專利名稱：四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結(jié)構(gòu)納米粒子及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(jié)構(gòu)納米粒子的制備方法；本發(fā)明還涉及一種帶磁性能的生物活性納米 粒子，該復(fù)合粒子可用于磁場(chǎng)作用下細(xì)胞調(diào)控與骨修復(fù)工程。
背景技術(shù)：
隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，納米磁性？6304作為一種功能材料，其制備工藝及其產(chǎn) 物性質(zhì)的研究受到很大的重視。納米磁性Fe304除在物理、化學(xué)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(yīng)、超順磁性、磁有序顆 粒的小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等。磁性粒子在細(xì)胞分離、固定化酶、靶向藥物、蛋白質(zhì) 提純、核酸分離、生物標(biāo)記以及臨床診斷等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)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(wú)水磷酸二f丐(DCPA) 和無(wú)定形磷酸鈣(ACP)及其混合物等。在目前科學(xué)研究和臨床應(yīng)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(jié)構(gòu)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(gòu)成的連續(xù)多相復(fù)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(jié)構(gòu)，具有良好的生物相容性和生物活性，對(duì)人 體無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)致癌作用，植入人體后可通過(guò)體內(nèi)的生化反應(yīng)與自然骨形成牢固的骨性結(jié) 合，部分磷酸鈣陶瓷還具有引導(dǎo)骨細(xì)胞粘附和生長(zhǎng)的功能，是理想的骨修復(fù)材料。尤其是 13 -TCP，其在人體中能夠通過(guò)正常的新陳代謝途徑釋放Ca2+和P043—到體液中，誘導(dǎo)植入體 周?chē)纬尚碌墓墙M織，并為新骨的生成提供生理營(yíng)養(yǎng)成分，因此不僅具有較好的骨傳導(dǎo)能 力，而且會(huì)與骨形態(tài)蛋白(BMP)產(chǎn)生較強(qiáng)的親和性以及與骨組織形成直接的生物鍵合，表 現(xiàn)出很強(qiáng)的生物活性。 將具有生物活性的物質(zhì)包覆在磁性納米四氧化三鐵表面例如Akira Ito等使用 脂質(zhì)體包覆四氧化三鐵，將此顆粒與H印G2和NIH3T3細(xì)胞共培養(yǎng)，使顆粒貼附在細(xì)胞，在 外加磁場(chǎng)的作用下，細(xì)胞能多層緊密貼附，從而提高了單位體積內(nèi)細(xì)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(jié)構(gòu)，結(jié)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(fù)合材料還未見(jiàn)有人報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結(jié)構(gòu)納米粒子的制備方法，使 磷酸鈣相的結(jié)晶度和純度很高，可為骨細(xì)胞的粘附、生長(zhǎng)和增殖提供更適宜的條件；本發(fā)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(jié)構(gòu)納米粒子，該復(fù)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(fā)明提供的一種四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結(jié)構(gòu)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(jī)械攪拌的同時(shí)往里滴加3mol/L NaOH溶液，使其 按照計(jì)量式反應(yīng)；用磁鐵收集制得的四氧化三鐵，反應(yīng)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(shí)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(zhì)量濃度0. 1 0. 5g/L檸檬酸鈉溶液中機(jī)械攪拌12h，其中四氧化三鐵納米粒子質(zhì)量(g) 與檸檬酸鈉溶液體積(ml)比為l : 10 1 : 100，離心機(jī)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(jī)中10000R/ min離心分離得到上層清液，上層清液為質(zhì)量濃度1. 05%的穩(wěn)定的四氧化三鐵磁流體。
(2)前驅(qū)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為46. 7%、用硝酸調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)范圍為1. 0 1. 6，混合溶液攪拌2h后置于_18°〇的環(huán)境下陳化7天得到 前驅(qū)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(jīng)過(guò)100 15(TC干燥得到粉末。
(4)高溫?zé)Y(jié)將(3)步驟制得的粉末在馬弗爐中燒結(jié)，從室溫以1 5°C /min的 速度升溫，使溫度達(dá)到600 130(TC進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為1 12h，然后以1 l(TC /min 降溫到室溫，燒結(jié)過(guò)程中采用惰性保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)，其中惰性保護(hù)氣體包括高純氮、高純 氬的一種或兩種組合。 本發(fā)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(fā)明的四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結(jié)構(gòu)納米粒子，其特征在于，磷酸鈣包覆納米 四氧化三鐵，復(fù)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(fā)明通過(guò)溶膠-凝膠法制得的四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)納米粒子形貌為圓形、橢圓形或不規(guī)則形狀。
(i)本發(fā)明通過(guò)控制氯化鐵和氯化亞鐵的比例，反應(yīng)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(guò)表面改性加強(qiáng)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(fā)明通過(guò)嚴(yán)格控制前驅(qū)體溶膠的初始鈣磷比、調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的酸堿度，溶膠
的陳化溫度和時(shí)間，以及纖維的煅燒溫度和時(shí)間，溶液的酸堿性可以有效的控制燒結(jié)產(chǎn)物
的成分，并避免CaO雜相的生成，最終可獲得高純度、高結(jié)晶度的13 -TCP。
(3)本發(fā)明結(jié)合了四氧化三鐵和磷酸鈣各自的特點(diǎn)，使粒子能在磁場(chǎng)的作用下有
目的的調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)方式，還可以為骨細(xì)胞的粘附、生長(zhǎng)和增殖提供適宜的環(huán)境，能有效促
進(jìn)骨組織的修復(fù)和再生。 (4)本發(fā)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(fù)區(qū)域能夠釋放出大量鈣磷元素，加快生物礦化過(guò)程，促進(jìn)新骨的形成。
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(5)本發(fā)明所采用的制備和加工方法簡(jiǎn)單，可控性強(qiáng)，能用于工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1是實(shí)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(shí)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(shí)施例1所述四氧化三鐵/磷酸f丐納米粒子的VSM圖。
具體實(shí)施方式

實(shí)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(jī)械攪拌，往里滴加80ml3mol/L的氫氧化鈉溶液，反應(yīng)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(jī)械攪拌12h，10000r/min轉(zhuǎn)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(zhì)量濃度1. 05%的穩(wěn)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(diào)節(jié)溶液pH = l，在8(TC下劇烈攪拌水解48h，按照Ca/P = 1. 6的化學(xué)計(jì)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(huán)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(jīng)過(guò)IO(TC干燥得到粉末。 (4)將粉末置于碳化爐中在130(TC氮?dú)獗Ｗo(hù)燒結(jié)2小時(shí)，升溫速度為5°C /min，以 5°C /min的降溫速度冷卻，燒結(jié)過(guò)程中采用惰性保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)，其中惰性保護(hù)氣體為 高純氮。 即可得到Fe304/ P -TCP核殼結(jié)構(gòu)納米粒子。 其四氧化三鐵/磷酸f丐核殼結(jié)構(gòu)納米粒子的XRD圖參見(jiàn)圖1 ;四氧化三鐵/磷酸 鈣核殼結(jié)構(gòu)納米粒子的TEM圖參見(jiàn)圖2 ;四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結(jié)構(gòu)納米粒子的VSM圖 參見(jiàn)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(fù)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(shí)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(jī)械攪拌，往里滴加70ml 3mol/L的氫氧化鈉溶液，反應(yīng)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(jī)械攪拌12h， 10000r/ min轉(zhuǎn)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(zhì)量濃度1. 05%的穩(wěn)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(diào)節(jié)溶液pH = 2在8(TC下劇烈攪拌水解48h，按照Ca/P = 1. 4的化學(xué)計(jì)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(huán)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(jīng)過(guò)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?dú)獗Ｗo(hù)燒結(jié)4小時(shí)，升溫速度為3°C /min，以 l(TC /min的降溫速度冷卻，燒結(jié)過(guò)程中采用惰性保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)，其中惰性保護(hù)氣體高 純氬，即可得到Fe304/ 13 -TCP核殼結(jié)構(gòu)納米粒子。其四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結(jié)構(gòu)納米粒 子的XRD圖、TEM圖、VSM圖與實(shí)施例1基本相同。
實(shí)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(jī)械攪拌，往里滴加60ml 3mol/L的氫氧化鈉溶液，反應(yīng)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(jī)械攪拌12h， lOOOOr/ min轉(zhuǎn)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(zhì)量濃度1. 05%的穩(wěn)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(diào)節(jié)溶液pH = 4在8(TC下劇烈攪拌水解48h，按照Ca/P = 1. 2的化學(xué)計(jì)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(huán)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(jīng)過(guò)13(TC干燥得到粉末。
(4)將粉末置于碳化爐中在90(TC氮?dú)獗Ｗo(hù)燒結(jié)1小時(shí)，升溫速度為2°C /min，以 TC /min的降溫速度冷卻，燒結(jié)過(guò)程中采用惰性保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)，其中惰性保護(hù)氣體高 純氬，即可得到Fe304/ 13 -TCP核殼結(jié)構(gòu)納米粒子。其四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結(jié)構(gòu)納米粒 子的XRD圖、TEM圖、VSM圖與實(shí)施例1基本相同。
實(shí)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(jī)械攪拌，往里滴加50ml 3mol/L的氫氧化鈉溶液，反應(yīng)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(jī)械攪拌12h， 10000r/min 轉(zhuǎn)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(zhì)量濃度1. 05%的穩(wěn)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(diào)節(jié)溶液pH = 5在8(TC下劇烈攪拌水解48h，按照Ca/P = 1. 6的化學(xué)計(jì)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(huán)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(jīng)過(guò)15(TC干燥得到粉末。
(4)將粉末置于碳化爐中在60(TC氮?dú)獗Ｗo(hù)燒結(jié)12小時(shí)，升溫速度為1°C /min，以 TC /min的降溫速度冷卻，燒結(jié)過(guò)程中采用惰性保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)，其中惰性保護(hù)氣體包 括高純氮、高純氬兩種組份，即可得到Fe304/ 13 -TCP核殼結(jié)構(gòu)納米粒子。其四氧化三鐵/磷 酸鈣核殼結(jié)構(gòu)納米粒子的XRD圖、TEM圖、VSM圖與實(shí)施例1基本相同。
權(quán)利要求
一種四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結(jié)構(gòu)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(jī)械攪拌的同時(shí)往里滴加3mol/L NaOH溶液，使其按照計(jì)量式反應(yīng)；用磁鐵收集制得的四氧化三鐵，反應(yīng)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(shí)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(zhì)量濃度0.1～0.5g/L檸檬酸鈉溶液中機(jī)械攪拌12h，其中四氧化三鐵納米粒子質(zhì)量g與檸檬酸鈉溶液體積ml比為1∶10～1∶100，離心機(jī)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(jī)中10000R/min離心分離得到上層清液，上層清液為質(zhì)量濃度1.05％的穩(wěn)定的四氧化三鐵磁流體。(2)前驅(qū)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為46.7％、用硝酸調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)范圍為1.0～1.6，混合溶液攪拌2h后置于-18℃的環(huán)境下陳化7天得到前驅(qū)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(jīng)過(guò)100～150℃干燥得到粉末。(4)高溫?zé)Y(jié)將(3)步驟制得的粉末在馬弗爐中燒結(jié)，從室溫以1～5℃/min的速度升溫，使溫度達(dá)到600～1300℃進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為1～12h，然后以1～10℃/min降溫到室溫，燒結(jié)過(guò)程中采用惰性保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)，其中惰性保護(hù)氣體包括高純氮、高純氬的一種或兩種組合。
2. 按照權(quán)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(quán)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(quán)利要求3四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結(jié)構(gòu)納米粒子，其特征在于，磷酸鈣包覆 納米四氧化三鐵，復(fù)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(quán)利要求4的四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結(jié)構(gòu)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(fā)明公開(kāi)了一種四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結(jié)構(gòu)納米粒子的制備方法；作為核結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵利用共沉淀法制得，通過(guò)對(duì)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(diào)節(jié)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(jīng)過(guò)干燥，高溫?zé)Y(jié)過(guò)程得到四氧化三鐵/磷酸鈣核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合納米粒子。該復(fù)合納米粒子粒徑在80～120nm，其中四氧化三鐵粒徑為8～60nm。此復(fù)合粒子用于磁場(chǎng)作用下的細(xì)胞調(diào)控與骨修復(fù)工程。
文檔編號(hào)A61L27/40GK101721749SQ20091024221
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月4日
發(fā)明者劉海洋, 方舟, 楊小平, 林元華, 蔡晴, 連鵬飛 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)