本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种含铁羟基磷灰石及其制备方法与用途。
背景技术
羟基磷灰石(ha)是脊椎动物骨骼和牙齿的主要无机组成成分，人的牙釉质中羟基磷灰石的含量约96wt％(92vol％)，许多疾病和外伤会导致病人的牙齿缺失，因此，牙科修复材料方面的研究一直被广大科研工作者所关注。羟基磷灰石具有优良的生物相容性和生物活性，并可作为一种骨骼或牙齿的诱导因子，在口腔保健领域中对牙齿具有较好的再矿化、脱敏以及美白作用。
铁元素是构成人体的必不可少的元素之一，缺铁会影响到人体的健康和发育，铁在体内代谢中可反复被身体利用。本发明首次尝试以动物天然红色含铁牙釉质作为仿生对象，以(nh4)2hpo4、ca(no3)2·4(h2o)以及fe(no3)3·9(h2o)作为原料，利用超声辅助微波水热合成法制备含铁羟基磷灰石(fe-ha)，旨在通过提升fe-ha的机械性能和抗菌性能来解决牙釉质脱矿问题，从根本上预防龋齿病。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种含铁羟基磷灰石及其制备方法与用途。本发明的技术方案为：
第一个方面，本发明提供一种含铁羟基磷灰石，所述含铁羟基磷灰石中铁元素以铁离子的形式部分取代羟基磷灰石晶体中钙的位置，得到缺钙型的fe-ha。
第二个方面，本发明提供上述含铁羟基磷灰石的制备方法，包括：
(1)将(cano3)2·4h2o、fe(no3)3·9h2o、(nh4)2hpo4和去离子水配制成溶液；
(2)将溶液用稀酸调节ph值至2.0～2.5，再用弱碱调节ph值至10.0～10.5，得到反应浆料；
(3)将反应浆料采用超声-微波协同方式进行合成；
(4)将反应完成后的浆料依次过滤、清洗、干燥后得到fe-ha固体。
进一步地，所述步骤(1)中配制溶液的具体过程为：按照(cano3)2·4h2o、fe(no3)3·9h2o、(nh4)2hpo4的质量比为(2.98～2.2)：(0～1)：(0.5:～1.1)配料，然后将(cano3)2·4h2o、fe(no3)3·9h2o、(nh4)2hpo4分别配制成溶液，于35～40℃、搅拌速度为400～600rpm条件下先将fe(no3)3·9h2o溶液缓慢加入至(cano3)2·4h2o溶液中充分混匀，再将(nh4)2hpo4溶液缓慢加入并充分混匀即得。
进一步地，所述步骤(2)中的稀酸为质量浓度为15％的稀硝酸。
进一步地，所述步骤(2)中的弱碱为质量浓度为50％的氨水。
进一步地，所述步骤(3)中超声-微波协同方式的具体控制参数为：超声功率为50w～60w，超声频率为40～50khz，微波功率为300～400w，反应温度为70～90℃，反应时间为700～1000s。
进一步地，所述步骤(4)中干燥的具体控制参数为：干燥温度为70～90℃，干燥时间为10～12h。
第三个方面，本发明提供上述含铁羟基磷灰石在制备牙科修复材料中的用途。
本发明的有益效果在于：本发明以(cano3)2·4h2o、fe(no3)3·9h2o、(nh4)2hpo4为起始原料，采用超声-微波协同方式，通过仿生合成制备一种全新的含铁羟基磷灰石，工艺操作简单，环保安全，成本较低，适合高纯含铁羟基磷灰石的规模化量化生产。此外，本发明制备得到的含铁羟基磷灰石中铁含量可在0％-10％任意调节，产物呈棒状，大小均匀，分散性良好，其纳米级的粒径可达到40-100nm，并且具有良好耐磨性、耐酸蚀及抗菌性能，可用于牙科修复材料领域。
附图说明
图1为本发明实施例1获得的fe-ha的sem图。
图2为本发明实施例2获得的fe-ha的sem图。
图3为本发明实施例3获得的fe-ha的sem图。
图4为本发明实施例4获得的fe-ha的sem图。
图5为本发明实施例2获得的fe-ha的eds图。
图6为本发明实施例1-4获得的fe-ha的ir图。
图7为本发明实施例1-4获得的fe-ha的xrd图。
图8为本发明实施例1-4获得的fe-ha陶瓷的硬度测试结果示意图。
图9为本发明实施例1-4获得的fe-ha陶瓷的酸蚀测试结果示意图，其中9-1为fe0％-ha陶瓷的酸蚀过程的渐变示意图；9-2为fe1％-ha陶瓷的酸蚀过程的渐变示意图；9-3为fe1.5％-ha陶瓷的酸蚀过程的渐变示意图；9-4为fe2％-ha的酸蚀过程的渐变示意图；9-5为4种fe-ha陶瓷酸蚀过程中质量损失随时间的变化示意图。
图10为本发明实施例1-4获得的fe-ha陶瓷的cetr摩擦磨损试验结果示意图，其中10-1为质量损失量结果示意图；10-2为fe0％-ha陶瓷的磨痕大小及形貌示意图；10-3为fe1％-ha陶瓷的磨痕大小及形貌示意图；10-4为fe1.5％-ha陶瓷的磨痕大小及形貌示意图；10-5为fe2％-ha陶瓷的磨痕大小及形貌示意图。
图11为本发明实施例8得到的复合树脂的力学性能测试结果示意图，其中11-1为弹性模量图，11-2为纳米硬度图。
图12为本发明实施例8得到的复合树脂的抗菌性能测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
本实施例提供一种含铁羟基磷灰石，其中铁元素以铁离子的形式部分取代羟基磷灰石晶体中钙的位置，含量为0％。具体制备过程如下：按照(cano3)2·4h2o、(nh4)2hpo4质量比为2.98：1配料，将两种原料分别配制成质量浓度为2.3％和1.3％的水溶液；于37℃、搅拌速度为400rpm条件下将(nh4)2hpo4溶液缓慢加入至(cano3)2·4h2o溶液中充分混匀；然后用质量浓度为15％的稀硝酸调节体系ph值至2.0，再用质量浓度为50％的氨水调节ph值至10.0，得到反应浆料；将反应浆料采用超声-微波协同方式进行合成，具体控制参数为：超声功率为50w，超声频率为40khz，微波功率为300w，反应温度为80℃，反应时间为800s，将反应完成后的浆料室温放置6h后，用去离子水以4500rpm的转速离心清洗沉淀至ph为中性，再用无水乙醇洗涤沉淀两次；最后于温度为80℃条件下干燥12h后得到fe0％-ha固体粉末，产物呈棒状，大小均匀，分散性良好，其纳米级的粒径可达到60nm，sem结果如图1所示，ir结果如图6所示，xrd结果如图7所示，硬度测试结果如图8所示。
实施例2
本实施例提供一种含铁羟基磷灰石，其中铁元素以铁离子的形式部分取代羟基磷灰石晶体中钙的位置，含量为1％。具体制备过程如下：按照(cano3)2·4h2o、fe(no3)3·9h2o、(nh4)2hpo4质量比为2.8：0.13：0.97配料，将三种原料分别配制成质量浓度为2.8％、0.5％和1.3％的水溶液；于37℃、搅拌速度为500rpm条件下将fe(no3)3·9h2o溶液缓慢加入至(cano3)2·4h2o溶液中充分混匀，再将(nh4)2hpo4溶液缓慢加入并充分混匀；然后用质量浓度为15％的稀硝酸调节体系ph值至2.1，再用质量浓度为50％的氨水调节ph值至10.2，得到反应浆料；将反应浆料采用超声-微波协同方式进行合成，具体控制参数为：超声功率为50w，超声频率为50khz，微波功率为400w，反应温度为85℃，反应时间为900s，将反应完成后的浆料室温放置6h后，用去离子水以4500rpm的转速离心清洗沉淀至ph为中性，再用无水乙醇洗涤沉淀两次；最后于温度为80℃条件下干燥12h后得到fe1％-ha固体粉末，产物呈棒状，大小均匀，分散性良好，其纳米级的粒径可达到50nm，sem结果如图2所示，eds图如图5所示，ir结果如图6所示，xrd结果如图7所示，硬度测试结果如图8所示。
表1
实施例3
本实施例提供一种含铁羟基磷灰石，其中铁元素以铁离子的形式部分取代羟基磷灰石晶体中钙的位置，含量为1.5％。具体制备过程如下：按照(cano3)2·4h2o、fe(no3)3·9h2o、(nh4)2hpo4质量比为2.5:0.13:0.88配料，将三种原料分别配制成质量浓度为2.7％、1.1％和1.3％的水溶液；于38℃、搅拌速度为550rpm条件下将fe(no3)3·9h2o溶液缓慢加入至(cano3)2·4h2o溶液中充分混匀，再将(nh4)2hpo4溶液缓慢加入并充分混匀；然后用质量浓度为15％的稀硝酸调节体系ph值至2.2，再用质量浓度为50％的氨水调节ph值至10.1，得到反应浆料；将反应浆料采用超声-微波协同方式进行合成，具体控制参数为：超声功率为50w，超声频率为40khz，微波功率为400w，反应温度为80℃，反应时间为850s，将反应完成后的浆料室温放置6h后，用去离子水以4500rpm的转速离心清洗沉淀至ph为中性，再用无水乙醇洗涤沉淀两次；最后于温度为80℃条件下干燥12h后得到fe1.5％-ha固体粉末，产物呈棒状，大小均匀，分散性良好，其纳米级的粒径可达到40nm，sem结果如图3所示，ir结果如图6所示，xrd结果如图7所示，硬度测试结果如图8所示。
实施例4
本实施例提供一种含铁羟基磷灰石，其中铁元素以铁离子的形式部分取代羟基磷灰石晶体中钙的位置，含量为2％。具体制备过程如下：按照(cano3)2·4h2o、fe(no3)3·9h2o、(nh4)2hpo4质量比为2.4:0.41:0.89配料，将三种原料分别配制成质量浓度为2.6％、1.8％和1.3％的水溶液；于39℃、搅拌速度为600rpm条件下将fe(no3)3·9h2o溶液缓慢加入至(cano3)2·4h2o溶液中充分混匀，再将(nh4)2hpo4溶液缓慢加入并充分混匀；然后用质量浓度为15％的稀硝酸调节体系ph值至2.3，再用质量浓度为50％的氨水调节ph值至10.4，得到反应浆料；将反应浆料采用超声-微波协同方式进行合成，具体控制参数为：超声功率为50w，超声频率为50khz，微波功率为300w，反应温度为80℃，反应时间为800s，将反应完成后的浆料室温放置6h后，用去离子水以4500rpm的转速离心清洗沉淀至ph为中性，再用无水乙醇洗涤沉淀两次；最后于温度为80℃条件下干燥12h后得到fe2％-ha固体粉末，产物呈棒状，大小均匀，分散性良好，其纳米级的粒径可达到70nm，sem结果如图4所示，ir结果如图6所示，xrd结果如图7所示，硬度测试结果如图8所示。
实施例5
fe-ha陶瓷的制备方法：
将实施例1-4制备的fe-ha粉末，分别填充进制样模具中，利用自动压片机将fe-ha粉末压成圆柱状块体，试验所用压力为10mpa，保压时间1min。将压片成型的fe-ha块体，处理之后放入冷等静压试验机再次压制，试验压力为250mpa，保压时间1min。最后将块体放入马弗炉中进行烧结(试验参数：升温速度为2.5℃/min，保温温度1200℃，保温时间为2h，再以2.5℃/min降温速率降到900℃，最后随炉冷却)，得到4种fe-ha陶瓷试样。
实施例6
酸蚀实验：
将4种fe-ha陶瓷进行打磨抛光处理。然后,分别将样品放入50ml0.001mol/l的柠檬酸中。在酸蚀之前，对每个样品进行称重、利用光镜观测其形貌。酸蚀后的第7天、第14天，分别再次对样品进行称重、形貌观测，加以对比分析质量损失变化、形貌变化特征。如图9-1～9-4所示，从图中可以看出,在碱性ph＝10的条件下所制备出的fe-ha陶瓷随着浸泡天数的增加,所有试验样品质量都有所损失，并且各个试样表面的平整光洁度都有所下降。这表明陶瓷中的羟基磷灰石与柠檬酸发生了反应,消耗掉试样的部分质量。对比图9－5中曲线以及光镜图可以发现:在ha陶瓷中加入fe,能显著提高纯ha的耐酸蚀能力，其质量损失的上升趋势明显变慢。在fe含量为1.5wt％时,fe1.5％-ha表现了最优异的耐酸蚀性能；经过14天的酸蚀浸泡实验,其质量损失相对较小、试样表面平整度最好。这表明在ha中惨杂适量的fe,可以提高陶瓷的耐酸蚀性能。
实施例7
cetr摩擦磨损试验：
利用umt-3多功能摩擦磨损试验机(美国cetr公司)测试fe-ha陶瓷的耐磨性能。采用球-面接触的摩擦方式,进行往复式小位移滑动摩擦磨损试验。选用铁合金球(tc4,直径10mm)作为对磨副。
所用试验条件如下：法向载荷:fn＝20n，往复位移：d＝1.0mm，频率：f＝2hz，循环次数：n＝5000次，试验温度：25±3℃，试验环境：人工唾液。
如图10所示，试验结果表明：在纯ha中，磨痕中出现明显的剥层现象和大量磨坑；磨损表面主要为粘着磨损；通过对比可以发现，fe1.5％-ha陶瓷的磨痕明显变小，没有明显的磨坑出现，说明在ha生物陶瓷中添加fe，可以有效地改善其耐磨状况。但是，随着fe含量的增加(fe2％-ha)，磨痕区域又明显增大,磨痕深度也明显加深，这表明过量的fe元素导致了fe-ha陶瓷耐磨性能下降。
实施例8
将实施例3制备的fe-ha固体作为无机填料添加到光固化树脂中去，制备出复合树脂，发现含铁羟基磷灰石的添加可以提高复合树脂的弹性模量、纳米硬度等力学性能以及抗菌性能。
复合树脂的制备工艺如下：
首先秤取质量比为50:50的双酚a-甲基丙烯酸缩水甘油酯(bis-gma)和稀释剂单体二甲基丙烯酸三乙二醇脂(tegdma)，将其在用锡箔纸包裹的玻璃瓶中搅拌混合均匀即得树脂基体；然后秤取占树脂基体1wt.％的光引发剂备用，其中樟脑醌(cq)和4-乙基(二甲氨基)苯甲酸(4-edmab)质量比为1:4；通过双中心混合分散机进行预混，具体预混过程为：将称量好的无机填料分批少量多次加入至树脂单体中，使树脂单体润湿无机填料，再逐渐调高分散机转速，保持预混时间，最终达到混合和分散的目的；最后，在避光条件下缓慢加入光引发剂，将制备好的树脂试样均匀填充至φ4mm×6mm的硅橡胶模具中，对复合树脂正反面分别固化60s，得到复合树脂。
对该复合树脂进行力学性能测试和抗菌试验检测，其中力学性能测试采用安捷伦纳米压痕仪对复合树脂进行压痕试验，然后检测弹性模量及纳米硬度结果如图11所示，结果表明含铁羟基磷灰石作为无机填料添加到光固化树脂中，可以显著提高光固化树脂的力学性能，并且当fe1.5％-ha含量为5％时，复合树脂有最优的力学性能。
抗菌试验如下：
将10ml脑心浸液肉汤培基(bhi)入到复苏后的变异链球菌s.mutans(ua159)中，在温度为37℃，兼性厌氧条件下(70％n2+20％co2+10％h2)下进行增菌培养；培养12h后，取200ul菌液加入24孔细菌培养板中，在孔板中分别加入灭菌后的待测试的复合树脂样品和1800ulbhi，在兼性厌氧条件下培养24h；将24孔板内的菌液用pbs梯度稀释106倍，每组取looul加入到有bhi的平板中，每组3个样本，涂匀后再在兼性厌氧条件下培养24h；用计数软件选取平板菌落计数，并拍照，然后进行cfu计数。残余细菌数量结果如图12所示。结果表明：含铁羟基磷灰石作为无机填料添加到光固化树脂中，具有良好的抗菌性能，随着填料含量的提高，抗菌性能随之增强。
综上，本发明具体实施中以(cano3)2·4h2o、fe(no3)3·9h2o、(nh4)2hpo4为起始原料，采用超声-微波协同方式，通过仿生合成制备一种全新的含铁羟基磷灰石，工艺操作简单，环保安全，成本较低，适合高纯含铁羟基磷灰石的规模化量化生产。此外，本发明制备得到的含铁羟基磷灰石中铁含量可在0％-10％任意调节，产物呈棒状，大小均匀，分散性良好，其纳米级的粒径可达到40-100nm，并且具有良好耐磨性、耐酸蚀及抗菌性能，可用于牙科修复材料领域。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。