硅酸钙多级纳米结构介孔微球及其制备方法.pdf

本发明涉及一种硅酸钙多级纳米结构介孔微球及其制备方法，属于生物材料领域。本发明采用Ca(NO3)2水溶液和NaOH水溶液在搅拌的条件下混合均匀，然后加入正硅酸乙酯在超声波作用反应，最后离心分离，用水和乙醇洗涤，干燥后得到产物。本发明制得的硅酸钙多级纳米结构介孔微球，其化学组成中钙与硅的摩尔比为3∶2，由纳米片组装而成的多孔状的类似球形颗粒，其颗粒尺寸为0.6-1.5μm并且具有介孔结构，其孔径分布在4-30nm之间。本发明比表面积大，孔隙量大，对水难

1、  硅酸钙多级纳米结构介孔微球，其特征在于：
化学组成中钙与硅的摩尔比为3∶2；
由纳米片组装而成的多孔状的类似球形颗粒，颗粒尺寸为0.6-1.5μm；
具有介孔结构，其孔径主要分布在4-30nm之间。

2、  硅酸钙多级纳米结构介孔微球的制备方法，包括下述步骤：
(1)配制Ca(NO₃)₂水溶液和NaOH水溶液；
(2)在搅拌的条件下，先将步骤(1)中Ca(NO₃)₂水溶液和NaOH水溶液按钙元素与钠元素摩尔比为1∶1至10∶3混合均匀，然后加入正硅酸乙酯，并使最终混合液中钙与硅元素的摩尔比为1∶1至2∶1；
(3)超声波作用10-120min；
(4)将步骤(3)所得产物离心分离，用水和乙醇洗涤，干燥后得到硅酸钙多级纳米结构介孔微球。

3、  按权利要求2所述的硅酸钙多级纳米结构介孔微球的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中Ca(NO₃)₂水溶液浓度为0.01-0.2mol/L mol/L。

4、  按权利要求3所述的硅酸钙多级纳米结构介孔微球的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中Ca(NO₃)₂水溶液浓度为0.03-0.05mol/L。

5、  按权利要求2所述的硅酸钙多级纳米结构介孔微球的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中NaOH水溶液浓度为1-4mol/L。

6、  按权利要求3或5所述的硅酸钙多级纳米结构介孔微球的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中超声波作用的条件为频率率为10-50kHz、功率为100-1000W。

7、  按权利要求6所述的硅酸钙多级纳米结构介孔微球的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中超声波的功率为350-450W。

8、  按权利要求3或5所述的硅酸钙多级纳米结构介孔微球的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中超声波作用的时间为10-50min。

9、  按权利要求1所述的硅酸钙多级纳米结构介孔微球用于生物医药领域。

硅酸钙多级纳米结构介孔微球及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种硅酸钙多级纳米结构介孔微球及其制备方法，属于生物材料领域。
背景技术
介孔微球是孔径在2-50nm之间的多孔状微米级球形颗粒。介孔材料由于其比表面积大，广泛应用于催化等领域，并且在分离提纯、新型组装材料及生物材料等方面有着良好的应用潜力。
近十年来，硅基介孔材料在药物传递系统方面的应用受到了广泛的关注。硅基介孔材料不仅比表面积和孔隙量大，而且具有良好的生物相容性。目前用于药物传递载体研究的硅基介孔材料主要是基于无定型二氧化硅的空心球、核壳结构、多孔颗粒及其高分子复合物等。然而，在这些材料的制备过程中，表面活性剂被广泛使用，其残留物对生物细胞有一定毒性，而且这些材料的载药量有待进一步提高。此外，二氧化硅的生物活性也不是很理想。
目前，在骨科领域，聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)是临床上最常用的药物载体。长期临床应用表明其存在一些缺点，例如：(1)长期低于治疗水平的抗生素释放容易导致细菌的抗药性和繁殖，而且药物释放不完全；(2)生物相容性差，组织不能在上面生长，形成的组织与材料的间隙会导致细菌的残留；(3)对多核巨细胞有抑制作用，影响机体的免疫功能；(4)不能被生物体降解吸收，始终为异物，阻碍新骨的形成，因而往往需要二次手术取出材料。在这种情况下，目前急需一种新的替代材料，这种材料不仅要有良好的生物活性、生物相容性及生物可降解性，而且要有较大的药物装载量及较好的临床安全性。
硅酸钙是近些年兴起的新型生物材料，其钙硅组成比传统的硅基生物材料(比如无定型二氧化硅)具有更好的生物活性、相容性及可降解性。它能被组织重新吸收利用，并最终转化为类骨磷灰石，因此没有异物残留的问题。其表面的大量钙离子能通过对一般抗炎镇痛药物分子的有效吸附提高其药物装载量。尽管如此，其药物装载量的提高还需要具有大的比表面积和孔隙量。硅酸钙多级纳米结构介孔微球集以上优点于一身，它在药物传输领域具有很大的应用潜力。
传统制备方法(如共沉淀法、溶胶凝胶法、水热法等)须在使用表面活性剂作为模板的条件下才可能得到硅酸钙介孔结构。而超声波法由于具有空化效应有利于多孔结构的形成。但是，用超声波法制备大多数材料仍需要各种表面活性剂的辅助。无表面活性剂条件下制备硅酸钙多级纳米结构介孔微球目前还没有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅酸钙多级纳米结构介孔微球及其制备方法。
本发明所述硅酸钙多级纳米结构介孔微球，其特征在于，化学组成中钙与硅的摩尔比为3∶2；
所述硅酸钙多级纳米结构介孔微球，其特征在于，是由纳米片组装而成的多孔状的类似球形颗粒，其颗粒尺寸为0.6-1.5μm；
所述硅酸钙多级纳米结构介孔微球，其特征在于，具有介孔结构，其孔径分布在4-30nm之间。
所述硅酸钙多级纳米结构介孔微球的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制浓度为0.01-0.2mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液和1-4mol/L的NaOH水溶液。
(2)在搅拌的条件下，先将步骤(1)中所述Ca(NO₃)₂水溶液和NaOH水溶液按钙元素与钠元素摩尔比为1∶1至10∶3混合均匀，然后加入正硅酸乙酯，并使最终混合液中钙与硅元素的摩尔比为1∶1至2∶1。
(3)用频率为10-50kHz、功率为100-1000W的超声波作用10-120min。
(4)将步骤(3)所得产物离心分离，用水和乙醇洗涤，干燥后得到硅酸钙多级纳米结构介孔微球。
所述步骤(1)中优选的Ca(NO₃)₂水溶液浓度为0.03-0.05mol/L。
所述步骤(3)中优选的超声波的功率为350-450W。
所述步骤(3)中优选的超声波的作用时间为10-50min。
本发明的硅酸钙多级纳米结构介孔微球，经BET法测得比表面积为200-300m²/g，经BJH法测得孔隙量为1-1.5cm³/g。所述硅酸钙多级纳米结构介孔微球可以用作药物载体，对水难溶性药物具有超高的载药量(布洛芬的装载量为1.6-2.3g布洛芬/g载体)以及优良的药物缓释性能。本发明的硅酸钙多级纳米结构介孔微球及其制备方法具有以下优点：
(1)制备使用环境友好的原料，不会对环境造成污染；
(2)制备是在室温下进行，产率高，且反应迅速，具有快速合成的优点，产出效率高，并节约能源；
(3)原料廉价易得，操作方便，制备工艺简单，易于实现工业化生产；
(4)制得的硅酸钙多级纳米结构介孔微球形貌和尺寸比较均一，比表面积大，孔隙量大。
(5)制得的硅酸钙多级纳米结构介孔微球适合于作为药物载体材料，对水难溶性药物具有超高的载药量(布洛芬的装载量为1.6-2.3g布洛芬/g载体)以及优良的药物缓释性能。
(6)硅酸钙多级纳米结构介孔微球具有良好的生物活性和可降解性，其载药体系在模拟体液环境下释放药物的同时，会有羟基磷灰石形成，并且最终会完全转化为类骨羟基磷灰石。
综上所述，与现有技术中的其它方法相比，本发明的硅酸钙多级纳米结构介孔微球比表面积大，孔隙量大，可用作药物载体，对水难溶性药物具有超高的载药量以及优良的药物缓释性能，在生物医药领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1硅酸钙多级纳米结构介孔微球的制备工艺流程图。
图2采用本发明方法制得的硅酸钙多级纳米结构介孔微球的扫描电镜(SEM)照片。从图2可以看出，硅酸钙多级纳米结构介孔微球尺寸约为1μm，是由厚度约为30nm的纳米片组装而成的多级纳米结构，并具有多孔结构。
图3采用本发明方法制得的硅酸钙多级纳米结构介孔微球的X-射线粉末衍射(XRD)谱图。图3表明制得的硅酸钙硅酸钙多级纳米结构介孔微球的化学成分为Ca₃Si₂O₇·xH₂O(JCPDS 33-0306)。
图4采用本发明方法制得的硅酸钙多级纳米结构介孔微球的氮气吸附脱附曲线及相应的孔径分布曲线。图4说明了制得的硅酸钙硅酸钙多级纳米结构介孔微球的介孔特性，其孔径主要分布在2-50nm范围内，平均孔径约为11nm。
图5装载了水难溶药物布洛芬的硅酸钙多级纳米结构介孔微球在模拟体液中的药物缓释曲线。
图6装载了水难溶药物布洛芬的硅酸钙多级纳米结构介孔微球在模拟体液中药物缓释完成后的X-射线粉末衍射(XRD)谱图。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步描述本发明所述的硅酸钙多级纳米结构介孔微球及其制备方法。应说明，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
制备硅酸钙多级纳米结构介孔微球
分别配制浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液。在室温、搅拌的条件下，往65mL浓度为0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液中依次加入5mL浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.34mL硅酸乙酯，得到一乳浊液。然后将超声探头浸入乳浊液，在400W的功率下超声作用20min。反应结束后，用离心法分离产物，分离的产物用去离子水和乙醇分别洗涤三次，60℃空气气氛干燥，得到硅酸钙多级纳米结构介孔微球。
实施例2
制备硅酸钙多级纳米结构介孔微球
分别配制浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液。在室温、搅拌的条件下，往65mL浓度为0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液中依次加入10mL浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.34mL硅酸乙酯，得到一乳浊液。然后将超声探头浸入乳浊液，在400W的功率下超声作用20min。反应结束后，用离心法分离产物，分离的产物用去离子水和乙醇分别洗涤三次，60℃空气气氛干燥，得到硅酸钙多级纳米结构介孔微球。
实施例3
制备硅酸钙多级纳米结构介孔微球
分别配制浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液。在室温、搅拌的条件下，往65mL浓度为0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液中依次加入3mL浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.34mL硅酸乙酯，得到一乳浊液。然后将超声探头浸入乳浊液，在400W的功率下超声作用20min。反应结束后，用离心法分离产物，分离的产物用去离子水和乙醇分别洗涤三次，60℃空气气氛干燥，得到硅酸钙多级纳米结构介孔微球。
实施例4
制备硅酸钙多级纳米结构介孔微球
分别配制浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液。在室温、搅拌的条件下，往65mL浓度为0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液中依次加入5mL浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.34mL硅酸乙酯，得到一乳浊液。然后将超声探头浸入乳浊液，在400W的功率下超声作用10min。反应结束后，用离心法分离产物，分离的产物用去离子水和乙醇分别洗涤三次，60℃空气气氛干燥，得到硅酸钙多级纳米结构介孔微球。
实施例5
制备硅酸钙多级纳米结构介孔微球
分别配制浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液。在室温、搅拌的条件下，往65mL浓度为0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液中依次加入5mL浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.34mL硅酸乙酯，得到一乳浊液。然后将超声探头浸入乳浊液，在400W的功率下超声作用30min。反应结束后，用离心法分离产物，分离的产物用去离子水和乙醇分别洗涤三次，60℃空气气氛干燥，得到硅酸钙多级纳米结构介孔微球。
实施例6
制备硅酸钙多级纳米结构介孔微球
分别配制浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液。在室温、搅拌的条件下，往65mL浓度为0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液中依次加入5mL浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.34mL硅酸乙酯，得到一乳浊液。然后将超声探头浸入乳浊液，在300W的功率下超声作用20min。反应结束后，用离心法分离产物，分离的产物用去离子水和乙醇分别洗涤三次，60℃空气气氛干燥，得到硅酸钙多级纳米结构介孔微球。
实施例7
制备硅酸钙多级纳米结构介孔微球
分别配制浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液。在室温、搅拌的条件下，往65mL浓度为0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液中依次加入5mL浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.34mL硅酸乙酯，得到一乳浊液。然后将超声探头浸入乳浊液，在300W的功率下超声作用30min。反应结束后，用离心法分离产物，分离的产物用去离子水和乙醇分别洗涤三次，60℃空气气氛干燥，得到硅酸钙多级纳米结构介孔微球。
实施例8
制备硅酸钙多级纳米结构介孔微球
分别配制浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液。在室温、搅拌的条件下，往65mL浓度为0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液中依次加入5mL浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.34mL硅酸乙酯，得到一乳浊液。然后将超声探头浸入乳浊液，在200W的功率下超声作用20min。反应结束后，用离心法分离产物，分离的产物用去离子水和乙醇分别洗涤三次，60℃空气气氛干燥，得到硅酸钙多级纳米结构介孔微球。
实施例9
制备硅酸钙多级纳米结构介孔微球
分别配制浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液。在室温、搅拌的条件下，往65mL浓度为0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液中依次加入5mL浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.34mL硅酸乙酯，得到一乳浊液。然后将超声探头浸入乳浊液，在200W的功率下超声作用30min。反应结束后，用离心法分离产物，分离的产物用去离子水和乙醇分别洗涤三次，60℃空气气氛干燥，得到硅酸钙多级纳米结构介孔微球。
实施例10
制备硅酸钙多级纳米结构介孔微球
分别配制浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液。在室温、搅拌的条件下，往65mL浓度为0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液中依次加入5mL浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.34mL硅酸乙酯，得到一乳浊液。然后将超声探头浸入乳浊液，在600W的功率下超声作用10min。反应结束后，用离心法分离产物，分离的产物用去离子水和乙醇分别洗涤三次，60℃空气气氛干燥，得到硅酸钙多级纳米结构介孔微球。
实施例11
制备硅酸钙多级纳米结构介孔微球
分别配制浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液。在室温、搅拌的条件下，往65mL浓度为0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液中依次加入5mL浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.34mL硅酸乙酯，得到一乳浊液。然后将超声探头浸入乳浊液，在600W的功率下超声作用20min。反应结束后，用离心法分离产物，分离的产物用去离子水和乙醇分别洗涤三次，60℃空气气氛干燥，得到硅酸钙多级纳米结构介孔微球。
实施例12
制备硅酸钙多级纳米结构介孔微球
分别配制浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液。在室温、搅拌的条件下，往65mL浓度为0.046mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液中依次加入5mL浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.34mL硅酸乙酯，得到一乳浊液。然后将超声探头浸入乳浊液，在600W的功率下超声作用30min。反应结束后，用离心法分离产物，分离的产物用去离子水和乙醇分别洗涤三次，60℃空气气氛干燥，得到硅酸钙多级纳米结构介孔微球。
实施例13
制备硅酸钙多级纳米结构介孔微球
分别配制浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.03mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液。在室温、搅拌的条件下，往65mL浓度为0.03mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液中依次加入5mL浓度为1mol/L的NaOH水溶液和0.45mL硅酸乙酯，得到一乳浊液。然后将超声探头浸入乳浊液，在400W的功率下超声作用30min。反应结束后，用离心法分离产物，分离的产物用去离子水和乙醇分别洗涤三次，60℃空气气氛干燥，得到硅酸钙多级纳米结构介孔微球。
实施例14
制备硅酸钙多级纳米结构介孔微球
分别配制浓度为4mol/L的NaOH水溶液和0.03mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液。在室温、搅拌的条件下，往500mL浓度为0.03mol/L的Ca(NO₃)₂水溶液中依次加入5mL浓度为4mol/L的NaOH水溶液和2mL硅酸乙酯，得到一乳浊液。然后将超声探头浸入乳浊液，在400W的功率下超声作用50min。反应结束后，用离心法分离产物，分离的产物用去离子水和乙醇分别洗涤三次，60℃空气气氛干燥，得到硅酸钙多级纳米结构介孔微球。
实施例15
硅酸钙多级纳米结构介孔微球用于水难溶性药物布洛芬的装载和缓释
装载：0.75g硅酸钙多级纳米结构介孔微球加入到50mL浓度为40mg/mL的布洛芬正己烷溶液中，密封后在37℃条件下摇匀24小时，然后将载药后的硅酸钙多级纳米结构介孔微球分离、用正己烷洗涤、干燥、压片(每片0.2g)。
缓释：将压片浸入200mL模拟体液(pH 7.4)中，在37℃摇匀。每隔2小时取出2ml释放介质，同时向原混合液中补加2mL新鲜模拟体液。对取出的释放介质进行紫外吸收光谱测试，并对波长为264nm处的紫外吸收峰强度进行分析，得到装载布洛芬的硅酸钙多级纳米结构介孔微球在模拟体液中的药物缓释曲线，如图5所示，其药物释放时间可以长达372小时，并且最终几乎能将药物完全释放。
图6为装载了水难溶药物布洛芬的硅酸钙多级纳米结构介孔微球在模拟体液中药物缓释完成后的X-射线粉末衍射(XRD)谱图，谱图所对应的物相为羟基磷灰石Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂(JCPDS 74-0565)。图6表明，装载了布洛芬的硅酸钙多级纳米结构介孔微球在药物释放完成后硅酸钙成分已经完全转化为羟基磷灰石。