阅读说明：本技术 一种纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石及其制备方法 (Nano-copper and nano-zinc oxide dual-phase deposition copper-zinc co-doped nano-hydroxyapatite and preparation method thereof ) 是由 郭超 牛艺 董寅生 储成林 盛晓波 黄志海 于 2020-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石及其制备方法,先利用离子交换原理制得铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石,然后采用化学沉积工艺在其表面依次沉积纳米氧化锌和纳米铜即得到纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石。本发明在羟基磷灰石表面沉积纳米铜、纳米氧化锌的同时实现了铜和锌的共掺杂,铜能够提高羟基磷灰石的抗菌活性和生物学性能,维护骨骼结构；锌可以诱导成骨细胞增殖,提高羟基磷灰石的生物活性和抗菌性能。铜锌的共掺杂对纳米铜和纳米氧化锌在羟基磷灰石表面的沉积起到促进作用,多离子之间能够产生协同抗菌效果,两种改性方法相结合可以加强抗菌能力、延长抗菌离子的释放时间。(The invention discloses a nano-copper and nano-zinc oxide two-phase deposition copper-zinc co-doped nano-hydroxyapatite and a preparation method thereof. According to the invention, the co-doping of copper and zinc is realized while the nano copper and the nano zinc oxide are deposited on the surface of the hydroxyapatite, the copper can improve the antibacterial activity and the biological performance of the hydroxyapatite, and the skeleton structure is maintained; the zinc can induce osteoblast proliferation and improve the bioactivity and antibacterial property of the hydroxyapatite. The co-doping of copper and zinc can promote the deposition of nano copper and nano zinc oxide on the surface of hydroxyapatite, and multiple ions can generate a synergistic antibacterial effect.)

一种纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰 石及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石及其制备方法，属于生物医用材料制备领域。

背景技术

羟基磷灰石是哺乳动物体内骨和牙釉质等矿化组织的主要无机成分，羟基磷灰石和掺杂CO₃ ^2-形成的碳酸磷灰石约占骨总质量的65％。人工合成的纳米羟基磷灰石与骨骼中羟基磷灰石在元素组成、晶形和结构等方面都十分相似。大量生物学实验表明，纳米羟基磷灰石具有无毒、无刺激、不破坏生物组织等优点，特别是其优异的生物活性、生物相容性和骨传导性，在临床上被广泛用作骨组织修复材料和牙釉质再矿化材料。

然而，纳米羟基磷灰石抗菌性能较差，其表面易吸附蛋白质、氨基酸和其他有机质，这为细菌的生长提供了丰富的营养物质。细菌在纳米羟基磷灰石表面形成生物膜，继而生长繁殖并引发感染，在破坏植入材料结构的同时使其丧失功能。近十几年来为解决抗菌性能问题，通过离子掺杂或表面沉积等方法，将有效成分为银、锌、铜等金属离子及化合物的无机抗菌剂固定在羟基磷灰石晶格内或表面上，利用抗菌剂有效成分的缓释作用以提高抗菌活性。但有研究发现高浓度下的纳米银具有一定的细胞毒性，植入人体后不易被吸收代谢。而铜和锌分别是人体含量第二、第三的必需微量元素，在人体新陈代谢过程中具有重要作用，植入人体后能很好的被人体代谢。此外，锌对于成骨细胞的增殖有特殊的直接刺激作用，铜能促进血管内皮细胞生长、维护骨骼正常组成和结构，两者均具有一定抗菌能力，尤其铜对革兰氏阳性菌和阴性菌均具有良好的抗菌效果。鉴于锌和铜等金属离子之间具有协同抗菌活性，采用铜离子代替银离子、与锌离子共同掺杂可以在发挥铜元素本身的强抗菌性能的同时具备协调抗菌能力，能够降低甚至消除细胞毒性。而铜锌共掺杂的纳米羟基磷灰石，其抗菌性能也会明显优于锌掺杂或铜掺杂羟基磷灰石。

目前已有研究表明，对纳米羟基磷灰石进行掺杂改性处理可以有效促进相同元素的纳米颗粒在其表面的沉积附着。针对这一现象，可以将这两种改性方法结合，在共掺杂铜锌后于纳米羟基磷灰石表面沉积纳米铜和纳米氧化锌。此时，沉积的纳米颗粒同样可以释放出铜和锌离子，延续两离子间的协同抗菌作用，增大铜和锌离子的负载能力，使其具有更好的抗菌性能和生物活性。此外，掺杂改性受限于掺杂量，当掺杂过多时，羟基磷灰石结晶稳定性明显降低，易生成磷酸三钙等杂质相；沉积的纳米级抗菌粒子则因比表面积较大，离子释放速度过快，当沉积量过大时易诱发细胞毒性。

发明内容

发明目的：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种能够同时具备长期强效抗菌能力的纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌双掺杂纳米羟基磷灰石生物医用材料的制备方法。经测试表征，该材料抗菌活性长久持续且效果明显，能有效解决纳米羟基磷灰石无抗菌能力、抗菌效果受浓度限值等不足和缺陷。

技术方案：为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的制备方法，包括以下步骤：

(1)铜锌离子共掺杂：将含有硫酸铜和硝酸锌的磷酸溶液逐滴加入到氢氧化钙悬浊液中进行反应，边反应边搅拌，反应后通过离心、球磨、陈化、洗涤、烘干、煅烧处理，制得铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石粉末；

(2)纳米氧化锌沉积：将步骤(1)所得产物铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石粉末加入到硝酸锌溶液中，逐滴加入氨水生成沉淀，并添加分散剂，通过搅拌加热持续反应，反应完全后通过离心、洗涤、烘干、煅烧处理，制得沉积纳米氧化锌的铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石；

(3)纳米铜沉积：将氨水滴加到硫酸铜溶液中使溶液pH＝7-8，将步骤(2)所获产物加入该混合溶液中，并添加分散剂和保护剂，最后加入还原剂加热进行反应，反应完全后经离心、洗涤、烘干，即可制得所述纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石。

作为优选：

步骤(1)中，硫酸铜中的铜原子、硝酸锌中的锌原子与氢氧化钙中的钙原子之和与磷酸中的磷原子的摩尔比为1.67:1；硫酸铜中的铜原子和硝酸锌中的锌原子物质的量之和占硫酸铜中的铜原子、硝酸锌中的锌原子和氢氧化钙中的钙原子三者物质的量之和的0.5％-2.5％。

步骤(1)中，煅烧温度为450℃-750℃，煅烧时间为7-9h。

步骤(2)中，硝酸锌溶液中的硝酸锌与铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:2-1:8；硝酸锌中的锌原子与步骤(3)中硫酸铜中的铜原子的摩尔比为1:0.3-1:2。

步骤(2)中，所述搅拌加热持续反应，其中加热温度为45-55℃，反应时间为35-45min；煅烧温度为300℃，煅烧时间为1-3h。

步骤(2)中，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮，分散剂与铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的质量比为1:15-1:20。

步骤(3)中，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮，分散剂与硫酸铜溶液中的硫酸铜的质量比为1:0.5-1:3；所述保护剂为十六烷基三甲基溴化铵，所述还原剂为抗坏血酸，两者与硫酸铜溶液中的硫酸铜的摩尔比分别为1:0.5-1:2和1:0.05-1:0.1。

步骤(3)中，所述加入还原剂加热进行反应，其中加热温度为75-95℃，反应时间为25-35min。

本发明还提供了所述制备方法所制得的纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石材料。

优选的，所述纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石材料的平均粒径为30-60nm，沉积的纳米氧化锌平均粒径为15-35nm，沉积的纳米铜平均粒径为25-60nm。

技术效果：与现有技术相比，本发明对纳米羟基磷灰石共掺杂铜锌的同时在其表面沉积纳米铜和纳米氧化锌。铜能够提高羟基磷灰石的抗菌活性并维护骨骼结构、促进血管生成；锌可以提高羟基磷灰石的生物活性、骨诱导能力和一定的抗菌能力。铜锌的共掺杂对纳米铜和纳米氧化锌在羟基磷灰石表面的沉积能够起到促进作用，多离子之间也能够产生协同抗菌效果，将两种改性方法结合可以达到加强抗菌能力、互补延长抗菌离子的释放时间等目的。

附图说明：

图1为纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的透射电子显微镜图片，其显示为复合材料整体形貌；

图2为纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的透射电子显微镜图片，其显示为局部纳米铜形貌。

具体实施方式

下面结合具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1：

一种纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的制备方法，步骤如下：

(1)铜锌离子掺杂：在快速搅拌条件下，将含有硫酸铜和硝酸锌的磷酸混合溶液在40-60min内逐滴加入到氢氧化钙悬浊液中进行反应，反应6h后经离心、球磨3h、陈化12h、洗涤、80℃烘干12h、750℃煅烧8h，制得铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石粉末。

其中，硫酸铜中的铜原子、硝酸锌中的锌原子、氢氧化钙中的钙原子三者之和与磷酸中的磷原子的摩尔比为1.67:1。硫酸铜中的铜原子与硝酸锌中的锌原子的摩尔比为1:1，两者的物质的量各占硫酸铜中的铜原子、硝酸锌中的锌原子、氢氧化钙中的钙原子三者物质的量之和的1％。

(2)纳米氧化锌沉积：将步骤(1)所获铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石粉末加入到硝酸锌溶液中，加入聚乙烯吡咯烷酮溶液并滴加适量氨水产生白色沉淀。将该混合溶液搅拌加热至50℃反应40min，反应结束后经离心、洗涤、80℃烘干12h、300℃煅烧2h，即可得到纳米氧化锌沉积的铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石。

其中，硝酸锌溶液中的硝酸锌与铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:2.67。聚乙烯吡咯烷酮与铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的质量比为1:18。

(3)纳米铜沉积：将氨水滴加到硫酸铜溶液中使溶液pH＝7.5，将步骤(2)所获产物加入该混合溶液中，并添加聚乙烯吡咯烷酮和十六烷基三甲基溴化铵溶液，最后加入抗坏血酸加热至85℃反应30min，反应完全后经离心、洗涤、80℃烘干12h，即可制得所述纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石。

其中，步骤(2)中硝酸锌中的锌与步骤(3)中硫酸铜中的铜的摩尔比为1:0.33。聚乙烯吡咯烷酮与硫酸铜溶液中的硫酸铜的质量比为1:0.5。十六烷基三甲基溴化铵与硫酸铜溶液中的硫酸铜的摩尔比为1:0.6。抗坏血酸与硫酸铜溶液中的硫酸铜的摩尔比为1:0.09。

对本实施例制得的产品纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石进行检测，附图1为透射电子显微镜观察到的复合材料整体形貌，附图2为透射电子显微镜观察到的局部纳米铜形貌。纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石材料的平均粒径为45nm，沉积的纳米氧化锌平均粒径为24nm，沉积的纳米铜平均粒径为31nm。

实施例2：

一种纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的制备方法，步骤如下：

(1)铜锌离子掺杂：在快速搅拌条件下，将含有硫酸铜和硝酸锌的磷酸混合溶液在40-60min内逐滴加入到氢氧化钙悬浊液中进行反应，反应6h后经离心、球磨3h、陈化12h、洗涤、80℃烘干12h、700℃煅烧7h，制得铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石粉末。

其中，硫酸铜中的铜原子、硝酸锌中的锌原子、氢氧化钙中的钙原子三者之和与磷酸中的磷原子的摩尔比为1.67:1。硫酸铜中的铜原子与硝酸锌中的锌原子的摩尔比为1:1，两者的物质的量各占硫酸铜中的铜原子、硝酸锌中的锌原子、氢氧化钙中的钙原子三者物质的量之和的0.5％。

(2)纳米氧化锌沉积：将步骤(1)所获铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石粉末加入到硝酸锌溶液中，加入聚乙烯吡咯烷酮溶液并滴加适量氨水产生白色沉淀。将该混合溶液搅拌加热至45℃反应45min，反应结束后经离心、洗涤、80℃烘干12h、300℃煅烧1h，即可得到铜锌共掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石。

其中，硝酸锌溶液中的硝酸锌与铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:3。聚乙烯吡咯烷酮与铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的质量比为1:15。

(3)纳米铜沉积：将氨水滴加到硫酸铜溶液中使溶液pH＝7，将步骤(2)所获产物加入该混合溶液中，并添加聚乙烯吡咯烷酮和十六烷基三甲基溴化铵溶液，最后加入抗坏血酸加热至80℃反应35min，反应完全后经离心、洗涤、80℃烘干12h，即可制得所述纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石。

其中，步骤(2)中硝酸锌中的锌与步骤(3)中硫酸铜中的铜的摩尔比为1:1。聚乙烯吡咯烷酮与硫酸铜溶液中硫酸铜的质量比为1:1。十六烷基三甲基溴化铵与硫酸铜溶液中的硫酸铜的摩尔比为1:1。抗坏血酸与硫酸铜溶液中的硫酸铜的摩尔比为1:0.05。

对本实施例制得的产品纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石进行检测，纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石材料的平均粒径为38nm，沉积的纳米氧化锌平均粒径为27nm，沉积的纳米铜平均粒径为33nm。

实施例3：

一种纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的制备方法，步骤如下：

(1)铜锌离子掺杂：在快速搅拌条件下，将含有硫酸铜和硝酸锌的磷酸混合溶液在40-60min内逐滴加入到氢氧化钙悬浊液中进行反应，反应6h后经离心、球磨3h、陈化12h、洗涤、80℃烘干12h、450℃煅烧9h，制得铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石粉末。

其中，硫酸铜中的铜原子、硝酸锌中的锌原子、氢氧化钙中的钙原子三者之和与磷酸中的磷原子的摩尔比为1.67:1。硫酸铜中的铜原子与硝酸锌中的锌原子的摩尔比为1:1，两者的物质的量各占硫酸铜中的铜原子、硝酸锌中的锌原子、氢氧化钙中的钙原子三者物质的量之和的1.5％。

(2)纳米氧化锌沉积：将步骤(1)所获铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石粉末加入到硝酸锌溶液中，加入聚乙烯吡咯烷酮溶液并滴加适量氨水产生白色沉淀。将该混合溶液搅拌加热至55℃反应35min，反应结束后经离心、洗涤、80℃烘干12h、300℃煅烧3h，即可得到铜锌共掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石。

其中，硝酸锌溶液中的硝酸锌与铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:5。聚乙烯吡咯烷酮与铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的质量比为1:20。

(3)纳米铜沉积：将氨水滴加到硫酸铜溶液中使溶液pH＝8，将步骤(2)所获产物加入该混合溶液中，并添加聚乙烯吡咯烷酮和十六烷基三甲基溴化铵溶液，最后加入抗坏血酸加热至95℃反应25min，反应完全后经离心、洗涤、80℃烘干12h，即可制得所述纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石。

其中，步骤(2)中硝酸锌中的锌与步骤(3)中硫酸铜中的铜的摩尔比为1:1.5。聚乙烯吡咯烷酮与硫酸铜溶液中的硫酸铜的质量比为1:2。十六烷基三甲基溴化铵与硫酸铜溶液中的硫酸铜的摩尔比为1:1.5。抗坏血酸与硫酸铜溶液中的硫酸铜的摩尔比为1:0.07。

对本实施例制得的产品纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石进行检测，纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石材料的平均粒径为42nm，沉积的纳米氧化锌平均粒径为31nm，沉积的纳米铜平均粒径为52nm。

实施例:4：

一种纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的制备方法，步骤如下：

(1)铜锌离子掺杂：在快速搅拌条件下，将含有硫酸铜和硝酸锌的磷酸混合溶液在40-60min内逐滴加入到氢氧化钙悬浊液中进行反应，反应6h后经离心、球磨3h、陈化12h、洗涤、80℃烘干12h、600℃煅烧7.5h，制得铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石粉末。

其中，硫酸铜中的铜原子、硝酸锌中的锌原子、氢氧化钙中的钙原子三者之和与磷酸中的磷原子的摩尔比为1.67:1。硫酸铜中的铜原子与硝酸锌中的锌原子的摩尔比为1:1，两者的物质的量各占硫酸铜中的铜原子、硝酸锌中的锌原子、氢氧化钙中的钙原子三者物质的量之和的2％。

(2)纳米氧化锌沉积：将步骤(1)所获铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石粉末加入到硝酸锌溶液中，加入聚乙烯吡咯烷酮溶液并滴加适量氨水产生白色沉淀。将该混合溶液搅拌加热至50℃反应35min，反应结束后经离心、洗涤、80℃烘干12h、300℃煅烧2h，即可得到铜锌共掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石。

其中，硝酸锌溶液中的硝酸锌与铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:6。聚乙烯吡咯烷酮与铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的质量比为1:18。

(3)纳米铜沉积：将氨水滴加到硫酸铜溶液中使溶液pH＝7.5，将步骤(2)所获产物加入该混合溶液中，并添加聚乙烯吡咯烷酮和十六烷基三甲基溴化铵溶液，最后加入抗坏血酸加热至75℃反应35min，反应完全后经离心、洗涤、80℃烘干12h，即可制得所述纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石。

其中，步骤(2)中硝酸锌中的锌与步骤(3)中硫酸铜中的铜的摩尔比为1:1.67。聚乙烯吡咯烷酮与硫酸铜溶液中的硫酸铜的质量比为1:3。十六烷基三甲基溴化铵与硫酸铜溶液中的硫酸铜的摩尔比为1:2。抗坏血酸与硫酸铜溶液中的硫酸铜的摩尔比为1:0.1。

对本实施例制得的产品纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石进行检测，纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石材料的平均粒径为48nm，沉积的纳米氧化锌平均粒径为19nm，沉积的纳米铜平均粒径为45nm。

实施例5：

一种纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的制备方法，步骤如下：

(1)铜锌离子掺杂：在快速搅拌条件下，将含有硫酸铜和硝酸锌的磷酸混合溶液在40-60min内逐滴加入到氢氧化钙悬浊液中进行反应，反应6h后经离心、球磨3h、陈化12h、洗涤、80℃烘干12h、550℃煅烧8.5h，制得铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石粉末。

其中，硫酸铜中的铜原子、硝酸锌中的锌原子、氢氧化钙中的钙原子三者之和与磷酸中的磷原子的摩尔比为1.67:1。硫酸铜中的铜原子与硝酸锌中的锌原子的摩尔比为1:1，两者的物质的量各占硫酸铜中的铜原子、硝酸锌中的锌原子、氢氧化钙中的钙原子三者物质的量之和的2.5％。

(2)纳米氧化锌沉积：将步骤(1)所获铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石粉末加入到硝酸锌溶液中，加入聚乙烯吡咯烷酮溶液并滴加适量氨水产生白色沉淀。将该混合溶液搅拌加热至50℃反应45min，反应结束后经离心、洗涤、80℃烘干12h、300℃煅烧2h，即可得到铜锌共掺杂的纳米氧化锌沉积纳米羟基磷灰石。

其中，硝酸锌溶液中的硝酸锌与铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的摩尔比为1:8。聚乙烯吡咯烷酮与铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石的质量比为1:16。

(3)纳米铜沉积：将氨水滴加到硫酸铜溶液中使溶液pH＝7.5，将步骤(2)所获产物加入硫酸铜碱溶液中，并添加聚乙烯吡咯烷酮和十六烷基三甲基溴化铵溶液，最后加入抗坏血酸加热至85℃反应25min，反应完全后经离心、洗涤、80℃烘干12h，即可制得所述纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石。

其中，步骤(2)中硝酸锌中的锌与步骤(3)中硫酸铜中的铜的摩尔比为1:2。聚乙烯吡咯烷酮与硫酸铜溶液中的硫酸铜的质量比为1:1.5。十六烷基三甲基溴化铵与硫酸铜溶液中的硫酸铜的摩尔比为1:0.5。抗坏血酸与硫酸铜溶液中的硫酸铜的摩尔比为1:0.06。

对本实施例制得的产品纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石进行检测，纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石材料的平均粒径为53nm，沉积的纳米氧化锌平均粒径为30nm，沉积的纳米铜平均粒径为28nm。

此外，相关抗菌实验研究证实，本发明所制备的纳米铜、纳米氧化锌双相沉积铜锌共掺杂纳米羟基磷灰石具有良好的抗菌性能，同时能够促进成骨细胞的增殖，表现出良好的生物相容性。