一種生物活性納米粒子及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種生物活性納米粒子及其制備方法。所述生物活性納米粒子為經(jīng)鈣離子表面改性的膠體二氧化硅納米粒子。本發(fā)明的生物活性納米粒子粒徑可控并具有良好的膠體穩(wěn)定性；在模擬體液（SBF）中培養(yǎng)3天后就可以即可觀察到羥基磷灰石的生成；并且所述生物活性納米顆粒具有良好的生物相容性，并對細胞的增殖具有較好的促進作用。
【專利說明】一種生物活性納米粒子及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種生物活性納米粒子，特別涉及包括由膠體二氧化硅納米粒子表面改性的一種生物活性納米粒子及其制備方法。
【背景技術】
[0002]硅基生物活性玻璃陶瓷由于具有良好的生物活性而在骨組織移植和修復材料中具有很高的應用價值，如其在生物體內(nèi)能夠誘導新生骨的生長。在實際應用中，作為硅基生物活性玻璃陶瓷的一種存在形式，硅基生物活性粒子，因其尺寸小，可以更容易地填充進入骨受損部位而備受外科手術大夫的青睞。另外，硅基生物活性粒子還可以作為一種填充材料加入聚合物基體中，從而增強其力學性能和生物活性。近幾年研究發(fā)現(xiàn)，納米尺寸的生物活性粒子在聚合物力學性能以及生物活性增強方面都較傳統(tǒng)的微米或更大尺寸的生物活性粒子具有更為顯著的效果。而且，生物活性納米粒子和動物體中的無機組分一羥基磷灰石(直徑小于100納米)尺寸更為接近。
[0003]溶膠-凝膠法是目前制備硅基生物活性納米粒子最為普遍的一種方法，但是如何使鈣較為容易地進入到體系中是這種方法目前還難以跨越的一個壁壘。硝酸鈣是制備生物活性玻璃陶瓷最常用的鈣的前驅(qū)體，但是由于硝酸根離子的毒性，必須將材料在500度或者更高的高溫下燒結(jié)。雖然目前甲氧乙醇鈣可以代替硝酸鈣作為鈣的前驅(qū)體使用，但是由于體系中存在水解后的有機成分仍然需要200度以上的高溫處理，而高溫會使得納米粒子的分散性變差，從而影響其生物和力學性能的表達。另外，通過此種溶膠-凝膠法制備生物活性納米粒子時，由于鈣的加入往往會影響所得粒子的形貌和粒徑分布，較難獲得單分散的形貌可控的納 米粒子。
[0004]前人研究中發(fā)現(xiàn)，無論是在生物體內(nèi)還是在模擬體液中，生物活性玻璃陶瓷能夠形成羥基磷灰石最重要的步驟是硅羥基(S1-OH)的形成和鈣離子(Ca2+)的釋放。生物活性玻璃陶瓷釋放Ca2+使得體系中Ca2+處于過飽和狀態(tài)，過飽和的Ca2+會在S1-OH處成核，促進羥基磷灰石的生成，從而表現(xiàn)出良好的生物活性。通過溶膠-凝膠法可以制備表面帶有大量S1-OH的膠體二氧化硅納米粒子，但是由于缺少鈣元素，膠體二氧化硅納米粒子并無生物活性。所以，本發(fā)明通過將鈣引入到這種膠體二氧化硅納米粒子中，從而尋找到一種可以在常溫下制備硅基生物活性納米粒子的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種生物活性納米粒子以及制備方法。
[0006]本發(fā)明通過如下技術方案實現(xiàn):
[0007]一種生物活性納米粒子，其特征在于，所述生物活性納米粒子為經(jīng)鈣離子(例如含鈣離子的化合物)表面改性的膠體二氧化硅納米粒子。
[0008]在一個實施方案中，所述生物活性納米粒子為經(jīng)含鈣離子的化合物表面改性的膠體二氧化硅納米粒子。[0009]優(yōu)選地，所述含鈣離子的化合物可以為堿類、鹽類化合物或配合物。例如，所述含鈣離子的化合物中的陰離子可以為0H\ Cl' Br' I-、CO32' HCO3' SO42' HSO4' SO32' HSO3'NO3' CH3COO' CH3O' C2H5CT 等或其混合物。
[0010]在一個實施方案中，所述生物活性納米粒子的大小可以通過改變原料膠體二氧化娃納米粒子的大小進行調(diào)節(jié)。
[0011]所述生物活性納米粒子可以為任何形狀的，例如無規(guī)粒子或球形粒子。
[0012]對于本發(fā)明的生物活性納米粒子的粒徑?jīng)]有特別限定，例如可以為I納米至900納米，或10納米至800納米，例如12、25、40、50、100、300或600納米。優(yōu)選地，所述生物活性納米粒子的粒徑是均勻的，優(yōu)選地，其粒徑多分散指數(shù)(polydispersity index, PDI)小于 0.2。[0013]本發(fā)明還提供一種生物活性納米粒子的制備方法，其特征在于，所述方法包括使用鈣離子(例如含鈣離子的化合物)將膠體二氧化硅納米粒子表面改性。
[0014]優(yōu)選地，所述含鈣離子的化合物可以為堿類、鹽類化合物或配合物。例如，所述含鈣離子的化合物中的陰離子可以為0H\ Cl' Br' I-、CO32' HCO3' SO42' HSO4' SO32' HSO3'NO3' CH3COO' CH3O' C2H5CT 等或其混合物。
[0015]在一個實施方案中，所述表面改性的步驟優(yōu)選在溶劑的存在下進行。其中，所述溶劑優(yōu)選為惰性溶劑，例如水。
[0016]優(yōu)選地，在所述表面改性的步驟中，將膠體二氧化硅納米粒子和鈣離子(例如含鈣離子的化合物)混合。優(yōu)選地，通過攪拌(例如磁力攪拌或機械攪拌)而進行混合。
[0017]對于表面改性的溫度沒有特別限定。在一個實施方案中，所述表面改性的步驟在溫度為約10°C~約40°C，優(yōu)選約20°C~約30°C，更優(yōu)選約23°C~約27°C下進行，例如約25°C。更高或更低的溫度也是可能的。
[0018]在一個實施方案中，所述攪拌反應時間優(yōu)選為約5~約24小時，更優(yōu)選約8~約12小時。更短或更長的反應時間也是可能的。
[0019]優(yōu)選地，在混合后進行離心洗滌，更優(yōu)選用水洗滌。
[0020]在一個優(yōu)選的實施方案中，膠體二氧化硅納米粒子(以二氧化硅計)和鈣離子的摩爾比可以為10:1~1000:1，優(yōu)選20:1~500:1，更優(yōu)選30:1~100:1，例如35:1,50:1,60:1,75:1 或 80:1。
[0021]在另一個優(yōu)選的實施方案中，溶劑與膠體二氧化硅納米粒子的質(zhì)量比為約10:1~約100:1，優(yōu)選約25:1~約75:1，更優(yōu)選約40:1~約60:1。
[0022]在一個實施方案中，所述方法還包括改變原料膠體二氧化硅納米粒子的大小。
[0023]在另一個優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明的方法包括如下步驟:
[0024]( I)將膠體二氧化硅納米粒子在水中分散，形成均勻的分散體系；
[0025](2)將鈣離子(例如含鈣離子的化合物的水溶液)加入步驟(1)所得的均勻的分散體系中，于一定溫度下磁力或機械攪拌進行混合，離心，洗去未反應的鈣離子(例如含鈣離子的化合物)，干燥后可獲得粒徑均勻的球形生物活性納米粒子。優(yōu)選地，所述粒子的粒徑多分散指數(shù)小于0.2。
[0026]本發(fā)明進一步提供通過上述方法制備得到的生物活性納米粒子。
[0027]本發(fā)明制備的生物活性納米粒子具有以下優(yōu)點:[0028]1.本發(fā)明生物活性納米粒子的原料簡單，廉價易得，制備方法較傳統(tǒng)方法簡便，可大規(guī)模生產(chǎn)。
[0029]2.本發(fā)明的生物活性納米粒子由于在室溫下制備，而且不需要后續(xù)高溫處理，所以具有良好的分散性。
[0030]3.該生物活性納米粒子粒徑和形貌可控，具有良好的膠體穩(wěn)定性，并且可以通過調(diào)節(jié)膠體二氧化娃納米粒子的尺寸來調(diào)節(jié)生物活性納米粒子的大小。
[0031 ] 4.該生物活性納米粒子具有良好的生物活性和生物相容性，并且能夠促進細胞增殖，在模擬體液中培養(yǎng)3天即可生成羥基磷灰石。
[0032]5.該生物活性納米粒子生物相容性好，無細胞毒性，并能夠促進細胞增殖，在骨移植和骨修復材料等領域應用前景廣闊。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為實施例1中所得生物活性納米粒子與未表面改性的膠體二氧化硅納米粒子在模擬體液中培養(yǎng)后的X射線衍射結(jié)果。
[0034]圖2為成骨細胞MC3T3-E1與實施例1中所得生物活性納米粒子在培養(yǎng)基中培養(yǎng)后的細胞增殖圖。
[0035]圖3為實施例2中所得生物活性納米粒子與未表面改性的膠體二氧化硅納米粒子在模擬體液中培養(yǎng) 后的X射線衍射結(jié)果。
[0036]圖4為實施例l(a)、2(b)、3(c)中所得生物活性納米粒子的透射電鏡圖片。
[0037]以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
【具體實施方式】
[0038]本發(fā)明的保護范圍不僅限于以下實施例。根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，本領域技術人員將認識到在不脫離本發(fā)明技術方案所給出的技術特征和范圍的情況下，對以上所述實施例作出各種變化和修改都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0039]實施例1
[0040]本實施例中以采用溶膠-凝膠法制備的粒徑為40納米的膠體二氧化硅納米粒子為原料。首先，將膠體二氧化硅納米粒子在水中攪拌分散，形成均勻的分散體系。然后，將氫氧化鈣的飽和水溶液加入到上述膠體二氧化硅納米粒子的水分散體系中，其中二氧化硅和氫氧化鈣的摩爾比為50:1，體系中的水與二氧化硅的質(zhì)量比為50:1。將該體系于25°C下磁力攪拌8小時后，離心，并用水洗滌以除去未反應的氫氧化鈣，干燥后即可得到粒徑約為40納米的生物活性納米粒子。
[0041]將上述制備的生物活性納米粒子和未改性的膠體二氧化硅納米粒子于模擬人體液(模擬人體液的配制方法參考 Kokubo T, et al, Biomaterials, May, 2006, Vol27, Issuel
5,2907-2915, “How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity?”)中培養(yǎng)，分別于3d (d表示天)、7d、14d后取出并洗滌干燥后進行X射線衍射測試，分別表示為B-3d、B-7d、B-14d (改性的)、S-3d、S-7d、S-14d (未改性的)。結(jié)果表明，生物活性納米粒子在模擬體液中培養(yǎng)3d后(B-3d)即有羥基磷灰石生成，并隨著培養(yǎng)時間的延長，羥基磷灰石的生成量逐漸增多。但是，未改性的膠體二氧化硅納米粒子在培養(yǎng)14d后(S-14d)仍然沒有生物活性。
[0042]為了檢測上述制備的生物活性納米粒子和細胞的相容性以及細胞毒性，通過MTT實驗對其進行檢測。將成骨細胞MC3T3-E1于DMEM中進行培養(yǎng)，培養(yǎng)基中另外加入10%胎牛血清(FBS)、0.lmg/mL青霉素和0.lmg/mL鏈霉素。細胞密度為5X IO3/孔。為了模擬天然骨組織中的細胞生長環(huán)境，培養(yǎng)基中另外加入3mg/mL的明膠。將上述生物活性納米粒子(3mg/mL)加入培養(yǎng)有細胞的培養(yǎng)基中，未加入明膠和生物活性納米粒子的一組細胞作為對照組，所有三組細胞均在標準的培養(yǎng)條件下培養(yǎng)。圖2中發(fā)現(xiàn)，上述制備的生物活性納米粒子對細胞并未表現(xiàn)出毒性，并且和其他兩組相對比發(fā)現(xiàn)，生物活性納米粒子的加入在一定程度上能夠促進細胞的增殖，說明了上述方法制備的納米粒子具有良好的生物活性和生物相容性。
[0043]實施例2
[0044]本實施例中采用溶膠-凝膠法制備的粒徑為100納米的膠體二氧化硅納米粒子為原料。首先，將膠體二氧化硅納米粒子在水中分散，形成均勻的分散體系。然后，將Immol/L的氫氧化鈣水溶液加入到上述膠體二氧化硅納米粒子的水分散體系中，保持二氧化硅和氫氧化鈣的摩爾比為60:1，體系中水與二氧化硅的質(zhì)量比為30:1。將該體系于15°C下磁力攪拌10小時后，離心，并用水洗滌以除去未反應的氫氧化鈣，干燥后即可得到粒徑約為100納米的生物活性納米粒子。
[0045]將上述制備的生物活性納米粒子和未改性的膠體二氧化硅納米粒子于模擬人體液中培養(yǎng)，分別于3d、7d、14d后取出并洗滌干燥后進行X射線衍射測試，分別表示為B-3d、B-7d、B-14d、S-3d、S-7d、S_14d。結(jié)果表明，生物活性納米粒子在模擬體液中培養(yǎng)3d后即有羥基磷灰石生成，并隨著培養(yǎng)時間的延長，羥基磷灰石的生成量逐漸增多。但是，未改性的膠體二氧化硅納米粒子在培養(yǎng)14d后仍然沒有生物活性。
[0046]實施例3
[0047]本實施例中采用溶膠-凝膠法制備的粒徑為300納米的膠體二氧化硅納米粒子為原料。首先，將膠體二氧化硅納米粒子在水中分散，形成均勻的分散體系。然后，將lmmol/L的氫氧化鈣水溶液加入到上述膠體二氧化硅納米粒子的水分散體系中，保持二氧化硅和氫氧化鈣的摩爾比為30:1，體系中水與二氧化硅的質(zhì)量比為100:1。將該體系于40°C下磁力攪拌24小時后，離心，并用水洗滌以除去未反應的氫氧化鈣，干燥后即可得到粒徑約為300納米的生物活性納米粒子。
[0048]實施例4
[0049]本實施例中采用溶膠-凝膠法制備的粒徑為600納米的膠體二氧化硅納米粒子為原料。首先，將膠體二氧化硅納米粒子在水中分散，形成均勻的分散體系。然后，將氫氧化鈣的飽和水溶液加入到上述膠體二氧化硅納米粒子的水分散體系中，保持二氧化硅和氫氧化鈣的摩爾比為100:1，體系中水與二氧化硅的質(zhì)量比為10:1。將該體系于10°C下磁力攪拌5小時后，離心，并用 水洗滌以除去未反應的氫氧化鈣，干燥后即可得到粒徑約為600納米的生物活性納米粒子。
[0050]實施例5
[0051]本實施例中采用商品化的粒徑為12納米的膠體二氧化硅納米粒子為原料。由于本實施例中膠體二氧化硅納米粒子以在水中的均勻分散體系存在，所以使用時直接將將lmmol/L的氫氧化鈣水溶液加入到上述膠體二氧化硅納米粒子的水分散體系中，保持二氧化硅和氫氧化鈣的摩爾比為80:1，體系中水與二氧化硅的質(zhì)量比為20:1。將該體系于20°C下磁力攪拌12小時后，離心，并用水洗滌以除去未反應的氫氧化鈣，干燥后即可得到粒徑約為12納米的生物活性納米粒子。
[0052]實施例6
[0053]本實施例中采用商品化的粒徑為25納米的膠體二氧化硅納米粒子為原料。由于本實施例中膠體二氧化硅納米粒子以在水中的均勻分散體系存在，所以使用時直接將將氫氧化鈣的飽和水溶液加入到上述膠體二氧化硅納米粒子的水分散體系中，保持二氧化硅和氫氧化鈣的摩爾比為35:1，體系中水與二氧化硅的質(zhì)量比為45:1。將該體系于18°C下磁力攪拌15小時后，離心，并用水洗滌以除去未反應的氫氧化鈣，干燥后即可得到粒徑約為25納米的生物活性納米粒子。
[0054]實施例7
[0055]本實施例中采用商品化的粒徑為50納米的膠體二氧化硅納米粒子為原料。由于本實施例中膠體二氧化硅納米粒子以在水中的均勻分散體系存在，所以使用時直接將將氫氧化鈣的飽和水溶液加入到上述膠體二氧化硅納米粒子的水分散體系中，保持二氧化硅和氫氧化鈣的摩爾比為75:1，體系中水與二氧化硅的質(zhì)量比為30:1。將該體系于23°C下磁力攪拌9小時后，離心，并用水洗滌以除去未反應的氫氧化鈣，干燥后即可得到粒徑約為50納米的生物活性納 米粒子。
【權利要求】
1.一種生物活性納米粒子，其特征在于，所述生物活性納米粒子為經(jīng)鈣離子(例如含鈣離子的化合物)表面改性的膠體二氧化硅納米粒子。
2.權利要求1的生物活性納米粒子，其特征在于，所述含鈣離子的化合物可以為堿類、鹽類化合物或配合物，例如，所述含鈣離子的化合物中的反離子可以為0H_、Cl' Br' 、CO32' HCO3' SO42' HSO4' SO32' HSO3' NO3' CH3COO' CH3O' C2H5CT 或其混合物。
3.權利要求2的生物活性納米粒子，其特征在于膠體二氧化硅納米粒子以二氧化硅計和鈣離子的摩爾比可以為10:1~1000:1，優(yōu)選20:1~500:1，更優(yōu)選30:1~100:1，例如35:1、50:1、60:1、75:1 或 80:1。
4.權利要求1-3任一項的生物活性納米粒子，其特征在于，所述生物活性納米粒子的大小可以通過改變原料膠體二氧化硅納米粒子的大小進行調(diào)節(jié)，所述膠體二氧化硅納米粒子的粒徑優(yōu)選是均勻的，其粒徑多分散指數(shù)優(yōu)選小于0.2。
5.一種生物活性納米粒子的制備方法，其特征在于，所述方法包括將膠體二氧化硅納米粒子表面改性的步驟，優(yōu)選使用鈣離子(例如含鈣離子的化合物)將膠體二氧化硅納米粒子表面改性的步驟。
6.權利要求5的方法，其特征在于所述表面改性的步驟在溶劑的存在下進行；其中，所述溶劑優(yōu)選為惰性溶劑，例如水；優(yōu)選地，所述表面改性的步驟在溫度為10°c~40°C，優(yōu)選20°C~30°C，更優(yōu)選23°C~27°C，例如25°C下進行。
7.權利要求5或6的制備方法，其特征在于，在所述表面改性的步驟中，將膠體二氧化硅納米粒子和含鈣離子的化合物混合；優(yōu)選地，通過攪拌而進行混合，更優(yōu)選地，在混合后例如用水進行離心洗滌。
8.權利要求5-7任一項的制備方法，其特征在于，膠體二氧化硅納米粒子以二氧化硅計和鈣離子的摩爾比可以為1 0:1~1000:1，優(yōu)選20:1~500:1，更優(yōu)選30:1~100:1，例如35:1、50:1、60:1、75:1或80:1 ;和/或，所述溶劑與膠體二氧化硅納米粒子的質(zhì)量比為10:1 ~100:1，優(yōu)選 25:1 ~75:1，更優(yōu)選 40:1 ~60:1。
9.權利要求5-8任一項的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: (1)將膠體二氧化硅納米粒子在水中分散，形成均勻的分散體系； (2)將鈣離子(例如含鈣離子的化合物的水溶液)加入步驟(1)所得的均勻的分散體系中，于一定溫度下磁力或機械攪拌進行混合，離心，洗去未反應的鈣離子(例如含鈣離子的化合物)，干燥后獲得粒徑均勻的生物活性納米粒子。
10.通過權利要求5-9任一項的方法制備的生物活性納米粒子，所述粒子的粒徑多分散指數(shù)優(yōu)選小于0.2。
【文檔編號】A61L27/50GK103845756SQ201410072292
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權日:2014年2月28日
【發(fā)明者】邱東, 王晨 申請人:中國科學院化學研究所