用于注射填充制剂的羟基磷灰石微球及其制备方法
阅读说明：本技术 用于注射填充制剂的羟基磷灰石微球及其制备方法 (Hydroxyapatite microspheres for injection filling preparation and preparation method thereof ) 是由 黄卫民 于卓辰 于 2021-02-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于注射填充制剂的羟基磷灰石微球及其制备方法。所述制备方法包括：步骤1：将钙源、磷源分别配制成钙源溶液和磷源溶液并混合,向其中加入支持电解质,调节所得到的混合溶液的pH为微酸性,然后进行电化学沉积,得到针状亚微米/纳米级羟基磷灰石初级产物；步骤2：将所述羟基磷灰石初级产物进行研磨粉碎,然后配制成料浆；步骤3：将所述料浆进行喷雾干燥,得到羟基磷灰石微球粗品；步骤4：将所述羟基磷灰石微球粗品进行高温煅烧；步骤5：将煅烧后的羟基磷灰石微球粗品进行筛分,得到所述羟基磷灰石微球。本发明的制备方法显著提高了生产效率。所制得的羟基磷灰石微球具有所需的粒径分布和高球形度。(The invention relates to hydroxyapatite microspheres for injection filling preparations and a preparation method thereof. The preparation method comprises the following steps: step 1: respectively preparing a calcium source solution and a phosphorus source solution from a calcium source and a phosphorus source, mixing, adding a supporting electrolyte, adjusting the pH value of the obtained mixed solution to be subacidity, and then carrying out electrochemical deposition to obtain a needle-shaped submicron/nanoscale hydroxyapatite primary product; step 2: grinding and crushing the primary product of the hydroxyapatite, and preparing into slurry; and step 3: spray drying the slurry to obtain a hydroxyapatite microsphere crude product; and 4, step 4: calcining the coarse hydroxyapatite microsphere product at high temperature; and 5: and screening the calcined hydroxyapatite microsphere crude product to obtain the hydroxyapatite microsphere. The preparation method of the invention obviously improves the production efficiency. The prepared hydroxyapatite microspheres have the required particle size distribution and high sphericity.)
技术领域
本发明涉及化学、化学工程与工艺、材料学及生物医学交叉技术，具体地，涉及一种用于注射填充制剂的羟基磷灰石微球及其制备方法，其中通过电化学沉积法制得羟基磷灰石初级产物，然后再制备得到羟基磷灰石微球。
背景技术
羟基磷灰石(HAP，Ca10(OH)2(PO4)6)，又名羟基磷酸钙，是人及其他动物骨骼的主要无机组成部分。由化学方法直接制备的羟基磷灰石具有与人体骨骼相似的结构和功能，因此广泛应用于生物材料、药学及医学领域，例如药物缓释、血清蛋白分离等领域。特别地，羟基磷灰石常用于自体骨的修复、口腔医学的牙种植体涂层及医美整形等。
通常使用微米级粒径的羟基磷灰石作为软组织损伤的修复材料和结构支撑材料，例如用于制备注射填充制剂。如果羟基磷灰石颗粒的粒径过小，就容易发生羟基磷灰石颗粒从注射部位迁移到其他部位的问题。如果粒径过大，则会使复配成凝胶的聚集物堵塞注射器。因此，优选羟基磷灰石的粒径为25～45μm。
此外，如果羟基磷灰石是不规则的非球形结构，就会容易造成人体内的炎症和积液。因此，要求羟基磷灰石的球形度尽量高。
目前，制备具有特定粒径分布、球形度高的羟基磷灰石微球，成为重要的研究对象。
制备羟基磷灰石微球的方法通常包括：首先制备亚微米/纳米级羟基磷灰石初级产物，然后将羟基磷灰石初级产物进行造粒(如喷雾干燥、微波处理、乳液溶剂挥发处理等)、高温煅烧、筛分，从而得到羟基磷灰石微球。
一般通过湿化学沉淀法制备亚微米/纳米级羟基磷灰石初级产物。然而，通过湿化学沉淀法得到的初始沉淀物包含磷酸三钙、磷酸八钙等杂质，需要24-120h的时间陈化，才能达到所需的羟基磷灰石初级产物纯度。也就是说，这种方法需要的陈化时间长，且溶液pH过高，不利于连续生产和环境保护。此外，所制备的羟基磷灰石初级产物一般在溶液中为絮状沉淀物，形状不规则，这不利于实现后期的羟基磷灰石的球形度要求。
因此，需要一种生产效率改进的制备羟基磷灰石微球的新方法。此外，需要所制得的羟基磷灰石微球具有粒径优化、球形度高等性能。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是，提供一种用于注射填充制剂的羟基磷灰石微球的制备方法，本发明的制备方法通过采用电化学沉积法，无需长时间陈化就能快速大量制得羟基磷灰石初级产物，并且后续制得的羟基磷灰石微球具有所需的粒径分布和高球形度。由此，显著提高了羟基磷灰石微球的生产效率。此外，制备羟基磷灰石初级产物所需的pH降低，降低了环境污染，并减少了对容器的腐蚀。
本发明的另一个目的是，提供一种用于注射填充制剂的羟基磷灰石微球，所述羟基磷灰石微球具有所需的粒径分布和高球形度。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供一种用于注射填充制剂的羟基磷灰石微球的制备方法，其中所述制备方法包括：
步骤1：将钙源、磷源分别配制成钙源溶液和磷源溶液并混合，向其中加入支持电解质，调节所得到的混合溶液的pH为微酸性，然后进行电化学沉积，得到针状亚微米/纳米级羟基磷灰石初级产物；
步骤2：将所述羟基磷灰石初级产物进行研磨粉碎，然后配制成料浆；
步骤3：将所述料浆进行喷雾干燥，得到羟基磷灰石微球粗品；
步骤4：将所述羟基磷灰石微球粗品进行高温煅烧；
步骤5：将煅烧后的羟基磷灰石微球粗品进行筛分，得到所述羟基磷灰石微球。
在一个实施方案中，在步骤1中，所述钙源为氢氧化钙、硝酸钙、氯化钙中的任一种或它们的混合物，
所述磷源为磷酸、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵中的任一种或它们的混合物，
所述支持电解质为硝酸钠、硝酸钾、硫酸钾中的任一种或它们的混合物。
在一个实施方案中，在步骤1中，所述混合溶液的pH被调至4.0-5.5，使所述混合溶液的温度保持恒定，且为25-70℃，以及
通过搅拌将所述钙源溶液和磷源溶液混合，搅拌速率为100-500r/min，搅拌过程一直持续至电化学沉积结束。
在一个实施方案中，在步骤1中，使用电解槽进行电化学沉积，并使用两电极体系或三电极体系，
其中电流密度为0.5-4mA/cm2，电化学沉积的时间为0.5-3h。
在一个实施方案中，在步骤2中，
将研磨粉碎后的羟基磷灰石初级产物与超纯水、助剂混合，配制成质量分数为20-40wt％的料浆，
所述助剂包含选自润湿剂、乳化剂、粘结剂和造孔剂中的一种或多种，
所述润湿剂为选自吐温、草酸钠、阳离子聚电解质中的一种或多种，
所述乳化剂为选自明胶，聚乳酸、聚酰胺、吐温中的一种或多种，
所述粘结剂为选自聚乙二醇、聚乙烯醇中的一种或多种，
所述造孔剂为选自碳粉、聚乙二醇中的一种或多种，
所述润湿剂、乳化剂、粘结剂和造孔剂各自的质量为所述料浆质量的1-5％。
在一个实施方案中，在步骤3中，喷雾温度为125-500℃，
进料速度为10-20ml/min，
喷嘴直径为0.5-1.4mm。
在一个实施方案中，在步骤4中，使用高温马弗炉或旋转管式炉进行所述高温煅烧，煅烧温度为800-1400℃。
在一个实施方案中，在步骤5中，使用手动分级筛或振动分级筛进行筛分，筛孔目数为180目～1000目。
根据本发明的另一方面，提供一种用于注射填充制剂的羟基磷灰石微球，其采用上述制备方法制成，其中所述羟基磷灰石微球的粒径分布范围为14～85μm，球形度为75～95％。
在一个实施方案中，所述羟基磷灰石微球的粒径分布范围为25～45μm。
有益效果
与首先通过湿化学沉淀法制备羟基磷灰石初级产物、然后制备羟基磷灰石微球的现有技术相比，本发明通过电化学沉积法快速制备针状亚微米/纳米级羟基磷灰石初级产物，然后配制成料浆，接着进行喷雾干燥、高温煅烧、筛分，得到羟基磷灰石微球。
与湿化学沉淀法相比，本发明的电化学沉积法无需陈化，在非常短的时间内即可制备相同质量的高纯度的羟基磷灰石初级产物，这显著提高了整体生产效率。此外，本发明的电化学沉积法所使用的pH更接近中性，对环境更友好。
另外，通过本发明的电化学沉积法所制备的羟基磷灰石初级产物为亚微米级/纳米级针状晶体，纯度高，晶体结构规则，可以使后续制备的羟基磷灰石微球具有更高的球形度，并能够满足定制化的粒径分布需求。
附图说明
本说明书的附图显示了本发明的优选实施方案，并且与上述的发明内容一起用于进一步阐明本发明的技术理念。本发明不应被解释为限于附图中所述的内容。
图1为根据实施例1的步骤1制备的亚微米/纳米级羟基磷酸石初级产物的扫描电镜图(30,000倍)。
图2为根据实施例1制备的羟基磷灰石微球的扫描电镜图(1,000倍)。
图3为根据实施例2制备的羟基磷灰石微球的扫描电镜图(1,000倍)。
图4为根据比较例1制备的羟基磷灰石微球的扫描电镜图(1,000倍)。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本发明进行详细描述。在本说明书和权利要求书中使用的术语或词汇不应被限制性地解释为普通或字典的定义，并且应当在发明人可以适当定义术语的概念从而以最好的可能方式来描述发明的原则的基础上解释为与本发明的技术思想相对应的含义和概念。
除非另有说明，否则本文中所使用的“％”是指重量％。此外，在现有技术中公知的工艺和组分将省略其详细说明。
1.用于注射填充制剂的羟基磷灰石微球的制备方法
根据本发明的一个方面，提供一种用于注射填充制剂的羟基磷灰石微球的制备方法，所述制备方法包括如下步骤。
步骤1：羟基磷灰石初级产物的制备
将钙源、磷源分别配制成钙源溶液和磷源溶液并混合，向其中加入支持电解质，调节所得到的混合溶液的pH为微酸性，然后进行电化学沉积，得到针状亚微米/纳米级羟基磷灰石初级产物。
所述钙源可以例如是氢氧化钙、硝酸钙、氯化钙中的任一种或它们的混合物，优选硝酸钙。
所述磷源可以例如是磷酸、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵中的任一种或它们的混合物，优选磷酸二氢铵。
所述支持电解质可以例如是硝酸钠、硝酸钾、硫酸钾中的任一种或它们的混合物，优选硝酸钠。
所述钙源和磷源用于在电解液中提供钙离子和磷酸根离子，由此在进行电化学沉积时，阴极区局部氢氧根浓度增大，在阴极区产生羟基磷灰石的沉淀物。
所述支持电解质用于在不发生副反应的前提下，增强溶液的导电率。
可以使用硝酸、磷酸、氨水等来调节所述混合溶液的pH，可以将其调节至微酸性，例如pH 4.0-5.5。微酸性的pH用于防止在pH大于6.5的区间生成不必要的沉淀副产物，但pH过低易引起强烈的析氢副反应，以及抑制羟基磷灰石的生成。
通过水浴使所述溶液的温度保持恒定，例如可以为25-70℃，优选30-65℃，更优选60℃。当所述温度过低时，会影响电沉积步骤产品生成速率。当所述温度过高时，虽然会增大沉积速率，但会在一定程度上影响羟基磷灰石的溶解度、溶液的pH以及造成安全隐患。
在一个实施方案中，将钙源溶液和磷源溶液在电解槽中在搅拌的情况下进行混合，搅拌速率可以为100-500r/min。当搅拌速率过低时，电极表面生成的羟基磷灰石不易脱落；当搅拌速率过高时，由析氢反应所致的传质电流被促进，副反应增强，且易发生溶液飞溅。搅拌过程可以一直持续至电化学沉积结束。
在电化学沉积工艺中，可以使用电解槽进行电化学沉积，并可以使用两电极体系或三电极体系。阳极、阴极材料可以为本领域公知的常用电极。
例如，在所述两电极体系中，阳极可以为铂片、钛片或DSA，阴极可以为不锈钢片、钛片、钛网或钛基二氧化钛电极。其中，钛网的比表面积较大，能够沉积更多的羟基磷灰石，因此优选用作阴极。
在所述三电极体系中，阳极和阴极可以分别与上述相同，参比电极可以为饱和甘汞电极。
电化学沉积的电流密度可以为0.5-4mA/cm2。当电流密度过高时，会发生严重的析氢副反应，极大地降低了电流效率；当电流密度过低时，会使得电沉积步骤速率缓慢，降低生产效率。
电化学沉积的时间可以为0.5-3h，优选1-3h，更优选2-2.5h。当所述时间过短时，则产物总量不足；当所述时间过长时，会导致溶液pH变化显著，造成不必要的磷酸钙杂质沉淀生成。
通过电化学沉积可以得到固体沉积物，其为针状亚微米/纳米级羟基磷灰石初级产物，呈粉体状。可以将其进一步过滤、洗涤、干燥，用于后续操作。
步骤2：料浆配制
将步骤(1)所得的羟基磷灰石初级产物进行研磨粉碎，使其具有较好的流动性，然后配制成料浆。
可以使用本领域常用的设备如研钵、球磨机等进行研磨粉碎。
可以使用超纯水、去离子水等溶剂，并通过施加强搅拌来得到料浆。所得料浆通常可以为羟基磷灰石初级产物的20-40wt％的悬浊液。当所述浓度过高时，会导致料浆无法经喷雾干燥成球；当浓度过低时，则会使得喷雾干燥后的粒径过小。
基于料浆的总质量，可以在料浆中添加质量分数1-5％的助剂。所述助剂可以例如是润湿剂、粘结剂、造孔剂、乳化剂。
所述润湿剂可以例如是吐温、草酸钠、阳离子聚电解质，优选草酸钠。所述润湿剂用于增强羟基磷灰石初级产物与水之间的润湿作用，使得其他助剂与羟基磷灰石初级产物能够更好地混合。
所述粘结剂可以例如是聚乙二醇、聚乙烯醇，优选聚乙二醇。所述粘结剂用于增大喷雾干燥的成球率和微球的球形度。
所述造孔剂可以例如是碳粉、聚乙二醇，优选聚乙二醇。在后续煅烧过程中，造孔剂可以生成气态产物以扩散逸出，从而调控微球的孔隙率。
所述乳化剂可以例如是明胶，聚乳酸、聚酰胺、吐温中，优选明胶、聚乳酸。所述乳化剂用于改善浊液中的表面张力，使之形成均匀稳定的分散系。
步骤3：喷雾干燥
将所述料浆进行喷雾干燥以进行造粒，从而得到羟基磷灰石微球粗品。
可以使用常规的喷雾干燥器进行喷雾干燥。喷雾温度可以为125-500℃，优选200-300℃。当温度过低时，瞬间成核速度降低，成核数量减少，所得微粒粒径增大。当温度过高时，易发生颗粒团聚，这样颗粒粒径反而增大。
料浆的进料速度可以为10-20ml/min。当进料速率过低时，产量降低，产品粒径偏小。当进料速率过高时，未干燥液体数量增加，粒径偏大。
喷嘴直径可以为0.5-1.4mm。当喷嘴出口直径过大时，所得粒径偏小，后续容易发生羟基磷灰石颗粒从注射部位迁移到其他部位的问题。当喷嘴出口直径过大时，所得粒径偏大，会降低复配后凝胶的填充率，并且会延长体内降解时间。
步骤4：高温煅烧
将步骤3所得的羟基磷灰石微球粗品进行高温煅烧。可以使用高温马弗炉或旋转管式炉进行所述高温煅烧。
高温煅烧的温度可以是800-1400℃，优选900～1100℃，其目的是在保证羟基磷灰石不分解的前提下，增强材料的陶瓷化程度。如果温度过低，则无法增强陶瓷化程度；如果温度过高，则会导致羟基磷灰石分解。
高温煅烧的时间可以是0.5-2h，以得到性质稳定的羟基磷灰石微球。如果时间过短，则陶瓷化不完全；如果时间过长，则导致生产成本过度增加。
步骤5：筛分
将步骤4所得的煅烧后的羟基磷灰石微球粗品进行筛分。可以使用手工筛或振动分级筛进行所述筛分。
筛网目数可以是180-1000目。当目数为1000目时，对应粒径约为14μm，其可以筛掉粒径过小的微球或未成球的羟基磷灰石碎屑。当目数为180目时，对应粒径约为85μm，其目的是筛去产品中少量粒径过大的微球或未成球的结块。
优选地，可以使用目数为325目和550目的筛网进行筛分，以得到粒径分布为25-45μm的羟基磷灰石微球，用于注射填充制剂的配制。
2.用于注射填充制剂的羟基磷灰石微球
根据本发明的另一个方面，提供一种用于注射填充制剂的羟基磷灰石微球，其采用上述制备方法制成，其中所述羟基磷灰石微球的粒径分布范围为14～85μm，优选25～45μm。此外，所述羟基磷灰石微球的球形度为75～95％。
可以使用本领域常用的设备(例如，粒径分析仪或扫描电子显微镜)来测量羟基磷灰石微球的粒径。
可以使用本领域常用的设备和方法来测量羟基磷灰石微球的球形度。例如，使用扫描电子显微镜与相应的图像处理软件，通过分别测量微球的平均表面积和平均周长，通过下式计算：
式中，S为球形度(％)；A为由软件测量的微球平均表面积(mm2),C为由软件测量的微球平均周长(mm)。
本发明的羟基磷灰石微球能够充分满足定制化的粒径分布需求，并具有高球形度的特点。
实施例
下文中，将参考实施例对本发明进行详细描述，以具体描述本发明。然而，本发明的实施例可以修改为各种其他形式并且本发明的范围不应被解释为限于下面描述的实施例。提供本发明的实施例以向本领域普通技术人员更完整地描述本发明。
下列实施例中的实验方法如果未注明具体条件，通常是本领域的常规条件或按照制造厂商建议的条件；所使用的原料和设备，如无特殊说明，均为可从常规市场等商业途径得到的原料和设备。
实施例1
通过如下步骤来制备用于注射填充制剂的羟基磷灰石微球。
步骤1：羟基磷灰石初级产物的制备
配制0.5M的硝酸钙溶液(作为钙源)以及0.3M的磷酸氢二铵溶液(作为磷源)各50ml。
将50ml硝酸钙溶液置于电解槽中，然后在200r/min的转速进行搅拌的情况下将磷酸氢二铵溶液以10ml/min的速度滴入所述硝酸钙溶液中。接着加入一定量的硝酸钠固体(作为支持电解质)使得硝酸钠的浓度为0.1M。然后，使用硝酸和氨水调节pH为4.5。接着，通过水浴将电解槽及其中溶液的温度保持为60℃
接着，进行电化学沉积。所述电化学沉积为恒电流沉积，电流密度为2mA/cm2，沉积时间为2.5h。所述电化学沉积采用两电极体系，选用15mm*15mm的铂片作为阳极，选用五片串联的15mm*15mm的钛网作为阴极。
电化学沉积后，在钛网上形成针状羟基磷灰石沉积层，溶液中亦存在少量脱落的羟基磷灰石。对钛网进行刮料操作，并将溶液中的羟基磷灰石过滤。合并二者，然后用每次20ml的超纯水洗涤三次。所得固体置于60℃烘箱中干燥2h，称量得到针状亚微米/纳米级羟基磷灰石初级产物12g。
步骤2：料浆配制
将所得针状亚微米/纳米级羟基磷灰石初级产物用研钵研磨粉碎。在烧杯中加入12g经研磨的羟基磷灰石初级产物，28g超纯水，并施加强搅拌，得到质量分数为30wt％的羟基磷灰石料浆，其为悬浊液形式。
步骤3：喷雾干燥
使用喷雾干燥器将所述羟基磷灰石料浆进行喷雾干燥造粒，喷雾温度为200℃，进料速度为10ml/min，喷嘴直径为0.7mm。得到羟基磷灰石微球粗品。
步骤4：高温煅烧
将所述羟基磷灰石微球粗品进行高温煅烧，煅烧过程在旋转管式炉中进行，煅烧温度为1100℃，持续60min。
步骤5：筛分
将煅烧后的羟基磷灰石微球粗品用325目与500目的筛网进行分级过筛，得到粒径分布为25-45μm的羟基磷灰石微球。
实施例2
通过如下步骤来制备用于注射填充制剂的羟基磷灰石微球。
步骤1：羟基磷灰石初级产物的制备
与实施例1的步骤1相同。
步骤2：料浆配制
将所得针状亚微米/纳米级羟基磷灰石初级产物用研钵研磨粉碎。在烧杯中加入12g羟基磷灰石初级产物，28g超纯水，并施加强搅拌，得到质量分数为30wt％的羟基磷灰石悬浊液。
将该悬浊液用水浴加热至60℃，加入相当于该悬浊液质量1wt％的润湿剂草酸钠，以及相当于该悬浊液质量1wt％的粘结剂聚乙二醇。搅拌均匀后，得到羟基磷灰石料浆。
步骤3～5
与实施例1的步骤3～5相同。
比较例1
步骤1：羟基磷灰石初级产物的制备
通过湿化学沉淀法制备羟基磷灰石初级产物。具体地，将0.5M硝酸钙与0.3M磷酸二氢铵各50mL混合均匀，并调节pH为10.5，在水浴60℃下搅拌1h。然后于37℃陈化120h，得到絮状沉淀物。与实施例1类似，将其进行过滤、洗涤、干燥，得到羟基磷灰石初级产物12g。
步骤2～5
与实施例1的步骤2～5相同。
实验例1羟基磷灰石初级产物和羟基磷灰石微球的表面形态观察
将实施例1的步骤1所得的针状亚微米/纳米级羟基磷灰石初级产物用扫描电子显微镜进行表面形态观察，其结果显示于图1。从图1可以看出，所得的羟基磷灰石初级产物形态很规则，为针状晶体，这有利于在后期制备球形度、力学性能等方面改善的微球。
将实施例1、实施例2和比较例1所得的羟基磷灰石微球分别用扫描电子显微镜进行表面形态观察，分别得到图2、图3和图4。从图2～4可以看出，实施例1、实施例2和比较例1均得到粒径分布为25-45μm的羟基磷灰石微球。
实验例2羟基磷灰石微球的球形度测量
使用Media Cybernetics公司的image-pro plus软件(版本号6.0.0.260forWindows 2000/XP Professional)对实施例1、实施例2和比较例1所得的羟基磷灰石微球分别进行平均周长和平均面积的测量，并使用如下公式计算球形度：
式中，S为球形度(％)；A为由软件测量的微球平均表面积(mm2)，C为由软件测量的微球平均周长(mm)。结果如下表1所示。
表1
微球的球形度(％)
实施例1
82.4
实施例2
85.0
比较例
67.3
从表1可以看出，在球形度方面，实施例1的微球明显优于比较例1的微球，因此实施例1的微球更适合用于制备注射填充制剂。由此确认了，本发明的通过电化学沉积制备的针状羟基磷灰石初级产物能够提高最终所得羟基磷灰石微球的球形度。
此外，在球形度方面，实施例2的微球优于实施例1的微球。由此可以看出，通过在步骤2中添加助剂来配制料浆，可以提高最终所得微球的球形度。
实验例3生产效率的比较
将实施例1的步骤1中形成羟基磷灰石沉积物的时间和比较例1的步骤1中形成羟基磷灰石沉淀物的时间总结为如下表2。
表2
从上表2可以看出，实施例1的步骤1中形成羟基磷灰石沉积物的时间明显少比较例1的步骤1中形成羟基磷灰石沉淀物的时间。由此确认了，实施例1的生产效率显著高于比较例1。
虽然为了说明目的公开了本发明的优选实施方案，但本领域技术人员会理解，在不背离权利要求书公开的发明范围和精神的情况下，可以对上述优选实施方案进行各种修改、添加和替代。
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