專利名稱:四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結構納米粒子及其制備方法
技術領域:
本發明涉及一種帶磁性能的生物活性納米粒子的制備方法,尤其涉及一種四氧化 三鐵/磷酸鈣核殼結構納米粒子的制備方法;本發明還涉及一種帶磁性能的生物活性納米 粒子,該復合粒子可用于磁場作用下細胞調控與骨修復工程。
背景技術:
隨著納米技術的飛速發展,納米磁性?6304作為一種功能材料,其制備工藝及其產 物性質的研究受到很大的重視。納米磁性Fe304除在物理、化學方面具有納米材料的介觀特 性之外,還具有其特殊的磁性能——介觀磁性,主要有量子尺寸效應、超順磁性、磁有序顆 粒的小尺寸效應、宏觀量子隧道效應等。磁性粒子在細胞分離、固定化酶、靶向藥物、蛋白質 提純、核酸分離、生物標記以及臨床診斷等領域有著廣泛應用。 磷酸鈣生物陶瓷主要包括羥基磷灰石(HAP)、磷酸三鈣(a -TCP, P -TCP)、焦磷酸 牽丐(CPPD)、磷酸四f丐(TTCP)、五水磷酸八f丐(OCP)、透f丐磷石(DCPD)、無水磷酸二f丐(DCPA) 和無定形磷酸鈣(ACP)及其混合物等。在目前科學研究和臨床應用的組織替換生物材料 中,磷酸鈣類生物陶瓷材料占有較大的比重。從自然骨的微觀結構上看,骨是由納米磷酸鈣 鹽晶體彌散分布在膠原蛋白纖維及其它生物高分子中構成的連續多相復合體。磷酸鈣陶瓷 具有與骨骼礦化物類似的成分、表面及體相結構,具有良好的生物相容性和生物活性,對人 體無毒、無害、無致癌作用,植入人體后可通過體內的生化反應與自然骨形成牢固的骨性結 合,部分磷酸鈣陶瓷還具有引導骨細胞粘附和生長的功能,是理想的骨修復材料。尤其是 13 -TCP,其在人體中能夠通過正常的新陳代謝途徑釋放Ca2+和P043—到體液中,誘導植入體 周圍形成新的骨組織,并為新骨的生成提供生理營養成分,因此不僅具有較好的骨傳導能 力,而且會與骨形態蛋白(BMP)產生較強的親和性以及與骨組織形成直接的生物鍵合,表 現出很強的生物活性。 將具有生物活性的物質包覆在磁性納米四氧化三鐵表面例如Akira Ito等使用 脂質體包覆四氧化三鐵,將此顆粒與H印G2和NIH3T3細胞共培養,使顆粒貼附在細胞,在 外加磁場的作用下,細胞能多層緊密貼附,從而提高了單位體積內細胞的密度。(JOURNAL OFBIOSCIENCE AND BIOENGINEERING。 Vol. 104,No.5,371-378. 2007) 利用溶膠凝膠法使磷酸鈣包覆在四氧化三鐵上形成核殼結構,結合納米四氧化三 鐵的超順磁性與磷酸鈣良好的生物相容性與生物活性的生物復合材料還未見有人報道。
發明內容
本發明的目的是提供一種四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結構納米粒子的制備方法,使 磷酸鈣相的結晶度和純度很高,可為骨細胞的粘附、生長和增殖提供更適宜的條件;本發明 的另一 目的是提供一種仿生的四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結構納米粒子,該復合粒子兼具了 四氧化三鐵的超順磁性以及磷酸鈣的生物相容性。 本發明提供的一種四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結構納米粒子的制備方法,其特征在于,包括以下步驟 (1)磁流體的制備把氯化鐵和氯化亞鐵按摩爾比1. 5 2混合加入去離子水中配 成鐵離子濃度為0. 425mol/L的溶液,在機械攪拌的同時往里滴加3mol/L NaOH溶液,使其 按照計量式反應;用磁鐵收集制得的四氧化三鐵,反應完成后用去離子水和乙醇沖洗各3 次,將其在6(TC干燥12小時即得四氧化三鐵納米粒子;將制得的四氧化三鐵納米粒子放于 質量濃度0. 1 0. 5g/L檸檬酸鈉溶液中機械攪拌12h,其中四氧化三鐵納米粒子質量(g) 與檸檬酸鈉溶液體積(ml)比為l : 10 1 : 100,離心機中10000R/min離心分離去除上 層清液,然后再用去離子水離心分離2次去除上層清液;再加入去離子水離心機中10000R/ min離心分離得到上層清液,上層清液為質量濃度1. 05%的穩定的四氧化三鐵磁流體。
(2)前驅體溶膠的制備在室溫下把含鈣離子為2mol/L的水溶液滴加到已充分水 解的質量分數為46. 7%、用硝酸調節的pH值在1 5之間的磷酸鹽乙醇溶液中,形成混合 溶液,鈣磷比調節范圍為1. 0 1. 6,混合溶液攪拌2h后置于_18°〇的環境下陳化7天得到 前驅體溶膠。 (3)磁流體與溶膠的混合以及干燥將(1)步驟制得的磁流體加入到(2)步驟制得 的溶膠中,其體積比為l : 1 1 : 2,于30 8(TC超聲,經過100 15(TC干燥得到粉末。
(4)高溫燒結將(3)步驟制得的粉末在馬弗爐中燒結,從室溫以1 5°C /min的 速度升溫,使溫度達到600 130(TC進行燒結,燒結時間為1 12h,然后以1 l(TC /min 降溫到室溫,燒結過程中采用惰性保護氣體進行保護,其中惰性保護氣體包括高純氮、高純 氬的一種或兩種組合。 本發明提方法供鈣元素的鈣鹽包括硝酸鈣、氯化鈣、醋酸鈣、乳酸鈣、檸檬酸鈣的 一種或多種組合,提供磷元素的磷酸鹽包括三甲基磷酸、三乙基磷酸、三丁基磷酸、五氧化 二磷、磷酸二氫銨、磷酸氫二銨的一種或多種的組合。 本發明的四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結構納米粒子,其特征在于,磷酸鈣包覆納米 四氧化三鐵,復合納米粒子粒徑在80 120nm,作為核的四氧化三鐵納米粒子粒徑8 60nm,核與殼重量百分比10 30%。 本發明通過溶膠-凝膠法制得的四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結構納米粒子,其特征 在于,所述磷酸鈣為e-磷酸三鈣。 四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結構納米粒子形貌為圓形、橢圓形或不規則形狀。
(i)本發明通過控制氯化鐵和氯化亞鐵的比例,反應ra值以及加入氫氧化鈉的量
合成了高純度的四氧化三鐵納米顆粒;并且通過表面改性加強了四氧化三鐵在水溶液中的 分散性,制備出了分散均勻的磁流體。
(2)本發明通過嚴格控制前驅體溶膠的初始鈣磷比、調節反應體系的酸堿度,溶膠
的陳化溫度和時間,以及纖維的煅燒溫度和時間,溶液的酸堿性可以有效的控制燒結產物
的成分,并避免CaO雜相的生成,最終可獲得高純度、高結晶度的13 -TCP。
(3)本發明結合了四氧化三鐵和磷酸鈣各自的特點,使粒子能在磁場的作用下有
目的的調節細胞生長方式,還可以為骨細胞的粘附、生長和增殖提供適宜的環境,能有效促
進骨組織的修復和再生。 (4)本發明所述四氧化三鐵/磷酸鈣核殼納米粒子可逐步被人體部分或完全吸 收,在修復區域能夠釋放出大量鈣磷元素,加快生物礦化過程,促進新骨的形成。
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(5)本發明所采用的制備和加工方法簡單,可控性強,能用于工業化生產。
圖1是實施例1所述四氧化三鐵/磷酸f丐納米粒子的XRD圖;
圖2是實施例1所述四氧化三鐵/磷酸f丐納米粒子的TEM圖;
圖3是實施例1所述四氧化三鐵/磷酸f丐納米粒子的VSM圖。
具體實施方式
實施例1 (1)將9. 197g六水氯化鐵與4. 335g四水氯化亞鐵(摩爾比2 : 1)和80ml去離 子水混合,在4(TC水浴下機械攪拌,往里滴加80ml3mol/L的氫氧化鈉溶液,反應完成后用 磁鐵收集制的的四氧化三鐵,用去離子水和乙醇沖洗各3次。6(TC下干燥12h得到四氧化 三鐵納米粒子。將0. 2g四氧化三鐵納米粒子,lg檸檬酸鈉和20ml去離子水混合在4(TC水 浴下機械攪拌12h,10000r/min轉速離心分離去除上層清液,加入去離子水再次分離去除 上層清液,倒入30ml去離子水離心分離得到上層清液,即為質量濃度1. 05%的穩定的四氧 化三鐵磁流體。 (2)將3. 643g磷酸三乙酯、2. 76g乙醇和1. 08g去離子水混合配成溶液,并滴加硝 酸調節溶液pH = l,在8(TC下劇烈攪拌水解48h,按照Ca/P = 1. 6的化學計量比緩慢滴加 2mol/L硝酸鈣的水溶液,混合溶液攪拌2h后置于-18°C的環境下陳化7天。
(3)將步驟(1)制得的磁流體30ml加入到步驟(2)的30ml溶膠中于3(TC超聲, 經過IO(TC干燥得到粉末。 (4)將粉末置于碳化爐中在130(TC氮氣保護燒結2小時,升溫速度為5°C /min,以 5°C /min的降溫速度冷卻,燒結過程中采用惰性保護氣體進行保護,其中惰性保護氣體為 高純氮。 即可得到Fe304/ P -TCP核殼結構納米粒子。 其四氧化三鐵/磷酸f丐核殼結構納米粒子的XRD圖參見圖1 ;四氧化三鐵/磷酸 鈣核殼結構納米粒子的TEM圖參見圖2 ;四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結構納米粒子的VSM圖 參見圖3,從圖中可得四氧化三鐵納米粒子為圓形或橢圓形,粒徑8 60nm,復合納米粒子 粒徑在80 120nm,磷酸鈣為P -磷酸三鈣,核與殼重量百分比10 30% 。實施例2
(1)將9. 197g六水氯化鐵與4. 621g四水氯化亞鐵和80ml去離子水混合,在4(TC 水浴下機械攪拌,往里滴加70ml 3mol/L的氫氧化鈉溶液,反應完成后用磁鐵收集制的的 四氧化三鐵,用去離子水和乙醇沖洗各3次。6(TC下干燥12h得到四氧化三鐵納米粒子。將 0. 8g四氧化三鐵,lg檸檬酸鈉和20ml去離子水混合在4(TC水浴下機械攪拌12h, 10000r/ min轉速離心分離去除上層清液,加入去離子水再次分離去除上層清液,倒入30ml去離子 水離心分離得到上層清液,即為質量濃度1. 05%的穩定的四氧化三鐵磁流體。
(2)將3. 643g三乙基磷酸、2. 76g乙醇和1. 08g去離子水混合配成溶液,并滴加硝 酸調節溶液pH = 2在8(TC下劇烈攪拌水解48h,按照Ca/P = 1. 4的化學計量比緩慢滴加 2mol/L硝酸鈣的水溶液,混合溶液攪拌2h后置于-18°C的環境下陳化7天。
(3)將30ml磁流體加入到35ml溶膠中于4(TC超聲,經過12(TC干燥得到粉末。
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(4)將粉末置于碳化爐中在110(TC氮氣保護燒結4小時,升溫速度為3°C /min,以 l(TC /min的降溫速度冷卻,燒結過程中采用惰性保護氣體進行保護,其中惰性保護氣體高 純氬,即可得到Fe304/ 13 -TCP核殼結構納米粒子。其四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結構納米粒 子的XRD圖、TEM圖、VSM圖與實施例1基本相同。
實施例3 (1)將9. 197g六水氯化鐵與5. 124g四水氯化亞鐵和80ml去離子水混合,在40°C 水浴下機械攪拌,往里滴加60ml 3mol/L的氫氧化鈉溶液,反應完成后用磁鐵收集制的的 四氧化三鐵,用去離子水和乙醇沖洗各3次。6(TC下干燥12h得到四氧化三鐵納米粒子。將 1. 0g四氧化三鐵,lg檸檬酸鈉和20ml去離子水混合在4(TC水浴下機械攪拌12h, lOOOOr/ min轉速離心分離去除上層清液,加入去離子水再次分離去除上層清液,倒入30ml去離子 水離心分離得到上層清液,即為質量濃度1. 05%的穩定的四氧化三鐵磁流體。
(2)將3. 643g三丁基磷酸、2. 76g乙醇和1. 08g去離子水混合配成溶液,并滴加硝 酸調節溶液pH = 4在8(TC下劇烈攪拌水解48h,按照Ca/P = 1. 2的化學計量比緩慢滴加 2mol/L硝酸鈣的水溶液,混合溶液攪拌2h后置于-18°C的環境下陳化7天。
(3)將30ml磁流體加入到45ml溶膠中于6(TC超聲,經過13(TC干燥得到粉末。
(4)將粉末置于碳化爐中在90(TC氮氣保護燒結1小時,升溫速度為2°C /min,以 TC /min的降溫速度冷卻,燒結過程中采用惰性保護氣體進行保護,其中惰性保護氣體高 純氬,即可得到Fe304/ 13 -TCP核殼結構納米粒子。其四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結構納米粒 子的XRD圖、TEM圖、VSM圖與實施例1基本相同。
實施例4 (1)將9. 197g六水氯化鐵與5. 78g四水氯化亞鐵和80ml去離子水混合,在4(TC水 浴下機械攪拌,往里滴加50ml 3mol/L的氫氧化鈉溶液,反應完成后用磁鐵收集制的的四 氧化三鐵,用去離子水和乙醇沖洗各3次。6(TC下干燥12h得到四氧化三鐵納米粒子。將 2g四氧化三鐵,lg檸檬酸鈉和20ml去離子水混合在4(TC水浴下機械攪拌12h, 10000r/min 轉速離心分離去除上層清液,加入去離子水再次分離去除上層清液,倒入30ml去離子水離 心分離得到上層清液,即為質量濃度1. 05%的穩定的四氧化三鐵磁流體。
(2)將3. 643g磷酸二氫銨、2. 76g乙醇和1. 08g去離子水混合配成溶液,并滴加硝 酸調節溶液pH = 5在8(TC下劇烈攪拌水解48h,按照Ca/P = 1. 6的化學計量比緩慢滴加 2mol/L硝酸鈣的水溶液,混合溶液攪拌2h后置于-18°C的環境下陳化7天。
(3)將30ml磁流體加入到60ml溶膠中于8(TC超聲,經過15(TC干燥得到粉末。
(4)將粉末置于碳化爐中在60(TC氮氣保護燒結12小時,升溫速度為1°C /min,以 TC /min的降溫速度冷卻,燒結過程中采用惰性保護氣體進行保護,其中惰性保護氣體包 括高純氮、高純氬兩種組份,即可得到Fe304/ 13 -TCP核殼結構納米粒子。其四氧化三鐵/磷 酸鈣核殼結構納米粒子的XRD圖、TEM圖、VSM圖與實施例1基本相同。
權利要求
一種四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結構納米粒子的制備方法,其特征在于,包括以下步驟(1)磁流體的制備把氯化鐵和氯化亞鐵按摩爾比1.5~2混合加入去離子水中配成鐵離子濃度為0.425mol/L的溶液,在機械攪拌的同時往里滴加3mol/L NaOH溶液,使其按照計量式反應;用磁鐵收集制得的四氧化三鐵,反應完成后用去離子水和乙醇沖洗各3次,將其在60℃干燥12小時即得四氧化三鐵納米粒子;將制得的四氧化三鐵納米粒子放于質量濃度0.1~0.5g/L檸檬酸鈉溶液中機械攪拌12h,其中四氧化三鐵納米粒子質量g與檸檬酸鈉溶液體積ml比為1∶10~1∶100,離心機中10000R/min離心分離去除上層清液,然后再用去離子水離心分離2次去除上層清液;再加入去離子水離心機中10000R/min離心分離得到上層清液,上層清液為質量濃度1.05%的穩定的四氧化三鐵磁流體。(2)前驅體溶膠的制備在室溫下把含鈣離子為2mol/L的水溶液滴加到已充分水解的質量分數為46.7%、用硝酸調節的pH值在1~5之間的磷酸鹽乙醇溶液中,形成混合溶液,鈣磷比調節范圍為1.0~1.6,混合溶液攪拌2h后置于-18℃的環境下陳化7天得到前驅體溶膠。(3)磁流體與溶膠的混合以及干燥將(1)步驟制得的磁流體加入到(2)步驟制得的溶膠中,其體積比為1∶1~1∶2,于30~80℃超聲,經過100~150℃干燥得到粉末。(4)高溫燒結將(3)步驟制得的粉末在馬弗爐中燒結,從室溫以1~5℃/min的速度升溫,使溫度達到600~1300℃進行燒結,燒結時間為1~12h,然后以1~10℃/min降溫到室溫,燒結過程中采用惰性保護氣體進行保護,其中惰性保護氣體包括高純氮、高純氬的一種或兩種組合。
2. 按照權利要求1的制備方法,其特征在于,提供鈣離子的鹽包括硝酸鈣、氯化鈣、醋 酸鈣、乳酸鈣、檸檬酸鈣的一種或多種組合。
3. 按照權利要求l的制備方法,其特征在于,所述磷酸鹽包括三甲基磷酸、三乙基磷 酸、三丁基磷酸、五氧化二磷、磷酸二氫銨、磷酸氫二銨的一種或多種的組合。
4. 按照權利要求3四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結構納米粒子,其特征在于,磷酸鈣包覆 納米四氧化三鐵,復合納米粒子粒徑在80 120nm,作為核的四氧化三鐵納米粒子粒徑8 60nm,核與殼重量百分比10 30%。
5. 按照權利要求4的四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結構納米粒子,其特征在于,所述磷酸鈣 為P-磷酸三鈣。
全文摘要
本發明公開了一種四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結構納米粒子的制備方法;作為核結構的四氧化三鐵利用共沉淀法制得,通過對其表面修飾改性制備出在水中分散性良好的磁流體。配置鈣鹽與磷酸鹽摩爾比為1.0~1.6的混合溶液,調節溶液pH值1~10于低溫陳化形成前軀體溶膠。將磁流體均勻分散于該溶膠中,經過干燥,高溫燒結過程得到四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結構復合納米粒子。該復合納米粒子粒徑在80~120nm,其中四氧化三鐵粒徑為8~60nm。此復合粒子用于磁場作用下的細胞調控與骨修復工程。
文檔編號A61L27/40GK101721749SQ20091024221
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月4日 優先權日2009年12月4日
發明者劉海洋, 方舟, 楊小平, 林元華, 蔡晴, 連鵬飛 申請人:北京化工大學