固体粉末，粉末的X射线衍射分析图表明，得到的磷酸钙为羟基磷灰石(HAP)(为另一种磷酸钙)。该烘干固体粉末测得的比表面积为53. 35111 -1,将其与FITC-CMC以I : I的质量比共混，吸附FITC-CMC的量为376 μ g/lmgHAPo图4是本实施例2在反应温度为80°C时得到HAP微球的扫描电子显微图(其中为了更清楚，在该图的右上部分中显示了部分放大的视图)，从图4可以看出，所获得的HAP微球的表面为绒毛状结构，这样的表面结构相比于光滑磷酸钙微球可以增加该磷酸钙微球的比表面积,有利于增大其吸附能力。图5为本实施例2中得到的HAP超声破碎后的透射电子显微图，从图5可以看出，该较低反应温度(80°C)得到的HAP微球为片状材料组成，这样的结构是由于较低反应温度下，碳酸钙向磷酸钙转化是通过表面的溶解-沉淀法来形成的。图6为本实施例2中碳酸钙向磷酸钙转化时在不同反应时间(O 48h)得到的产物的X射线衍射图，从图6可以看出，随着反应时间的延长，磷酸钙的含量逐渐增加而碳酸钙的量逐渐减少。具体地，当反应时间为O. 5h，已经有相当一部分碳酸钙转变为磷酸钙，当反应时间为lh，所有球霰石相的碳酸钙均转化为磷酸钙，物相为磷酸钙和方解石相碳酸钙，当反应时间为6h，所有的碳酸钙均转化为磷酸钙，此时的磷酸钙为HCAP，当反应时间增加到36h，此时的转化随着时间的延长更加充分，得到的磷酸钙为HAP。实施例3 反应过程类似于实施例1，通过等体积的O. 33M CaCl2溶液与O. 33MNa2C03溶液得到碳酸钙微球。在IOml去离子水中配制I. 51M的(NH4)2HPO4,再按摩尔比Ca/P = I. 67加入2. 5g碳酸钙固体粉末，于160°C水热条件下反应48小时得到磷酸钙，再用水和乙醇将沉淀离心(3000r/min, 2min)洗漆三遍得到磷酸I丐固体沉淀,烘干得到HAP粉末。该烘干固体粉末测得的比表面积为35. ZOmY1，将其与FITC-CMC以I : I的质量比共混，吸附FITC-CMC的量为 367 μ g/lmg HAP。图7是本实施例3中反应温度为160°C时得到HAP微球的扫描电子显微图，从图7可以看出，所获得的HAP微球的表面为绒毛状结构，这样的结构相比于光滑磷酸钙微球可以增加该磷酸钙微球的比表面积，有利于增大其吸附能力。
图8为本实施例3中得到的HAP微球超声破碎后的透射电子显微图，从图8可以看出，该水热高温(160°C)得到的HAP为针状材料组成，这是由于高温条件下的碳酸钙向磷酸钙的转化为离子交换反应，得到的磷酸钙微球更为疏松。另外，对于通过本实施例3中得到的HAP微球在水中的稳定性进行试验，结果如图9所示。从图9中可以看出，从在水中的时间3h至一年的时间中，本发明获得的HAP磷酸钙微球显示出很好的稳定性，在水溶液中一年也没有发生物相转变，这样卓越的稳定性使得本发明制备的磷酸钙微球具有广阔的应用前景，可以很好的应用于诸多领域。此外，对于本发明实施例I 3中获得的三种磷酸钙微球的吸附性能进行了试验，其结果如图10(a) (C)所示。图10(a) (C)分别为实施例I 3中得到的三种磷酸钙微球吸附FITC-CMC后的荧光显微图，从图中可以看出，本发明方法获得的磷酸钙微球吸附FITC-CMC后显示出很强的荧光，表明本方法得到的磷酸钙微球对带有正电荷的大分子具有很强的吸附能力，这是由于本法得到的磷酸钙具有疏松多孔的结构，高比表面会增大其吸
附能力，加之本身带有负电荷，故会对带正电荷的大分子产生静电吸附作用，从而获得较高的吸附率。实施例4 反应过程类似于实施例1，通过等体积的O. IM CaCl2溶液与O. IMNa2CO3溶液得到碳酸钙微球固体粉末。在IOml去离子水中配制I. 51M的(NH4)2HPO4溶液，再按摩尔比Ca/P=L 67加入2. 5g碳酸钙微球固体粉末，于110°C水热条件下反应48小时，沉淀物用去离子水和乙醇洗3遍，烘干得到磷酸钙粉末，该粉末经X射线衍射图谱显示为HAP，对其分析的结果与实施例2类似。实施例5 反应过程类似于实施例1，通过等体积的IM CaCl2溶液与IM Na2CO3溶液得到碳酸钙微球固体粉末，该微球粉末的扫描电子显微图与实施例I中的图I类似，只是微球粒径要比实施例I的更小一些。在IOml去离子水中配制I. 51M的(NH4) 2ΗΡ04溶液，再按摩尔比Ca/P = 1.67加入2. 5g碳酸钙微球固体粉末，于150°C水热条件下反应24小时，用去离子水和乙醇洗三遍，烘干得到磷酸钙粉末，烘干得到磷酸钙粉末，该粉末经X射线衍射图谱显示为HAP，对其分析的结果与实施例3类似，其中由于碳酸钙粒径比之前的方法小，故合成的HAP微球粒径也较之前小些。因此，本方法合成磷酸钙具有简单、快速、成本低、产量大的特点，且无任何其他表面活性剂的加入，故无任何毒副作用，得到的磷酸钙具有很好的生物相容性，且非常稳定，对带有正电荷的大分子具有很强的吸附能力，故可以广泛用于食品、化妆品、化工等诸多领域。以上已对本发明进行了详细描述，但本发明并不局限于本文所描述具体实施方式
。本领域技术人员理解，在不背离本发明范围的情况下，可以做出其他更改和变形。本发明的范围由所附权利要求限定。
权利要求
1.一种快速制备高比表面磷酸钙微球的方法，所述方法包括将碳酸钙微球的固体粉末加入到磷酸盐溶液中以进行反应，其特征在于，所述反应过程中不添加任何表面活性剂。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，加入的所述碳酸钙微球的固体粉末和所述磷酸盐溶液按摩尔比以Ca/P = I. 67的量进行反应。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述反应的反应温度为10°C-160°C，反应时间为O. 5h-72h。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述碳酸钙微球通过将等体积等浓度的钙盐溶液和碳酸盐溶液混合并剧烈搅拌而获得。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述钙盐溶液是CaCl2溶液，所述碳酸盐溶液是Na2CO3溶液，并且它们的浓度在O. 1M-1M的范围。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，获得的所述碳酸钙微球用水和/或乙醇洗涤，干燥后得到所述碳酸钙微球的固体粉末。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述磷酸盐溶液是选自(ΝΗ4)2ΗΡ04、Na2HPO4, NH4H2PO4, NaH2PO4, K2HPO4 和 KH2PO4 中的一种或多种的水溶液。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述磷酸盐溶液的浓度为O.9M-4. 5M。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述磷酸盐溶液的浓度为1.5M。
10.一种通过权利要求I至9中任一项所述的方法获得的高比表面磷酸钙微球。
全文摘要
本发明公开了一种磷酸钙微球的制备方法及通过其获得的产品。更具体地，本发明提供了一种快速制备高比表面磷酸钙微球的方法，所述方法包括将碳酸钙微球的固体粉末加入到磷酸盐溶液中以进行反应，其特征在于，所述反应过程中不添加任何表面活性剂。通过本发明的方法获得的磷酸钙微球没有被表面活性剂污染，并且对正电荷大分子具有强吸附能力同时生物安全性好，能够扩大磷酸钙微球的应用领域，并且本发明的工艺简单且易行，适合大量制备高比表面磷酸钙微球。
文档编号C01B25/32GK102874781SQ20121037215
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者俞书宏, 隋聪, 陆杨 申请人:中国科学技术大学