一种层析用陶瓷羟基磷灰石及其制备方法、用途与流程

1.本发明涉及化学和生物工程材料技术领域，特别是涉及一种层析用陶瓷羟基磷灰石及其制备方法、用途。


背景技术：

2.羟基磷灰石，又称羟磷灰石，碱式磷酸钙，是钙磷灰石(ca5(po4)3(oh))的自然矿物化。但是经常被写成(ca
10
(po4)6(oh)2)的形式以突出它是由两部分组成：羟基与磷灰石。-oh基能被氟化物、氯化物和碳酸根离子代替，生成氟基磷灰石或氯基磷灰石。晶体状羟基磷灰石已经被广泛用于生物活性物的分析、制备及工业化生产。由于晶体状羟基磷灰石的晶体结构强度的原因限制了其在工业化生产的流速和规模。
3.用于柱状色谱法的羟基磷灰石的制备方法首先由tiselius等人发明(《生物化学与生物物理文献》，65:132-155(1956))。填充在用于色谱柱中的羟基磷灰石可通过多种方法制备而成。结晶羟基磷灰石通常通过使水溶性钙盐和磷酸盐在水溶液中发生反应的湿法合成来合成。接着对形成的羟基磷灰石进行粒化以获得微粒。通过常规工艺制备的羟基磷灰石具有以下缺点：1)颗粒形状和大小不规则；2)机械强度低；3)热处理后晶体表面活性位点的水平低。因此，使用羟基磷灰石进行色谱分离受到很大限制。
4.20世纪80年代，科学家通过高温烧结的手段得到更加坚固、多孔的羟基磷灰石材料，这使得羟基磷灰石材料在规模化工业生产中能够承受更高的流速和压力，极大的提高了生产的效率。这种经过高温处理的羟基磷灰石材料就是俗称的陶瓷羟基磷灰石。现在陶瓷羟基磷灰石已经被广泛地应用于生物大分子的纯化制备，重金属离子的吸附去除以及骨修复材料中。但是，现有工艺制得的陶瓷羟基磷灰石颗粒不均、机械性能差、比表面积小、结合特异性差，在应用于层析时容易出现载量低、分离性能差、反压高、颗粒易碎强度不高、使用次数少的现象。因此，需要一种新的制备工艺来获得材料颗粒球形均匀、机械性能强、比表面积大、结合特异性好的陶瓷羟基磷灰石。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种层析用陶瓷羟基磷灰石及其制备方法、用途，用于解决现有陶瓷羟基磷灰石颗粒不均、机械性能差、比表面积小、结合特异性差的问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种层析用陶瓷羟基磷灰石的制备方法，包括以下步骤：
7.1)将氢氧化钙和磷酸反应，加入碱化剂终止反应，得浆料；反应中所用的反应容器可以是喷射多功能反应器、乳化反应器或反应釜；
8.2)将所述浆料与添加剂混合均匀，得混合浆料；
9.3)将所述混合浆料喷雾造粒，得颗粒料；使用喷雾干燥机喷雾制粒，通过控制喷雾塔进风温度和雾化器转速或气流雾化的进气压力得到合适的颗粒；4)烧结所述颗粒料，即
制得所述层析用陶瓷羟基磷灰石。
10.本发明采用分析纯原料在的洁净条件下，严格按照制备步骤并控制反应条件来生产，获得的陶瓷羟基磷灰石具备优异的批次稳定性和纯化结合特征；材料颗粒球形均匀，机械性能强，比表面积大，结合特异性好。
11.本发明的合成路线如下：
12.10ca(oh)2+6h3po4＝(ca)
10
(oh)2(po4)6+h2o。
13.优选地，步骤1)中，所述碱化剂选自氨水、碱金属氢氧化物、磷酸二氢铵和磷酸氢二铵中的一种或多种。
14.优选地，反应温度为30～70℃，如具体为30～35℃，35～37℃，37～50℃，50～70℃。
15.优选地，终止反应的ph为7.5～11，如具体为7.5～8.0，8.0～8.5，8.5～10，10～11。
16.优选地，所述浆料的粒径为0.05～10μm，如具体为0.05～1μm，0.05～1μm，0.05～1μm，0.05～1μm。在步骤1)的反应过程中，通过控制反应速度、温度、搅拌转速等参数控制最终浆料的颗粒大小，或者反应完毕使用球磨机或高压匀浆机控制最终反应颗粒大小。
17.优选地，所述氢氧化钙和磷酸的钙磷原子比为1.5～1.67，如具体为1.5～1.60，1.60～1.63，1.63～1.67。
18.优选地，步骤2)中还包括陈化工序，所述表面活性剂、造孔剂和粘合剂于陈化后、喷雾造粒前加入。
19.优选地，步骤2)中，所述添加剂选自表面活性剂、造孔剂和粘合剂中的一种或多种。
20.所述表面活性剂选自阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性剂中的一种或多种。更优选地，所述表面活性剂选自聚丙烯酸铵类、吐温、十二烷基磺酸钠聚乙烯、聚乙烯醇(pva)和n-甲基吡咯烷酮(nmp)中的一种或多种。
21.优选地，所述造孔剂的沸点低于300℃。更优选地，所述造孔剂选自硫酸铵和聚乙烯吡咯烷酮(pvp)中的一种或多种。
22.优选地，所述粘合剂选自甲基纤维素类和聚乙烯吡咯烷酮类的化合物中的一种。更优选地，所述粘合剂选自羧甲基纤维素和聚乙烯吡咯烷酮(pvp)的一种或两种。
23.优选地，以所述浆料总重量为基准，所述添加剂的加入量为0.05～0.5wt％，如具体为0.05～0.06wt％，0.06～0.1wt％，0.1～0.4wt％，0.4～0.5wt％。
24.优选地，步骤3)中，所述颗粒料的粒径为20～80μm，如具体为20～40μm，40～60μm，60～80μm，可使用超声波筛分机，对颗粒的粒级进行筛分。
25.优选地，步骤4)中，烧结温度为350～850℃，如具体为350～380℃，380～400℃，400～680℃，680～700℃，700～850℃。
26.优选地，烧结升温速率为1～10℃/min，如具体为1～3℃/min，3～5℃/min，5～8℃/min，8～10℃/min。
27.本发明的目的之二在于提供一种由上述任一所述的制备方法制得的层析用陶瓷羟基磷灰石。
28.优选地，当步骤4)中的烧结温度为350～450℃时，所述层析用陶瓷羟基磷灰石为i
型陶瓷羟基磷灰石，所述i型陶瓷羟基磷灰石的蛋白载量大于25mg/ml。更优选为400℃，该温度下可以实现充分烧结，得到更为均匀的球形颗粒。
29.当步骤4)中的烧结温度为600～850℃时，所述层析用陶瓷羟基磷灰石为ii型陶瓷羟基磷灰石，所述ii型陶瓷羟基磷灰石的蛋白载量大于12.5mg/ml
30.。更优选为700℃，该温度下可以实现充分烧结，得到更为均匀的球形颗粒。
31.优选地，所述层析用陶瓷羟基磷灰石的堆密度为0.60～0.90g/ml，如具体为0.60～0.62g/ml，0.62～0.66g/ml，0.66～0.68g/ml，0.68～0.75g/ml，0.75～0.90g/ml。
32.本发明的目的之三在于提供一种层析用陶瓷羟基磷灰石作为层析柱填料用于纯化蛋白和/或核酸的用途。本发明的层析用陶瓷羟基磷灰石可用于生物大分子纯化。
33.优选地，所述层析用陶瓷羟基磷灰石为i型陶瓷羟基磷灰石，用于纯化酸性蛋白。
34.优选地，所述层析用陶瓷羟基磷灰石为ii型陶瓷羟基磷灰石，用于纯化早期洗脱蛋白、免疫球蛋白和/或核酸。
35.本发明制得的i型和ii型陶瓷羟基磷灰石本质上都是羟基磷灰石，两种类型的陶瓷羟基磷灰石的结合和洗脱特征和晶体羟基磷灰石类似，但是在三个方面有比较明显的差异：(1)i型的蛋白载量高，且对酸性蛋白载量更高；(2)ii型的蛋白载量较低，对早期洗脱蛋白以及核酸的分辨率较佳；(3)由于ii型对白蛋白的亲和力很低，它通常比i型更适于纯化多种类的免疫球蛋白。
36.如上所述，本发明的层析用陶瓷羟基磷灰石及其制备方法、用途，具有以下有益效果：制备工艺简单，对设备无特殊要求，产品批次稳定性好，易于产业化；采用本发明的制备方法制得的层析用陶瓷羟基磷灰石颗粒球形均匀，机械性能强，比表面积大，结合特异性好，可以作为层析柱填料用于纯化蛋白和/或核酸。
附图说明
37.图1显示为实施例1制备得到的i型陶瓷羟基磷灰石的傅里叶变换红外(ft-ir)光谱。
38.图2显示为实施例2制备得到的i型陶瓷羟基磷灰石的傅里叶变换红外(ft-ir)光谱。
39.图3显示为实施例3制备得到的ii型陶瓷羟基磷灰石的傅里叶变换红外(ft-ir)光谱。
40.图4显示为实施例4制备得到的ii型陶瓷羟基磷灰石的傅里叶变换红外(ft-ir)光谱。
41.图5显示为ii型陶瓷羟基磷灰石标准品的傅里叶变换红外(ft-ir)光谱。
42.图6显示为应用实施例1-2和应用对比例的hpv疫苗纯化效果图。
具体实施方式
43.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
44.须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置。
45.此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
46.本技术以下实施例中，堆密度的测试方法参照标准号：astm d7481-2009利用量筒测定松散和堆粉密度的标准试验方法。
47.本技术以下实施例中，溶菌酶动态载量的测试采用动态吸附容量(dbc)测试(不同驻留时间)：
48.使用akta pure层析系统编程进行实验，设定检测波长为280nm，deltacp为0.3mpa，将层析柱接入系统，设定流速为1.0ml/min，用流动相b淋洗10cv，用流动相a1平衡15cv；上样流速分别设置为0.33ml/min，0.25ml/min，0.2ml/min，0.16ml/min(驻留时间分别对应3min，4min，5min，6min)，上样至280nm处吸收值为90mau；设定梯度洗脱流动相100％b，流速1.0ml/min，洗脱至基线平，收集洗脱液；最后，使用流动相a1再生10ml，流速1.0ml/min。
49.球形颗粒的羟基磷灰石的得率的测试方法如下：
50.通过超声波震荡筛筛分和显微镜观察相结合的方法，计算球形颗粒的得率。
51.实施例1
52.本实施例提供了一种i型羟基磷灰石的制备方法，包括以下步骤：
53.1)取10千克的分析纯氢氧化钙(含量99.0％)和8.37升分析纯磷酸(含量大于85％)，经计算其中钙磷原子比为1.67，加入100l反应釜中进行反应，反应控制温度为37℃乳化器转速为1000转/分钟，并加入1000ml氨水控制反应终点的ph值为8.0；反应完毕使用球磨机和高压匀浆机控制最终反应得到的浆料的颗粒大小为0.1～10μm；
54.2)在浆料中加入9.6ml的表面活性剂吐温20(0.05％)和2g的聚乙烯吡咯烷酮pvp(k30)(0.01％)陈化2天，得混合浆料；聚乙烯吡咯烷酮pvp在反应体系中同时作为粘合剂和造孔剂使用；
55.3)使用喷雾干燥机将混合浆料喷雾制粒，其中喷雾塔进风温度为200摄氏度和雾化器转速为23000转/分钟，得到合适的颗粒料；使用超声波筛分机，对颗粒进行筛分，得到20μm、40μm、80μm的颗粒料；
56.5)将得到的颗粒料于380℃进行烧结得到i型陶瓷羟基磷灰石；烧结升温速度10℃每分钟，保温6h，制得i型羟基磷灰石。
57.经测试，该实施例得到的羟基磷灰石的堆密度为0.68g/ml，溶菌酶动态载量为35mg/ml，傅里叶变换红外(ft-ir)光谱如图1所示，从图1可以看出，该实施例得到的羟基磷灰石含有1092cm-1
，1047cm-1
，963cm-1
，667cm-1
，632cm-1
，603cm-1
，572cm-1
等特征峰，与羟基磷
灰石的红外标准图谱一致。
58.实施例2
59.本实施例提供了一种i型羟基磷灰石的制备方法，包括以下步骤：
60.1)取10千克的分析纯氢氧化钙(含量99.0％)和8.71升分析纯磷酸(含量大于85％)，经计算其中钙磷原子比为1.60，加入100l反应釜中进行反应，反应控制温度为30℃，搅拌转速为400转/分钟，并加入1200ml氨水控制反应终点的ph值为8.5；反应完毕使用球磨机和高压匀浆机控制最终反应得到的浆料的颗粒大小为0.1～5μm；
61.2)在浆料中加入10g的表面活性剂orotan 963(0.2％)和2g的造孔剂硫酸铵(0.1％)和2克的粘合剂羧甲基纤维素(0.1％)陈化2天，得混合浆料；
62.3)使用喷雾干燥机将混合浆料喷雾制粒，其中喷雾塔进风温度为200摄氏度和雾化器转速为23000转/分钟，得到合适的颗粒料；使用超声波筛分机，对颗粒进行筛分，得到20μm、40μm、80μm的颗粒料；
63.5)将得到的颗粒料于400℃进行烧结得到i型陶瓷羟基磷灰石；烧结升温速度5℃每分钟，保温5h，制得i型羟基磷灰石；
64.经测试，该实施例得到的i型羟基磷灰石的堆密度为0.62g/ml，溶菌酶动态载量为33mg/ml，傅里叶变换红外(ft-ir)光谱如图2所示，从图2可以看出，该实施例得到的i型羟基磷灰石含有1092cm-1
，1047cm-1
，963cm-1
，667cm-1
，632cm-1
，603cm-1
，572cm-1
等特征峰，与图5所示的ii型羟基磷灰石的红外标准图谱一致。
65.实施例3
66.本实施例提供了一种ii型羟基磷灰石的制备方法，包括以下步骤：
67.1)取10千克的分析纯氢氧化钙(含量99.0％)和8.37升分析纯磷酸(含量大于85％)，经计算其中钙磷原子比为1.67，加入100l反应釜中进行反应，反应控制温度为37℃，搅拌转速为400转/分钟，并加入1200ml氨水控制反应终点的ph值为8.5，反应完毕使用球磨机和高压匀浆机控制最终反应得到的浆料的颗粒大小为0.1～5μm；
68.2)在浆料中加入10g的表面活性剂聚乙烯醇pva(0.04％)和2g的造孔剂硫酸铵(0.01％)陈化2天，得混合浆料；
69.3)使用喷雾干燥机将混合浆料喷雾制粒，其中喷雾塔进风温度为200摄氏度和雾化器转速为23000转/分钟，得到合适的颗粒料；使用超声波筛分机，对颗粒进行筛分，得到20μm、40μm、80μm的颗粒料；
70.5)将得到的颗粒料于680℃进行烧结得到ii型陶瓷羟基磷灰石；烧结升温速度10℃每分钟，保温6h，制得ii型羟基磷灰石；
71.经测试，该实施例得到的ii型羟基磷灰石的堆密度为0.68g/ml，溶菌酶动态载量为23mg/ml，傅里叶变换红外(ft-ir)光谱如图3所示，从图3可以看出，该实施例得到的ii型羟基磷灰石含有3572cm-1
，1092cm-1
，1047cm-1
，963cm-1
，667cm-1
，632cm-1
，603cm-1
，572cm-1
等特征峰，与图5所示的ii型羟基磷灰石的红外标准图谱一致。
72.实施例4
73.本实施例提供了一种ii型羟基磷灰石的制备方法，包括以下步骤：
74.1)取10千克的分析纯氢氧化钙(含量99.0％)和8.55升分析纯磷酸(含量大于85％)，经计算其中钙磷原子比为1.63，加入100l反应釜中进行反应，反应控制温度为35℃
乳化器转速为1000转/分钟，并加入1000ml氨水控制反应终点的ph值为8.0，反应完毕使用球磨机和高压匀浆机控制最终反应得到的浆料的颗粒大小为0.1～5μm；
75.2)在浆料中加入10g的表面活性剂n-甲基吡咯烷酮(0.3％)和2克的聚乙烯吡咯烷酮pvp(k15)(0.2％)陈化2天，得混合浆料；聚乙烯吡咯烷酮pvp在反应体系中同时作为粘合剂和造孔剂使用；
76.3)使用喷雾干燥机将混合浆料喷雾制粒，其中喷雾塔进风温度为200摄氏度和雾化器转速为23000转/分钟，得到合适的颗粒料；使用超声波筛分机，对颗粒进行筛分，得到20μm、40μm、80μm的颗粒料；
77.5)将得到的颗粒料于700℃进行烧结得到ii型陶瓷羟基磷灰石；烧结升温速度10℃每分钟，保温5h，制得ii型羟基磷灰石；
78.经测试，该实施例得到的ii型羟基磷灰石的堆密度为0.66g/ml，溶菌酶动态载量为20mg/ml，傅里叶变换红外(ft-ir)光谱如图4所示，从图4可以看出，该实施例得到的ii型羟基磷灰石含有3572cm-1
，1092cm-1
，1047cm-1
，963cm-1
，667cm-1
，632cm-1
，603cm-1
，572cm-1
等特征峰，与图5所示的ii型羟基磷灰石的红外标准图谱一致。
79.对比例1
80.对比例1与实施例1的区别在于，所述氢氧化钙和磷酸的钙磷原子比为1.40，其余工艺完全相同。
81.该对比例无法得到羟基磷灰石，得到的是磷酸三钙或者其它形式的磷酸钙或者是磷酸钙类混合物。
82.对比例2
83.对比例2与实施例1的区别在于，所述氢氧化钙和磷酸的钙磷原子比为1.80，其余工艺完全相同。
84.该对比例无法得到羟基磷灰石，得到的是磷酸四钙或者其它形式的磷酸钙或者是磷酸钙类混合物磷酸三钙或者其它形式的磷酸钙或者是磷酸钙类混合物。
85.对比例3
86.对比例3与实施例1的区别在于，步骤2)中未添加粘合剂pvp(k30)，其余工艺完全相同。
87.该对比例制得的球形颗粒的羟基磷灰石的得率低、机械强度低。
88.对比例4
89.对比例4与实施例1的区别在于，步骤2)中未添加聚乙烯吡咯烷酮pvp(k30)，其余工艺完全相同。
90.该对比例制得的羟基磷灰石的堆密度大于0.90g/ml。
91.对比例5
92.对比例5与实施例1的区别在于，步骤2)中未添加表面活性剂吐温20，其余工艺完全相同。
93.该对比例制得的球形颗粒的羟基磷灰石的得率低，不足10％。
94.对比例6
95.对比例6与实施例2的区别在于，步骤2)中未添加表面活性剂orotan 963，其余工艺完全相同。
96.该对比例制得的球形颗粒的羟基磷灰石的得率低，不足10％。
97.由上述实施例和对比例可以看出，本发明提供的制备方法所获得的陶瓷羟基磷灰石具有颗粒球形均匀，机械性能强，比表面积大，结合特异性好的技术效果。
98.应用实施例1
99.采用实施例3制备得到的ii型羟基磷灰石作为层析柱填料用于hpv疫苗纯化，操作步骤具体如下：
100.1)层析柱规格为取200ml填料装填于层析柱中，用1-2cv纯水充分洗涤填料，然后用2cv的0.5mol/l的naoh清洗，再用纯水洗涤至中性。最后用a液平衡4～5cv至基线平衡；
101.2)hpv样品上样，上样结束用a液平衡至基线平衡；
102.3)用b液洗脱。
103.应用实施例2
104.应用实施例2与应用实施例1的区别在于，层析柱填料采用实施例4制备得到的ii型羟基磷灰石。
105.应用对比例
106.应用对比例与应用实施例1的区别在于，层析柱填料采用进口bio-rad品牌cht 40um type ii，其余工艺完全相同。
107.应用实施例1-2和应用对比例的hpv疫苗纯化分离效果如图6所示，图6中1号泳道为蛋白marker；2号泳道为hpv发酵液上清；3号泳道为hpv上样样品；4号泳道为进口某bio-rad品牌cht 40um type ii洗脱样品；5号泳道为进口bio-rad品牌cht 40um type ii流穿样品；6号泳道为hpv上样样品；7号泳道为实施例3的ii型羟基磷灰石i和10号泳道为自产cht 40um type ii洗脱样；8号泳道为实施例3的ii型羟基磷灰石i流穿样品；9号泳道为hpv上样样品；7号泳道为实施例4的ii型羟基磷灰石i洗脱样品。
108.从图6中可以看出本发明实施例3和实施例4所制得的ii型羟基磷灰石的纯化分离效果略好于进口bio-rad品牌cht 40um type ii，实施例3和实施例4的ii型羟基磷灰石的蛋白载量分别为24mg/ml和25mg/ml，bio-rad为18mg/ml。实施例3和实施例4的柱压力在流速10ml/min的情况下为0.15mpa，bio-rad为0.18mpa，显示本发明的工艺制备得到的羟基磷灰石的球形颗粒更均匀。
109.以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。