一种缺钙型铝掺杂羟基磷灰石粉体及其制备方法和应用与流程

本发明属于材料领域，具体涉及一种缺钙型铝掺杂羟基磷灰石粉体材料及其制备方法，本发明所述材料可以负载正电性材料，例如溶菌酶等正电性药物。

背景技术：

硬组织植入材料是硬组织损伤修复和重建的重要生物医用材料。由于疾病、老龄化、交通事故频发等因素的影响，硬组织植入材料需求量日益增加。羟基磷灰石ca10(po4)6(oh)2(ha)是一种生物活性材料，是人体硬组织的主要成分，植入人体后能与人体的软硬组织形成紧密结合，诱导新骨组织在表面生成。成为目前临床应用最广泛的硬组织替代材料之一。然而在临床上，细菌易于在羟基磷灰石材料表面粘附和富集导致感染问题。因此，提高植入体材料的抗菌性，目前已逐渐成为植入体材料研究的共识。

目前抗菌羟基磷灰石材料主要是引入ag、zn等抗菌离子或者万古霉素等抗菌剂，例如：发明专利1(cn1711847a含银、锌离子的羟基磷灰石无机抗菌剂及其制造方法)中提供了一种含银、锌离子的羟基磷灰石无机抗菌剂的制造方法和提供了一种载银羟基磷灰石的制造方法；发明专利2(cn101294297a银－羟基磷灰石纳米复合材料的制备方法)中提供了一种银-羟基磷灰石纳米复合材料的制备方法。发明专利3(cn103977456a一种载万古霉素/羟基磷灰石人工关节假体的制备工艺)中提供了一种载万古霉素/羟基磷灰石人工关节假体的制备工艺。

目前已见报道的铝掺杂羟基磷灰石材料很少，且功能多是作为除氟剂。发明专利4(cn104399426a一种铝掺杂羟基磷灰石除氟滤料的生产方法)中虽然提供了一种铝掺杂羟基磷灰石，但是其功能是用作除氟剂除氟滤料的生产方法，该发明中材料的合成工艺复杂，且产品表面带正电荷，能够吸附氟离子。发明专利5(cn101862644a一种al掺杂羟基磷灰石高效除氟吸附剂的制备方法)中提供了一种al掺杂羟基磷灰石高效除氟吸附剂的制备方法，该发明中使用al(no3)3、ca(no3)3、h3po4、nh4oh通过共沉淀法制备al离子掺杂ha。这种方法会使nh4⁺和no3^-离不可避免地会固溶进空旷的ha结构中或者聚集在ha表面，从而对实验现象造成干扰，无法确定材料中是否具有ca空位的缺陷结构。所以与以往的报道相比较，本发明的al掺杂ha材料有明显的创新性。也是用作除氟吸附剂，即也是用于吸附负离子，该专利并没有揭示al掺杂羟基磷灰石的表面负电性。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种缺钙性铝离子掺杂羟基磷灰石粉体及其制备方法和应用。

本发明提供了一种缺钙型铝掺杂羟基磷灰石粉体材料，所述的缺钙型铝掺杂羟基磷灰石材料的组成通式为ca10-1.5xalx(po4)6(oh)2，其中0＜x≤2，所述缺钙型铝掺杂羟基磷灰石材料的表面具有钙离子空位以使该表面呈负电性。

本发明中，通过铝离子不等价取代钙离子，羟基磷灰石结构中出现钙离子空位平衡来电荷，使得材料表面呈负电性，提高了对正电性的有机物的静电吸附能力，从而提高了材料对正电性药物的负载。

较佳地，0.1≤x≤1，优选为0.5≤x≤1。当0.5≤x≤1，所述缺钙型铝掺杂羟基磷灰石材料的表面的zata电位值为-10～-12mv。x＜0.5时，材料表面钙离子空位较少，对正电性的有机物的静电吸附能力提高有限。而当x＞1时，材料表面负电性随着al掺杂量而增加的趋势不再明显，且al的掺杂量进一步增加会导致杂质的产生。

较佳地，0＜x＜0.1，优选0.001≤x≤0.05。更优选0.001≤x≤0.02，在此范围内的al质量分数约为27ppm～540ppm，与人体中硬组织的al含量一致。对成骨细胞的增殖有促进作用。故可用来作为硬组织修复材料。而当x＞0.1时，材料的结晶性和稳定性显著降低，在体内易引起潜在毒性作用，不再适用于硬组织修复材料。

本发明还提供了一种缺钙型铝掺杂羟基磷灰石粉体材料的制备方法，包括：

(1)按照计量比分别称取铝源、钙源和磷源，加水搅拌均匀，或者分别制备铝源、钙源和磷源前驱悬浮液，在搅拌条件下，将铝源前驱悬浮液倒入磷源前驱悬浮液中，搅拌均匀后，再将钙源前驱悬浮液倒入到铝源和磷源前驱悬浮液中，搅拌均匀，得到混合溶液；

(2)将(1)所得混合溶液在0-250℃下反应10-76小时，得到产物；

(3)将(2)所得产物进行抽滤，烘干得到所述缺钙型铝掺杂羟基磷灰石粉体材料。

较佳地，所述钙源为氢氧化钙、氧化钙、磷酸钙、磷酸一氢钙、磷酸二氢钙中的至少一种。

较佳地，所述磷源为磷酸、磷酸钙、磷酸一氢钙、磷酸二氢钙中的至少一种。

较佳地，所述铝源为氧化铝、氢氧化铝、磷酸铝、磷酸一氢铝、磷酸二氢铝中的至少一种。所述铝源不仅能够提供铝离子，又能作为反应物参与反应，更有利于铝离子进入到羟基磷灰石ha晶格中。

较佳地，步骤(2)中所述反应为利用水热体系，将反应液转移到聚四氟乙烯容器内，在可旋转均相反应器中进行动态水热反应，转速为0-20转/分钟，反应条件为0-250℃下反应10-76小时。

本发明还提供了一种缺钙型铝掺杂羟基磷灰石粉体材料的应用，所述缺钙型铝掺杂羟基磷灰石粉体材料能够负载正电性材料以用作药物载体材料或环境水处理材料。

较佳地，所述正电性材料为溶菌酶。

本发明还提供了一种缺钙型铝掺杂羟基磷灰石粉体材料在硬组织修复材料中的应用。

本发明的优点如下：

(1)本发明制备方法操作简单，产量较大。所使用的原料成本低廉，适用于规模化生产，具有工业应用前景和价值；

(2)本发明的副产物只有水，产物羟基磷灰石结构中不会引入除了铝以外的外源离子，不会由反应物带进来的外源离子如cl^-、co3^2-、na⁺、no3^-、nh4⁺等掺杂进入ha晶体结构，因而可以消除杂质离子的影响；

(3)本发明所述的缺钙型铝掺杂羟基磷灰石粉体材料，表面富集负电荷，能够负载溶菌酶等正电性材料，可以作为药物载体材料、硬组织修复材料、环境水处理材料等方面具有重要的应用价值。

附图说明

图1为(a)实施例1：ca7al2(po4)6(oh)2；(b)实施例2：ca8.5al(po4)6(oh)2；(c)实施例3：ca9.25al0.5(po4)6(oh)2；(d)实施例4：ca9.85al0.1(po4)6(oh)2；(e)实施例5：ca9.97al0.02(po4)6(oh)2；(f)实施例6：ca9.997al0.002(po4)6(oh)2；(g)对比例：ca10(po4)6(oh)2样品的xrd图谱；

图2为(a,b)实施例2ca8.5al(po4)6(oh)2样品的sem照片和(c,d)tem图片(d的插图为对应的sead图)；

图3为实施例3ca9.25al0.5(po4)6(oh)2样品的sem照片；

图4为不同al含量的ha样品eds能谱图及al含量(a)实施例2；(b)实施例3；(c)实施例4；(d)对比例；

图5为不同铝含量ha样品的悬浮稳定性；

图6为不同铝含量ha样品的zata电位值；

图7为不同铝含量ha样品对溶菌酶的吸附量；

图8为成骨细胞(mc3t3-e1)在不同铝含量ha样品表面的增殖。

具体实施方式

以下实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明通过共沉淀法和利用对反应物的设计提供了一种缺钙型铝掺杂羟基磷灰石粉体材料及其制备方法和应用。本发明中，所述的缺钙型铝掺杂羟基磷灰石材料的组成通式为ca10-1.5xalx(po4)6(oh)2，其中0＜x≤2。当0.1≤x≤1，优选为0.5≤x≤1时，本发明所述的缺钙型铝掺杂羟基磷灰石粉体材料结构中存在钙离子空位，材料表面富集负电荷，能够负载溶菌酶等正电性材料，可以作为药物载体材料或环境水处理材料等方面具有重要的应用价值。当优选0＜x＜0.1，优选0.001≤x≤0.05，更优选0.001≤x≤0.02时，本发明制备的缺钙型铝掺杂羟基磷灰石粉体材料更接近人体组织且al离子的含量，可以促进成骨细胞的增殖，作为生物活性材料并在硬组织修复材料具有重要的价值。

本发明提供的缺钙型铝掺杂羟基磷灰石粉体材料的制备方法。

按照计量比分别称取铝源、钙源和磷源，加水搅拌均匀，得混合溶液。或者首先分别制备铝源、钙源和磷源的前驱溶液或悬浮液。在搅拌条件下，三种原料可同时混合得到混合溶液。也可以根据选择铝源不同分步混合，若选择酸性铝源如磷酸二氢铝，则需要先和同样酸性的钙源混合后，再与显碱性的钙源混合；若选择碱性性铝源如氧化铝、氢氧化铝，则需要先和同样碱性的钙源混合后，再与显酸性的钙源混合，这样能防止难溶性杂质的提前生成。三种悬浮液的先后顺序有没有特殊要求没有特殊要求，尽量快速混合即可。本发明利用铝源作为反应物直接与钙源和磷源发生反应，更有利于al离子进入到ha晶格中。其中，钙源可为但不仅限于氢氧化钙、氧化钙、磷酸钙、磷酸一氢钙、磷酸二氢钙中的至少一种。磷源可为但不仅限于磷酸、磷酸钙、磷酸一氢钙、磷酸二氢钙中的至少一种。铝源可为但不仅限于氧化铝、氢氧化铝、磷酸铝、磷酸一氢铝、磷酸二氢铝中的至少一种。钙源、铝源、磷源的特别选取为难溶性原料，使得本发明的副产物只有水，产物羟基磷灰石结构中不会引入除了铝以外的外源离子，不会由反应物带进来的外源离子如cl^-、co3^2-、na⁺、no3^-、nh4⁺等掺杂进入ha晶体结构，因而可以消除杂质离子的影响。

将混合溶液或前驱体悬浮液混合溶液在0-250℃下反应10-76小时，得到产物。反应条件可为在搅拌器上，温度在0-200℃下反应10-76小时。当然所述反应还可利用水热体系，将反应液转移到聚四氟乙烯容器内，在烘箱里进行，反应条件为0-250℃下反应10-76小时。除此之外，还可以利用水热体系，将反应液转移到聚四氟乙烯容器内，在可旋转均相反应器中进行，转速为0-20转/分钟，反应条件为0-250℃下反应10-76小时。采用动态水热反应可提高反应产物缺钙型铝掺杂羟基磷灰石粉体材料的纯度和反应效率。

反应完毕后，将产物利用抽滤得到湿粉，烘干后得到所述缺钙型铝掺杂羟基磷灰石粉体材料。

以下示例进一步说明所述缺钙型铝掺杂羟基磷灰石粉体的制备方法。(1)按照计量比分别称取铝源、钙源和磷源，加水搅拌均匀。(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。将混合液进行水热反应，用不锈钢容器固定在均相反应器中，转速为0-20转/分钟，反应条件为50-250℃下反应10-76小时。(3)反应完毕后，将产物进行抽滤，烘干得到粉体。

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。

以下方程式所示化学反应，采用水热法来制备al离子掺杂ha粉体[ca10-1.5xalx(po4)6(oh)2](x＝2，1，0.5，0.1)。本反应副产物只有水，产物羟基磷灰石结构中不会引入处了al以为的外源离子，可以消除杂质离子的影响。另外，此反应中al源al(h2po4)3同样提供了p源。作为一种反应物，更有利于al离子进入ha的晶体结构中。我们按照下表的配比制备含不同al含量的ha，表中的mcpm为ca(h2po4)2·h2o的简写；

(3-1.5x)ca(h2po4)2·h2o+xal(h2po4)3+7ca(oh)2→ca10-1.5xalx(po4)6(oh)2+(15-1.5x)h2o(1)。

表2.1不同含量al掺杂ha样品配料表

实施例1

(1)按照下列化学式ca7al2(po4)6(oh)2的化学计量比分别准确称取0.008molal(h2po4)3、0.028molca(oh)2，加水搅拌均匀；

(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。用不锈钢容器固定在均相反应器中，转速为10转/分钟，反应条件为100℃下反应24小时；

(3)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干后得到al掺杂羟基磷灰石粉体材料ca7al2(po4)6(oh)2。

实施例2

(1按照下列化学式ca8.5al(po4)6(oh)2的化学计量比分别准确称取0.004molal(h2po4)3、0.006molca(h2po4)2·h2o、0.028molca(oh)2，加水搅拌均匀；

(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。用不锈钢容器固定在均相反应器中，转速为10转/分钟，反应条件为100℃下反应24小时；

(3)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干后得到al掺杂羟基磷灰石粉体材料ca8.5al(po4)6(oh)2。

实施例3

(1)按照下列化学式ca9.25al0.5(po4)6(oh)2的化学计量比分别准确称取0.002molal(h2po4)3、0.009molca(h2po4)2·h2o、0.028molca(oh)2，加水搅拌均匀；

(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。用不锈钢容器固定在均相反应器中，转速为10转/分钟，反应条件为150℃下反应24小时；

(3)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干后得到al掺杂羟基磷灰石粉体材料ca9.25al0.5(po4)6(oh)2。

实施例4

(1)按照下列化学式ca9.85al0.1(po4)6(oh)2的化学计量比分别准确称取0.0004molal(h2po4)3、0.0114molca(h2po4)2·h2o、2.5933gca(oh)2，加水搅拌均匀；

(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。用不锈钢容器固定在均相反应器中，转速为10转/分钟，反应条件为150℃下反应24小时；

(3)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干后得到al掺杂羟基磷灰石粉体材料ca9.85al0.1(po4)6(oh)2。

实施例5

(1)按照下列化学式ca9.97al0.02(po4)6(oh)2的化学计量比分别准确称取0.01188molca(h2po4)2·h2o、0.028molca(oh)2，加水搅拌均匀，由于所需铝源0.00008molal(h2po4)3的量太少无法用天平称量，我们将用量放大100倍，称取0.008molal(h2po4)3配成100ml溶液，从中取出1ml，再与其他原料混合；

(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。用不锈钢容器固定在均相反应器中，转速为10转/分钟，反应条件为100℃下反应24小时；

(3)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干得到微量al掺杂羟基磷灰石粉体ca9.97al0.02(po4)6(oh)2，铝含量约为540ppm。

实施例6

(1)按照下列化学式ca9.997al0.002(po4)6(oh)2的化学计量比分别准确称取0.01199molca(h2po4)2·h2o、0.028molca(oh)2，加水搅拌均匀，由于所需铝源0.000008molal(h2po4)3的量太少无法用天平称量，我们将用量放大1000倍，称取0.008molal(h2po4)3配成1000ml溶液，从中取出1ml，再与其他原料混合；

(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。用不锈钢容器固定在均相反应器中，转速为10转/分钟，反应条件为100℃下反应24小时；

(3)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干得到微量al掺杂羟基磷灰石粉体ca9.997al0.002(po4)6(oh)2，铝含量约为54ppm。

对比例

(1)按照下列化学式ca(po4)6(oh)2的化学计量比分别准确称取0.012molca(h2po4)2·h2o、0.028molca(oh)2，加水搅拌均匀；

(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。用不锈钢容器固定在反应器中，转速为10转/分钟，反应条件为100℃下反应24小时；

(3)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干得到不掺杂的羟基磷灰石粉体ca10(po4)6(oh)2。

图1是(a)实施例1：ca7al2(po4)6(oh)2；(b)实施例2：ca8.5al(po4)6(oh)2；(c)实施例3：ca9.25al0.5(po4)6(oh)2；(d)实施例4：ca9.85al0.1(po4)6(oh)2；(e)实施例5：ca9.97al0.02(po4)6(oh)2；(f)实施例6：ca9.997al0.002(po4)6(oh)2；(f)对比例：ca10(po4)6(oh)2样品的xrd图谱。从图1中可知，实施例1由于掺杂量最大超出了固溶度，出现了杂相。其它产物中每个衍射峰都属于ha相(jcpdsno.09-0432)，说明当x≤1时，al掺杂ha产物依然保持了ha的晶体结构。随着al掺杂量的增加，ha的衍射峰宽化，强度变低，说明al掺杂使ha结晶性减弱。

图2中(a)和(b)为实施例2产物ca8.5al(po4)6(oh)2样品的sem照片，(c)和(d)为实施例2产物ca8.5al(po4)6(oh)2样品的tem图片((d)的插图为对应的sead图)。从图2(a，b)中可知，形貌具有等级结构，微米尺度上观察到片状相貌，片状表面出现了有序的沟壑状的形貌，趋向于无定型的状态，基本上看不到ha晶粒。通过在图2(c，d)tem的高倍放大下，可以看到束状结构，说明样品形貌是基本有束状结构组合而成，对束状结构的选取电子衍射可以分析出，此结构仍然属于ha，束状结构由ha多晶组成。图2(d)插图中的(002)点明显分离出来，说明束状结构是有ha小晶粒有序排列而成的，而且生长方向是沿着c轴[001]方向。

图3是实施例3产物ca9.25al0.5(po4)6(oh)2的sem照片。从图3中可知，产物依然保持了等级结构，由纳米ha短棒状结构有序排列成片状形貌。片状表面观察到，有序ha晶粒排列成束状，晶粒大约在10nm左右。扫描电镜结果与xrd结果相一致。

图4是不同al含量的ha样品中al含量。al含量由安装在扫描电子显微镜上的能量色散谱探针(eds,oxfordinstruments,uk)测得。从图4中可知，可以看到随着铝含量的增加，al的峰位越强，所测得到al的质量分数越高，且与预期值相一致，说明本发明对al的掺杂量做到了连续可控。

图5是不同铝含量ha样品的悬浮稳定性。将同质量的水热产物分散在去离子水中后沉降约1h后观察悬浮高度。从图5中可知，制备出的不同al含量样品在去离子水溶液中的沉降性能有着显著的差别，随着al含量的增加，粉体悬浮液稳定后的沉降高度越来越高，也就说高含量al掺杂ha表现出越好的悬浮稳定性。

图6为不同铝含量ha样品的zata电位值。将1mg/ml粉体分散在去离子水(ph约为6)中，通过zeta电位仪(nanoseries,malvern,uk)测试材料表面的zeta电位。实验检测得知当x取0、0.1、0.5、1.0值时，其电位值为别为-4.95mv、-7.39mv、-10.7mv、-11.8mv。从图6中可知，随着al掺杂量的增加，ha表面的电位越来越负，表面负电荷增多。

图7为不同铝含量ha样品对溶菌酶的吸附量。为了检测溶菌酶的吸附量，将20mg粉体样品浸泡在1mg/ml溶菌酶溶液(pbs介质)中，在37℃条件下保持4h。然后取上清液测剩余溶菌酶浓度，所使用的试剂是bca测试盒，使用酶标仪(multiskango,thermalscientific,usa)在562nm处读取吸光度值。通过吸附前后的溶菌酶浓度的差值换算出吸附量。实验检测得知x值为1时，对溶菌酶吸附量为25.02μg/mg；x值为0.5时，对溶菌酶吸附量为10.90μg/mg；x值为0.1时，对溶菌酶吸附量为3.23μg/mg。x值为0时，对溶菌酶吸附量为0.76μg/mg。从图7中可知，随着al掺杂量的增加，对溶菌酶的吸附量大幅度增多，含铝量最高样品(x值为1时)可以比未掺杂样品提高约20倍。

图8是成骨细胞(mc3t3-e1)在不同铝含量ha样品表面的增殖。将φ13mmal-ha片材灭菌后置入6孔板中，再将生长状态良好的成骨细胞(mc3t3-e1)以15000个/孔的密度接种到各个孔内。在培养了1、4、7天后，用cck-8(dojindo)测试盒测试细胞量，使用酶标仪(multiskango,thermalscientific,usa)在450nm处读取吸光度值(odvalue)。从图8可以看出，高含量的al掺杂ha对成骨细胞没有明显的毒性，但并没有促进骨的增殖，微量al掺杂ha(x＝0.002，al掺杂量为54ppm)能促进成骨的增殖。