一种羟基磷灰石及其制备方法和应用

1.本发明属于医用材料技术领域，具体涉及一种羟基磷灰石及其制备方法和应用，尤其涉及一种具有纳米花形貌结构的羟基磷灰石及其制备方法和应用。


背景技术：

2.羟基磷灰石(hap)，ca/p的摩尔比为1.67，ca
10
(po4)6(oh)2，是人体和哺乳动物天然骨骼组织(如骨骼，牙齿等)的主要矿物质成分之一，具有优异的生物相容性，生物降解性和机械性能，无毒和无免疫原性的特性。在组织工程、成像领域、药物/基因传递、在骨修复、药物释放等多个领域发挥着重要的作用。
3.碳酸钙caco3(calcium carbonate)，又称石灰石，白色固体，不溶于水，熔点为1339℃，在自然界中最为常见且易得的材料之一。同时碳酸钙也易于制备，且制备成本低，晶体碳酸钙为白色六方结晶性粉末，具有球霰石，文石和方解石三种无水晶体形式。现在最常用的是球霰石结构碳酸钙，主要是因为球霰石结构碳酸钙颗粒由数百个纳米级碳酸钙堆叠而成，使caco3颗粒具有多孔结构，高表面积和在水溶液中的良好分散性，在生物医学，材料学等方面被广泛使用。
4.由肽组装的水凝胶具有出色的生物相容性，生物活性和生物降解性，特别地是，可以在分子水平上精确地设计和合成具有确定的化学结构的二肽及其衍生物，在适当的条件下(例如ph，温度，溶剂)，可以通过分子间的弱相互作用(例如氢键，范德华力，疏水，静电和π-π堆积相互作用)自组装成具有可调纤维网络的及功能性水凝胶，所以在生物医学和纳米合成领域具有广阔的应用前景。
5.目前，羟基磷灰石传统制备的方法仍然存在一些挑战，比如实验过程中所需要的设备昂贵操作复杂、实验过程繁琐不易、制备成本高并且所得到的产物结构、大小、分散性、均匀度也都是不可调控，这阻碍了它们在医学领域的进一步应用。如何利用现有材料，开发出一种简单的羟基磷灰石的制备方法，对于扩大羟基磷灰石的使用范围而言具有重要的意义。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种羟基磷灰石及其制备方法和应用。所述羟基磷灰石是以多孔碳酸钙为牺牲模板在二肽水凝胶中制备得到的，其疏松多孔，具有较高的比表面积，在水中能够均匀分散。本发明提供的制备方法解决了以往羟基磷灰石制备设备昂贵、制备成本高、制备过程复杂，制备得到的产物比表面积小、大小不均匀、在水溶液中分散性差的缺点。
7.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明提供一种羟基磷灰石的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
9.(1)将经过fmoc基团修饰的氨基酸和未经修饰的氨基酸溶于磷酸缓冲液中，得到二肽前驱液；
10.将钙盐、碳酸盐分散在明胶水溶液中，反应，得到球霰石型碳酸钙；
11.(2)再将所述二肽前驱液与球霰石型碳酸钙混合，在酶的催化作用下氨基酸缩合形成二肽，所述球霰石型碳酸钙在二肽形成的二肽水凝胶网络体系中沉降并发生离子交换反应，溶解所述二肽后，得到所述羟基磷灰石。
12.本发明提供一种疏松多孔，具有高比表面积，在水中能够均匀分散的羟基磷灰石的制备方法。首先，制备得到明胶掺杂的多孔碳酸钙，球霰石型碳酸钙具有大小均匀球形的结构；将制备得到的球霰石碳酸钙均匀地分散在二肽前驱体混合的溶液中，在酶催化作用，使得二肽前驱体自组装变成凝胶，二肽水凝胶提供了调节羟基磷灰石生长的纤维网络，稳定碳酸钙，并使碳酸根离子与溶液中的磷酸根粒子发生交换，使碳酸钙转变成羟基磷灰石，最后通过乙醇水溶液溶解二肽水凝胶，离心、洗涤、真空干燥得到羟基磷灰石颗粒。所述制备方法以多孔碳酸钙为模板，借助二肽水凝胶网络制备了在水溶液中具有高分散性和较大表面积的羟基磷灰石。
13.现有技术公开的模板法所获得的羟基磷灰石在水溶液中分散性差，表面积小，为了解决这一问题，本技术以具有球霰石晶体结构的多孔caco3颗粒为模板，借助二肽水凝胶通过离子交换反应制备了羟基磷灰石颗粒，该二肽水凝胶提供了调节羟基磷灰石生长的纤维网络。不仅为获得的羟基磷灰石提供了良好的优异分散性，而且还提供了高达237m2·
g-1
的高表面积，这可以归因于羟基磷灰石在肽水凝胶纤维网络中的有限生长。实验数据表明，二肽序列对羟基磷灰石颗粒的分散性影响很大，所得羟基磷灰石的粒径与caco3模板相同，可以很好地分散在水溶液中，同时由于多孔羟基磷灰石颗粒具有高的表面积，改善的细胞内吞作用和低的细胞毒性，具有出色的生物相容性和生物降解性，利于药物吸附，可以成为良好的缓释药物的载体。
14.作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述经过fmoc基团修饰的氨基酸包括fmoc-t和/或fmoc-y。
15.优选fmoc-t和/或fmoc-y是因为其具有更加优秀的凝胶网络结构，更有利于形成高分散性和较大表面积的羟基磷灰石。
16.优选地，所述未经修饰的氨基酸包括l-nh2。
17.优选地，所述二肽前驱液中经过fmoc基团修饰的氨基酸的摩尔浓度为100～150mm，例如可以是100mm、105mm、110mm、115mm、120mm、125mm、130mm、135mm、140mm、145mm或150mm等。
18.优选地，所述二肽前驱液中未经修饰的氨基酸的摩尔浓度为400～550mm，例如可以是400mm、420mm、450mm、480mm、500mm、510mm、520mm、530mm、540mm或550mm等。
19.作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述磷酸缓冲液的ph为7.5～8.5，例如可以是7.5、7.6、7.8、7.9、8、8.1、8.2、8.3、8.4或8.5等，优选为8.0。
20.优选地，步骤(1)所述磷酸缓冲液的摩尔浓度为0.08～0.12mm，例如可以是0.08mm、0.085mm、0.09mm、0.095mm、0.1mm、0.105mm、0.11mm、0.105mm、0.11mm、0.115mm或0.12mm等。
21.优选地，步骤(1)所述钙盐包括氯化钙。
22.优选地，步骤(1)所述碳酸盐包括碳酸钠和/或碳酸铵。
23.优选地，步骤(1)所述明胶水溶液中明胶的浓度为0.02～0.05g/ml，例如可以是
0.02g/ml、0.025g/ml、0.03g/ml、0.035g/ml、0.04g/ml、0.045g/ml或0.05g/ml等。
24.作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述反应的温度为15～28℃，例如可以是15℃、16℃、18℃、20℃、21℃、22℃、24℃、25℃、26℃或28℃等。
25.优选地，步骤(1)所述反应于搅拌条件下进行，所述搅拌的转速为1000～2000rpm，例如可以是1000rpm、1100rpm、1200rpm、1300rpm、1400rpm、1500rpm、1600rpm、1700rpm、1800rpm、1900rpm或2000rpm等。
26.优选地，步骤(1)所述球霰石型碳酸钙的制备方法具体为：将氯化钙加入到所述明胶水溶液中，1000～2000rpm搅拌15～30min(例如可以是15min、16min、18min、20min、22min、25min、28min或30min等)，再加入碳酸钠，于1000～2000rpm、15～28℃下反应15～30s(例如可以是15s、16s、18s、20s、22s、24s、25s、26s、28s或30s等)，即可得到所述球霰石型碳酸钙。
27.作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述混合包括超声混合。
28.优选地，步骤(1)所述超声时间为20-40min，例如20min、25min、30min、35min、40min等。
29.优选地，步骤(2)所述酶包括嗜热菌蛋白酶(thermolysin enzyme)。
30.本发明中，所述酶并不局限于thermolysin enzyme，能够催化氨基酸缩合生成肽键的酶均可以使用。
31.优选地，步骤(2)所述氨基酸缩合的温度为15～28℃，例如可以是15℃、16℃、18℃、20℃、21℃、22℃、24℃、25℃、26℃或28℃等。
32.优选地，步骤(2)所述二肽包括fmoc-tl-nh2和/或fmoc-yl-nh2。
33.优选地，步骤(2)所述离子交换反应的温度为15～28℃，例如可以是15℃、16℃、18℃、20℃、21℃、22℃、24℃、25℃、26℃或28℃等。
34.作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
35.(1)配制质量浓度为0.02～0.05g/ml的明胶水溶液，再将氯化钙加入到所述明胶水溶液中，搅拌，再加入碳酸钠，于1000～2000rpm、15～28℃下反应15～30s，反应结束后静置，分别使用水和乙醇洗涤，真空干燥后得到球霰石型碳酸钙；
36.将经过fmoc基团修饰的氨基酸fmoc-t和/或fmoc-y以及未经修饰的氨基酸l-nh2溶于磷酸缓冲液中，所述磷酸缓冲液的ph为7.5～8.5，得到二肽前驱液；
37.(2)再将所述球霰石型碳酸钙与二肽前驱液混合，在15～28℃下，经过嗜热菌蛋白酶的催化，氨基酸发生缩合反应，形成二肽，即fmoc-tl-nh2和/或fmoc-yl-nh2；
38.所述球霰石型碳酸钙在二肽形成的二肽水凝胶网络体系中沉降，并发生离子交换反应，所述离子交换反应方程式为：
39.po
43-+oh-+caco3→
ca
10
(po4)6(oh)2+co
32-；
40.而后，溶解二肽，得到所述羟基磷灰石。
41.第二方面，本发明提供一种利用如第一方面所述的制备方法制备得到的羟基磷灰石。
42.优选地，所述羟基磷灰石的比表面积为200～300m2/g，例如200m2/g、220m2/g、250m2/g、280m2/g、300m2/g等。
43.优选地，所述羟基磷灰石的孔容为20-25cm3/g，例如20cm3/g、21cm3/g、22cm3/g、
23cm3/g、24cm3/g、25cm3/g等。
44.优选地，所述羟基磷灰石的孔径为15-20nm，例如15nm、16nm、17nm、18nm、19nm、20nm等。
45.第三方面，本发明还提供一种如第二方面所述的羟基磷灰石在制备医学材料中的应用。
46.本发明中，所述医学材料包括组织工程、成像领域、药物/基因传递、在骨修复、药物释放等多个领域中使用的材料。
47.本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
48.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
49.(1)本发明中，以多孔碳酸钙为模板，借助于二肽水凝胶网络制备了在水溶液中具有高分散性和较大表面积的羟基磷灰石；从二肽水凝胶网络例如fmoc-tl-nh2水凝胶中制备的hap颗粒在水溶液中具有最佳的分散性，并且大表面积高达237m2g-1
；解决了以往制备羟基磷灰石制备设备昂贵、制备成本高、制备过程复杂，制备得到的产物比表面积小、大小不均匀、在水溶液中分散性差的缺点。
50.(2)本发明提供的hap颗粒细胞毒性较低，具有出色的生物相容性和生物降解性，由于具有较高的表面积可以有效地吸附药物，可以作为缓释药物的载体，且具有较高的细胞内吞效率，这将在持续药物释放中显示出巨大的潜力，对于在生物医学领域具有重要的研究意义。
附图说明
51.图1和图2为实施例4制备产物hap的扫描电子显微镜图片。
52.图3和图4为实施例4制备产物hap的透射电子显微镜电镜图片。
53.图5为实施例4制备产物hap的edx数据。
54.图6为实施例4制备产物hap的dls数据。
55.图7为实施例4制备产物hap和b-caco3的xrd数据(左图为hap样品，右图为b-caco3样品)。
56.图8为实施例4制备产物hap的bet吸脱附曲线图。
57.图9为实施例4制备产物hap的bjh脱附分支孔径分布图。
具体实施方式
58.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
59.以下实施例中，所述明胶(源自牛骨)购自sigma；
60.以下实施例中所述室温均为25℃；
61.以下实施例中，若无特殊说明，所以的试剂及耗材均购自本领域常规试剂厂商；若无特殊说明，所用的实验方法和技术手段均为本领域常规的方法和手段。
62.实施例1
63.本实施例提供一种羟基磷灰石的制备方法，具体步骤如下：
64.(1)取0.1ml pdda(聚二烯丙基二甲基氯化铵，使制备的碳酸钙表面带有正电荷)添加到10ml水中，并加热在80℃使其全部溶解；
65.(2)将0.1m cacl
2.
2h2o加入到上述溶液中，在1500rpm下剧烈搅拌30分钟，然后将1ml na2co3溶液加入到cacl2溶液中混合并剧烈搅拌20s，最后静置3min；
66.(3)获得的颗粒(表示为pdda-caco3)分别用水和乙醇仔细小心洗涤3次，最后真空干燥备用。
67.(4)通过实验制备二肽水凝胶网络体系：
68.首先将fmoc-t(120mm)和l-nh2(480mm)溶于pbs缓冲溶液(ph为8，0.1mm，2ml)；
69.取步骤(3)获得的pdda-caco
3 80mg超声混合在上述溶液中；
70.最后在室温下向混合溶液中加入2mg thermolysin enzyme(嗜热菌蛋白酶)，使fmoc-t和l-nh2进行缩合反应，生成二肽水凝胶fmoc-tl-nh2网络体系；
71.(5)将步骤(4)获得的caco
3-水凝胶样品在室温下沉降，用乙醇水溶液溶解二肽水凝胶，得到的颗粒分别用水和乙醇仔细小心洗涤3次，最后真空干燥备用，最后命名为hap。
72.实施例2
73.本实施例中提供一种羟基磷灰石的制备方法，具体步骤如下：
74.(1)取0.02ml pss(聚苯乙烯磺酸钠，使制备的碳酸钙表面带有负电荷)添加到10ml水中，并加热在80℃使其全部溶解；
75.(2)将0.1m cacl
2.
2h2o加入到上述溶液中，在1500rpm下剧烈搅拌30分钟，然后将1ml na2co3溶液加入到cacl2溶液中混合并剧烈搅拌20s，最后静置3min；
76.(3)获得的颗粒(表示为pss-caco3)分别用水和乙醇仔细小心洗涤3次，最后真空干燥备用；
77.(4)通过实验制备二肽水凝胶网络体系，首先将fmoc-t(120mm)和l-nh2(480mm)溶于pbs缓冲溶液(ph为8，0.1mm，2ml)，取步骤(3)获得的pss-caco
3 80mg超声混合在上述溶液中，最后在室温下向混合溶液中加入2mg thermolysin enzyme，使fmoc-t和l-nh2进行缩合反应，生成二肽水凝胶fmoc-tl-nh2网络体系；
78.(5)将步骤(4)获得的caco
3-水凝胶样品在室温下沉降，用乙醇水溶液溶解二肽水凝胶，得到的颗粒分别用水和乙醇仔细小心洗涤3次，最后真空干燥备用，最后命名为hap。
79.实施例3
80.本实施例中提供一种羟基磷灰石的制备方法，具体步骤如下：
81.(1)取0.2g明胶(源自牛骨)添加到10ml水中，并加热在80℃使其全部溶解；
82.(2)将1m,1.47g cacl
2.
2h2o加入到上述明胶溶液中，在1500rpm下剧烈搅拌30分钟，然后将1m na2co3(溶解在1ml水中)溶液加入到明胶cacl2溶液中混合并剧烈搅拌20s，最后静置3min；
83.(3)获得的球霰石型碳酸钙(表示为b-caco3)分别用水和乙醇仔细小心洗涤3次，最后真空干燥备用；
84.(4)通过实验制备二肽水凝胶网络体系：
85.首先将fmoc-t和l-nh2溶于2ml pbs缓冲溶液(ph为8，0.1mm)中，所得二肽前驱液
中fmoc-t的摩尔浓度为120mm，l-nh2的摩尔浓度为480mm；
86.取步骤(3)获得的b-caco
3 80mg超声混合在上述溶液中；
87.最后在室温下向混合溶液中加入2mg thermolysin enzyme，使fmoc-t和l-nh2进行缩合反应，生成二肽水凝胶fmoc-tl-nh2网络体系。
88.(5)步骤(4)获得的caco
3-水凝胶样品在室温下沉降，用乙醇水溶液溶解二肽水凝胶，得到的颗粒分别用水和乙醇仔细小心洗涤3次，最后真空干燥备用，得到hap。
89.实施例4
90.本实施例中提供一种羟基磷灰石的制备方法，具体步骤如下：
91.(1)取0.2g明胶(源自牛骨)添加到10ml水中，并加热在80℃使其全部溶解；
92.(2)将0.1m cacl
2.
2h2o加入到上述明胶溶液中，在1500rpm下剧烈搅拌30分钟，然后将0.1m na2co3(溶解在1ml水中)溶液加入到明胶cacl2溶液中混合并剧烈搅拌20s，最后静置3min；
93.(3)获得的颗粒(表示为b-caco3)分别用水和乙醇仔细小心洗涤3次，最后真空干燥备用；
94.(4)通过实验制备二肽水凝胶网络体系，首先将fmoc-t(120mm)和l-nh2(480mm)溶于pbs缓冲溶液(ph为8，0.1mm，2ml)，取步骤(3)获得的b-caco
3 80mg超声混合在上述溶液中，最后在室温下向混合溶液中加入2mg thermolysin enzyme，使fmoc-t和l-nh2进行缩合反应，生成二肽水凝胶fmoc-tl-nh2网络体系；
95.(5)将步骤(4)获得的caco3-水凝胶样品在室温下沉降，用乙醇水溶液溶解二肽水凝胶，得到的颗粒分别用水和乙醇仔细小心洗涤3次，最后真空干燥备用，最后命名为hap。
96.测试例
97.对实施例4制得的产品进行扫描电子显微镜观察，结果如图1-2所示；对实施例4制得的产品进行透射电子显微镜观察，结果如图3-4所示。可知：形成的hap显示出具有纳米花结构的特殊结构。
98.对实施例4制得的产品进行edx元素分析，结果如图5所示：证明成功获得羟基磷灰石产品。对实施例4制得的产品进行粒径分析，结果如图6所示：所形成的hap粒径较小，且在水溶液中具有良好的分散性，pdi约为0.083。
99.对实施例4制得的产品进行xrd分析，结果如图7所示(左图为hap样品，右图为b-caco3样品)：b-caco3颗粒显示出基于x射线衍射标准卡(00-004-0844)的典型球霰石晶体结构，将我们所得到的羟基磷灰石xrd数据与其标准卡片进行对比(00-024-0033)，从xrd图中可以看出，出现羟基磷灰石的峰，同时碳酸钙的峰减弱甚至消失，说明我们所已将碳酸钙通过离子交换法制备出羟基磷灰石。
100.对实施例4制得的产品进行bet吸脱附表征和bjh脱附分支孔径分布表征，结果如图8-9所示：所获得的产品颗粒显示出介孔结构，其计算的比表面积为237m2·
g-1
，孔径为17.856nm，孔容为21.189cm3/g，与现有技术制备的羟基磷灰石产品相比，本技术制得的羟基磷灰石具有更大的表面积。
101.分别对上述实施例1-4中制备得到的hap颗粒的性能参数进行检测，具体数据如下表1所示：
102.表1
103.样品比表面积(m2·
g-1
)粒径(nm)pdi实施例120227630.158实施例219430920.181实施例322332500.126实施例423729920.083
104.综上所述，本发明提供的hap颗粒是以多孔碳酸钙为牺牲模板在二肽水凝胶中制备得到的，其具有疏松多孔，高比表面积和能够在水中能够均匀分散等特点，可以有效地吸附药物；同时，借助二肽水凝胶制备，其细胞毒性低，具有出色的生物相容性、生物降解性和细胞内吞效率，能够作为较好的药物载体进行应用。
105.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。