本發(fā)明涉及一種納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料及其制備方法,主要用于骨修復(fù)和牙科材料的修復(fù),屬于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。
背景技術(shù):
由于創(chuàng)傷、感染、腫瘤、骨髓炎以及各種先天性疾病等原因造成的骨缺損是目前國(guó)內(nèi)外臨床醫(yī)學(xué)中最常見(jiàn)、最棘手的困難之一,而骨組織工程在修復(fù)骨組織疾病或缺損方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。生物支架在組織工程研究中起到主導(dǎo)作用,它不僅為特定的細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)支撐,而且還起到模板作用從而引導(dǎo)組織再生和控制組織結(jié)構(gòu)。同樣人體口腔內(nèi)牙齒也受各種疾病的影響,如齲病,研究學(xué)者認(rèn)為,齲病是由細(xì)菌發(fā)酵糖產(chǎn)生酸和有機(jī)基質(zhì)溶解造成的。齲病一直困擾著人們的生活,所以對(duì)防齲材料的研究也一直是口腔研究的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的防齲材料含有氟化物,雖有一定的效果,但是對(duì)人體有一定的毒性,尋找一種新的防齲材料是目前研究的一個(gè)新的方向。
氧化石墨烯(grahiteoxide)含有豐富的含氧官能團(tuán),這些官能團(tuán)為連接各種有機(jī)小分子、高分子、生物大分子及其他功能基團(tuán)提供了大量活性位點(diǎn),而羥基磷灰石(hydroxyapatite,hap)是自然骨中主要無(wú)機(jī)成分,是牙體組織無(wú)機(jī)相的主要組成成分,它在植入骨組織后能在界面上和骨形成很強(qiáng)的化學(xué)性鍵合,對(duì)新骨的生長(zhǎng)具有一定的誘導(dǎo)作用,多用于人體組織或者器官的修復(fù)、替代或增進(jìn)其功能。
利用氧化石墨烯良好的延展性和化學(xué)活性,將其制成羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料,然后將其制備成膜片,將其應(yīng)用到牙齒表面修復(fù),因受到齲病的影響,牙齒表層牙釉質(zhì)層會(huì)出現(xiàn)不同孔狀的細(xì)菌侵蝕,將羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合膜貼到牙齒表面,由于氧化石墨烯表面的含氧基團(tuán)能夠和牙釉質(zhì)表面的ca2+等陽(yáng)離子結(jié)合,從而起到很好的吸附作用,進(jìn)而使羥基磷灰石納米粒子起到修復(fù)牙釉質(zhì)作用。
傳統(tǒng)的羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料均通過(guò)水熱法制備,該反應(yīng)條件苛刻,需高溫高壓,耗能大,反應(yīng)得到副產(chǎn)物難以除去,且得到的復(fù)合材料中的羥基磷灰石尺寸基本處于50-100nm的范圍,而本實(shí)驗(yàn)制備的復(fù)合材料中羥基磷灰石大小為100-200nm,更加接近于牙科修復(fù)的范圍。有人利用濕化學(xué)法制備羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料,該方法在堿性環(huán)境下形成復(fù)合材料,并沒(méi)有最終控制降低該材料的ph,而人體體液ph為7.5左右,難以保證此復(fù)合材料在人體中的生物相容性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料的制備方法,通過(guò)本方法制備出良好化學(xué)鍵復(fù)合、大片狀氧化石墨烯片上生長(zhǎng)的羥基磷灰石復(fù)合材料,其中氧化石墨烯片層二維尺寸為1~3μm,羥基磷灰石在上述片層上生長(zhǎng),粒子尺寸為100~200nm,并且得到分布比較均勻的納米羥基磷灰石;此方法具有成本經(jīng)濟(jì)、工藝簡(jiǎn)單、生物相容性良好、生物活性及生物降解性良好等優(yōu)點(diǎn),具體包括步驟以下:
(1)在裝有一定蒸餾水燒杯中加入鈣鹽,將其置于磁力攪拌器上不斷攪拌,使原料完全溶解,所制備得到的鈣鹽溶液中鈣離子濃度為0.038~0.075mol/l;接著在鈣鹽溶液中加入氧化石墨烯粉末,繼續(xù)攪拌使其分散均勻,得到溶液a,采用水浴加熱方式加熱并控制溶液溫度為30~50℃,其中氧化石墨烯與鈣鹽的質(zhì)量比為1:(1.6~6.3);
(2)將一定量的磷酸鹽或磷酸加入蒸餾水中,攪拌使其溶解,得到溶液b,所制備的磷酸鹽溶液中磷酸根離子濃度為0.045~0.09mol/l,使得鈣鹽:磷酸鹽或磷酸的摩爾比為1.67;
(3)用氨水溶液調(diào)節(jié)溶液a的ph值為9.5~10.5,然后在30~50℃下滴加磷酸根離子濃度為0.045~0.09mol/l的磷酸鹽溶液;
(4)滴定完畢后繼續(xù)磁力攪拌16~24h,攪拌溫度控制在35~40℃,然后置于常溫下密封陳化12~24h;
(6)陳化后,靜置,用去離子水不斷反復(fù)清洗、更換上層清液,直到上層清液酸堿度為中性,過(guò)濾,冷凍干燥,制得納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料。
所述步驟(1)中攪拌轉(zhuǎn)數(shù)為250~350轉(zhuǎn)/分鐘,以3~5℃/min的升溫速率將溫度從室溫升到30~50℃;
所述步驟(1)中鈣鹽為硝酸鈣、氯化鈣、碳酸鈣或硫酸鈣。
所述步驟(2)中磷酸鹽為磷酸氫二銨、磷酸氫二鈉或磷酸氫二鉀。
所述步驟(3)中氨水溶液的濃度為0.023~0.030mol/l;
所述步驟(3)中滴加速度為5ml/min~15ml/min。
本發(fā)明的有益效果:
采用化學(xué)滴定方法成功制備納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料,該材料的主要成分為納米羥基磷灰石和氧化石墨烯,其復(fù)合材料的氧化石墨烯片層大小約為1~3μm,較多的羥基磷灰石在其表層上生長(zhǎng),羥基磷灰石顆粒長(zhǎng)約為100~200nm,良好的氧化石墨烯片層能夠增韌羥基磷灰石,不僅在骨組織修復(fù),而且還在牙科修復(fù)方面能夠有很好的應(yīng)用前景,其研究有待進(jìn)一步深入。
本實(shí)驗(yàn)方法制備的羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料均在常壓,接近人體體溫的溫度下進(jìn)行,能耗低,工藝簡(jiǎn)單易操作,制備所得的材料尺寸為100-200nm,較適宜牙科修復(fù)和骨修復(fù),最終材料ph也接近且人體體液,且生物相容性較佳。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所述復(fù)合材料的tem圖譜;
圖2是本發(fā)明實(shí)施例3所述復(fù)合材料的xrd圖譜;
圖3是本發(fā)明實(shí)施例3所述復(fù)合材料的紅外光圖譜;
圖4是本發(fā)明實(shí)施例5所述復(fù)合材料的xrd圖譜;
圖5是本發(fā)明實(shí)施例5所述復(fù)合材料的紅外光圖譜。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明,但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于所述內(nèi)容。
實(shí)施例1:本納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料的制備方法,具體操作如下:
(1)在裝有200ml的蒸餾水燒杯中加入1.771g硝酸鈣,將其置于磁力攪拌器上不斷攪拌,使原料完全溶解;接著加入氧化石墨烯粉末,繼續(xù)攪拌使其分散均勻,得到溶液a,水浴加熱并控制溶液溫度為37℃,其中硝酸鈣溶液中鈣離子濃度為0.038mol/l,氧化石墨烯粉末的加入量為0.282g,其中氧化石墨烯與硝酸鈣的質(zhì)量比為1:6.3;其中,磁力攪拌器轉(zhuǎn)數(shù)為250轉(zhuǎn)/分鐘,并以3℃/min的升溫速率將溫度從室溫升到37℃;
(2)將0.594g磷酸氫二銨加入100ml的蒸餾水中,攪拌使其溶解,得到溶液b,所制備的磷酸氫二銨溶液中磷酸根離子濃度為0.045mol/l;
(3)用量筒量取氨水加入去離子水中,配成氨水溶液,得到溶液c,其濃度為0.025mol/l;
(4)用溶液c調(diào)節(jié)溶液aph值為10,接著以15ml/min的滴加速度加入溶液b,滴定過(guò)程保持溫度為37℃;
(5)滴定完畢后繼續(xù)攪拌16h,攪拌溫度35℃,然后置于常溫下密封陳化16h;
(6)陳化后,靜置,用去離子水不斷反復(fù)清洗、更換上層清液,直到上層清液酸堿度為中性,抽濾后再進(jìn)行干燥處理;其中,抽濾得到的樣品置于-40℃的冰柜中冷凍12h,再將其置于真空冷凍干燥機(jī)中干燥,真空度約為20pa,溫度為-35℃;制得納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料。
圖1是本實(shí)施案例得到的納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料tem圖,納米羥基磷灰石的平均尺寸為150nm,氧化石墨烯片層尺寸為1~3μm。
實(shí)施例2:本納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料的制備方法,具體操作如下:
(1)在裝有200ml的蒸餾水燒杯中加入1.771g硝酸鈣,將其置于磁力攪拌器上不斷攪拌,使原料完全溶解;接著加入氧化石墨烯粉末,繼續(xù)攪拌使其分散均勻,得到溶液a,水浴加熱并控制溶液溫度為37℃,其中硝酸鈣溶液中鈣離子濃度為0.038mol/l,氧化石墨烯粉末的加入量為0.282g,其中氧化石墨烯與硝酸鈣的質(zhì)量比為1:6.3;其中,磁力攪拌器轉(zhuǎn)數(shù)為250轉(zhuǎn)/分鐘,并以4℃/min的升溫速率將溫度從室溫升到37℃。
(2)將0.783g磷酸氫二鉀加入100ml的蒸餾水中,攪拌使其溶解,得到溶液b,所制備的磷酸氫二鉀溶液中磷酸根離子濃度為0.045mol/l;
(3)用量筒量取氨水加入去離子水中,配成氨水溶液,得到溶液c,其濃度為0.025mol/l;
(4)用溶液c調(diào)節(jié)溶液aph值為9.5,接著以10ml/min的滴加速度加入溶液b,滴定過(guò)程保持溫度為37℃;
(5)滴定完畢后繼續(xù)攪拌20h,攪拌溫度40℃,然后置于常溫下密封陳化12h;
(6)陳化后,靜置,用去離子水不斷反復(fù)清洗、更換上層清液,直到上層清液酸堿度為中性,抽濾后再進(jìn)行干燥處理;其中,抽濾得到的樣品置于-40℃的冰柜中冷凍12h,再將其置于真空冷凍干燥機(jī)中干燥,真空度約為20pa,溫度為-35℃;制得納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料。
實(shí)施例3:本納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料的制備方法,具體操作如下:
(1)在裝有200ml的蒸餾水燒杯中加入2.69g硝酸鈣,將其置于磁力攪拌器上不斷攪拌,使原料完全溶解;接著加入氧化石墨烯粉末,繼續(xù)攪拌使其分散均勻,得到溶液a,水浴加熱并控制溶液溫度為45℃,其中硝酸鈣溶液中鈣離子濃度為0.057mol/l,氧化石墨烯粉末的加入量為0.897g,其中氧化石墨烯與硝酸鈣的質(zhì)量比為1:3;其中,磁力攪拌器轉(zhuǎn)數(shù)為300轉(zhuǎn)/分鐘,并以5℃/min的升溫速率將溫度從室溫升到45℃。
(2)將0.970g磷酸氫二鈉加入100ml的蒸餾水中,攪拌使其溶解,得到溶液b,所制備的磷酸氫二鈉溶液中磷酸根離子濃度為0.068mol/l;
(3)用量筒量取氨水加入去離子水中,配成氨水溶液,得到溶液c,其濃度為0.030mol/l;
(4)用溶液c調(diào)節(jié)溶液aph值為10.5,接著以5ml/min的滴加速度加入溶液b,滴定過(guò)程保持溫度為45℃;
(5)滴定完畢后繼續(xù)攪拌24h,攪拌溫度37℃,然后置于常溫下密封陳化15h;
(6)陳化后,靜置,用去離子水不斷反復(fù)清洗、更換上層清液,直到上層清液酸堿度為中性,抽濾后再進(jìn)行干燥處理;其中,抽濾得到的樣品置于-40℃的冰柜中冷凍12h,再將其置于真空冷凍干燥機(jī)中干燥,真空度約為20pa,溫度為-35℃;制得納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料。
圖2、圖3分別為本實(shí)施案例得到的納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料的xrd和紅外光譜圖,由圖2所知,純的羥基磷灰石具有良好的結(jié)晶度,其以31.733°(211)、32.196°(112)和32.902°(300)為主要衍射峰存在,而加入氧化石墨烯后,羥基磷灰石三個(gè)主要特征峰以及其他的幾個(gè)特征峰均變寬,說(shuō)明復(fù)合材料的無(wú)序性增加,而氧化石墨烯本身就具有一定的無(wú)序性,所以兩相材料已經(jīng)進(jìn)行良好的復(fù)合。由圖3所知,由于氧化石墨烯本身含有-oh,c-o-c,c=o等含氧基團(tuán),它與羥基磷灰石復(fù)合后,c-o-c基團(tuán)發(fā)生微弱的偏移,證實(shí)氧化石墨烯和羥基磷灰石之間存在相互作用。
實(shí)施例4:本納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料及其制備方法,具體操作如下:
(1)在裝有200ml的蒸餾水燒杯中加入0.833g氯化鈣,將其置于磁力攪拌器上不斷攪拌,使原料完全溶解;接著加入氧化石墨烯粉末,繼續(xù)攪拌使其分散均勻,得到溶液a,水浴加熱并控制溶液溫度為32℃,其中氯化鈣溶液中鈣離子濃度為0.038mol/l,氧化石墨烯粉末的加入量為1.089g,其中氧化石墨烯與氯化鈣的質(zhì)量比為1:1.6;其中,磁力攪拌器轉(zhuǎn)數(shù)為300轉(zhuǎn)/分鐘,并以5℃/min的升溫速率將溫度從室溫升到32℃。
(2)將0.594g磷酸氫二銨加入100ml的蒸餾水中,攪拌使其溶解,得到溶液b,所制備的磷酸氫二銨溶液中磷酸根離子濃度為0.045mol/l;
(3)用量筒量取氨水加入去離子水中,配成氨水溶液,得到溶液c,其濃度為0.030mol/l;
(4)用溶液c調(diào)節(jié)溶液aph值為10,接著以8ml/min的滴加速度加入溶液b,滴定過(guò)程保持溫度為37℃;
(5)滴定完畢后繼續(xù)攪拌16h,攪拌溫度40℃,然后置于常溫下密封陳化13h;
(6)陳化后,靜置,用去離子水不斷反復(fù)清洗、更換上層清液,直到上層清液酸堿度為中性,抽濾后再進(jìn)行干燥處理;其中,抽濾得到的樣品置于-40℃的冰柜中冷凍12h,再將其置于真空冷凍干燥機(jī)中干燥,真空度約為20pa,溫度為-35℃;制得納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料。
實(shí)施例5:本納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料及其制備方法,具體操作如下:
(1)在裝有200ml的蒸餾水燒杯中加入2.58g硫酸鈣,將其置于磁力攪拌器上不斷攪拌,使原料完全溶解;接著加入氧化石墨烯粉末,繼續(xù)攪拌使其分散均勻,得到溶液a,水浴加熱并控制溶液溫度為37℃,其中硫酸鈣溶液中鈣離子濃度為0.075mol/l,氧化石墨烯粉末的加入量為2.177g,其中氧化石墨烯與硫酸鈣的質(zhì)量比為1:1.6;其中,磁力攪拌器轉(zhuǎn)數(shù)為350轉(zhuǎn)/分鐘,并以5℃/min的升溫速率將溫度從室溫升到37℃。
(2)將0.882g磷酸加入100ml的蒸餾水中,攪拌使其溶解,得到溶液b,所制備的磷酸溶液中磷酸根離子濃度為0.090mol/l;
(3)用量筒量取氨水加入去離子水中,配成氨水溶液,得到溶液c,其濃度為0.028mol/l;
(4)用溶液c調(diào)節(jié)溶液aph值為9.5,接著以6ml/min的滴加速度加入溶液b,滴定過(guò)程保持溫度為45℃;
(5)滴定完畢后繼續(xù)攪拌24h,攪拌溫度38℃,然后置于常溫下密封陳化24h;
(6)陳化后,靜置,用去離子水不斷反復(fù)清洗、更換上層清液,直到上層清液酸堿度為中性,抽濾后再進(jìn)行干燥處理;其中,抽濾得到的樣品置于-40℃的冰柜中冷凍12h,再將其置于真空冷凍干燥機(jī)中干燥,真空度約為20pa,溫度為-35℃;制得納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料。
圖4、圖5分別為本實(shí)施案例得到的納米羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合材料的xrd和紅外光譜圖,由圖4所知,純的羥基磷灰石具有良好的結(jié)晶度,其以31.733°(211)、32.196°(112)和32.902°(300)為主要衍射峰存在,而加入氧化石墨烯后,羥基磷灰石三個(gè)主要特征峰以及其他的幾個(gè)特征峰均變寬,說(shuō)明復(fù)合材料的無(wú)序性增加,而氧化石墨烯本身就具有一定的無(wú)序性,基本和以上幾個(gè)案例的衍射圖相近,進(jìn)而兩相材料已經(jīng)進(jìn)行良好的復(fù)合。由圖5所知,由于氧化石墨烯本身含有-oh,c-o-c,c=o等含氧基團(tuán),它與羥基磷灰石復(fù)合后,c-o-c基團(tuán)發(fā)生微弱的偏移,證實(shí)氧化石墨烯和羥基磷灰石之間存在相互作用。