[0001] 本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体涉及包覆富金属离子非晶层的羟基磷灰石纳米线及其制备方法。

[0002] 牙釉质是人体最坚硬的材料，由96 wt%的羟基磷灰石和4 wt%的水合蛋白质组成。牙釉质覆盖在牙齿表面，厚度为几毫米，以其高刚度、硬度和粘弹性而闻名且具有优异的韧性来抵抗咀嚼过程中的震动及冲击力，实现了高硬、高弹、高强、高韧等多种相悖的力学性能的结合，能够保护牙齿免受外部物理和化学损伤。牙釉质是一种典型的多级结构，主要由釉柱和釉间质组成，釉柱的最小结构单元是单个羟基磷灰石纳米晶，纳米晶沿 c 轴生长形成线状的羟基磷灰石纳米晶。在牙釉质的釉柱和釉柱之间，存在一个富含蛋白质的有机层，称为“鞘层”，羟基磷灰石晶体在有机基质的作用下被“捆绑”在一起。进一步的研究发现羟基磷灰石纳米线间还具有无机非晶间质层，这种界面表征表明非晶层和纳米线之间存在很强的化学键，增强了界面连通性，这种多级微纳米结构是造成牙釉质具有此优异力学性能的关键。

[0003] 模拟牙釉质的结构制备人工牙釉质或牙釉质修复材料在生物医学领域有很高应用潜力。目前实现无机非晶纳米材料的制备及形貌调控仍然比较困难，引入对力学性能起关键作用的非晶间质层用来模仿牙釉质的多级结构仍是一个巨大的挑战。专利公开号为CN117246991A的专利，公开了一种表面包覆镁非晶层的氟磷灰石纳米棒及其制备方法，该方法将可溶性盐溶解水中，通过滴加的方式，使纳米团簇在发生随机附着并取向结晶时，镁离子被排挤到纳米棒边缘，形成包覆镁非晶层的氟磷灰石纳米棒。北京航空航天大学郭林教授课题组研究出一种氧化锆非晶层包覆羟基磷灰石纳米线的方法，该纳米线经过基于冰晶的可控生长理论，以该晶体/非晶复合纳米线为基础结构单元，利用自行设计的装置，实现了非晶/晶体复合纳米线及聚乙烯醇聚合物在宏观尺度上的定向组装（directed assembly），制备出拥有类牙釉质结构的 HA 基复合材料，制备出类牙釉质材料。以上方法均较复杂，受环境因素影响较大，可控性较低。

[0035] 下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。

[0036] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

[0037] 在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0038] 在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

[0039] 在本申请实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

[0040] 在本申请实施例的描述中，术语“多个”指的是两个以上（包括两个），同理，“多组”指的是两组以上（包括两组），“多片”指的是两片以上（包括两片）。

[0041] 模拟牙釉质的结构制备人工牙釉质或牙釉质修复材料在生物医学领域有很高应用潜力。目前实现无机非晶纳米材料的制备及形貌调控仍然比较困难，引入对力学性能起关键作用的非晶间质层用来模仿牙釉质的多级结构仍是一个巨大的挑战。

[0042] 为了解决无机非晶纳米材料的制备及形貌调控仍然比较困难的技术问题，本申请提供了一种包覆富金属离子非晶层的羟基磷灰石纳米线及其制备方法，其中，通过学习天然牙釉质的独特结构，将未见报道过的富金属离子非晶层引入羟基磷灰石纳米线外层，构建一种新的非晶层涂覆的羟基磷灰石纳米线。所述纳米线可以经进一步加工得到人工牙釉质、牙釉质修复材料等，可用于生物材料与组织工程等相关领域的基础研究与临床应用。

[0043] 第一方面，本申请实施例提供了一种包覆富金属离子非晶层的羟基磷灰石纳米线，包括羟基磷灰石纳米线和包覆在其表面的富金属离子非晶层，所述羟基磷灰石纳米线直径为10 100nm，长度为100 500μm，所述富金属离子非晶层厚度为1 5nm。~ ~ ~

[0044] 优选的，金属离子包括铁、铝、铜、锰、锌中的一种。

[0045] 第二方面，本申请实施例提供了一种包覆富金属离子非晶层的羟基磷灰石纳米线的制备方法，包括如下步骤：S1、将羟基磷灰石纳米线分散于缓冲溶液中，得到羟基磷灰石纳米线悬浮溶液；
S2、将可溶性金属盐加入羟基磷灰石纳米线悬浮溶液中，搅拌反应，反应完成后清洗、离心、冷冻干燥，得到包覆富金属离子非晶层的羟基磷灰石纳米线。

[0046] 优选的，缓冲溶液为甲酸铵‑甲酸缓冲溶液或甘氨酸‑氢氧化钠缓冲溶液，缓冲溶液pH为5.0 9.0。~

[0047] 本申请实施例的技术方案中，采用甲酸铵‑甲酸或甘氨酸‑氢氧化钠作为调节pH时的缓冲溶液，可以避免在反应过程中pH变化幅度过大，方便使pH稳定在所需要的范围。

[0048] 优选的，羟基磷灰石纳米线悬浮溶液中羟基磷灰石纳米线的浓度为2 5g/L。~

[0049] 优选的，步骤S1中所述分散步骤包括将羟基磷灰石纳米线置于缓冲溶液中，在室温下搅拌12 24h，然后采用600 800W功率进行超声分散30 60min。~ ~ ~

[0050] 优选的，步骤S2中金属离子浓度为0.0001 0.025mol/L。~

[0051] 优选的，金属离子与羟基磷灰石中Ca2+的摩尔比为1:（2 10）。~

[0052] 优选的，步骤S2中搅拌条件为：室温下搅拌3 24h。~

[0053] 第三方面，本申请实施例提供了一种牙釉质修复材料，由包覆富金属离子非晶层的羟基磷灰石纳米线制备而成。

[0054] 本申请实施例的技术方案中，采用包覆富金属离子非晶层的羟基磷灰石纳米线经过冰模板、自组装等方法，可以实现基于羟基磷灰石纳米线的多尺度有序结构材料的制备，由于富金属离子非晶层的包覆，该材料拥有更好的力学性能，可以使该有序结构材料运用在硬组织修复，例如牙釉质等生物医学领域，具有良好的应用前景。

[0055] 下面列举了一些具体实施例，需说明的是，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

[0056] 一、制备方法实施例1
包覆富铝非晶层的羟基磷灰石纳米线的制备方法：
（1）将0.125g HAP（羟基磷灰石）纳米线置于甲酸铵‑甲酸缓冲溶液中，PH为5.0，在室温下搅拌一夜，并用600W功率进行超声分散，分散30min，得到2.5g/L的乳白色悬浮溶液；
羟基磷灰石纳米线采用直径主要分散在10‑50nm，长度在100µm左右的羟基磷灰石纳米线。

[0057] 羟基磷灰石纳米线的制备方法为：羟基磷灰石纳米线是通过溶剂热法制备的，首先分别制备氢氧化钠、氯化钙、磷酸二氢钠溶液和油酸、水、无水乙醇混合溶液；然后通过蠕动泵将氢氧化钠溶液加入油酸混合溶液中在转速700 1100rpm下反应半小时再分别加入氯~化钙溶液和磷酸二氢钠溶液，加入间隔为半小时；最后倒入聚四氟乙烯容器中，将容器放入反应釜中在180℃下反应24小时制备纳米线。

[0058] （2）将0.042g Al2(SO4)3·18H2O加入步骤（1）中的溶液中，在室温下搅拌3h；体系中铝离子与羟基磷灰石中钙离子的比例为1:10。

[0059] （3）反应完全后用超纯水离心3次，得到白色沉淀产物，将白色沉淀放入冰箱冷冻6小时以上，用冷冻干燥机冷干24h，得到Al‑HAP纳米线。

[0060] 实施例2包覆富锰非晶层的羟基磷灰石纳米线的制备方法：
（1）将0.125g HAP纳米线置于甘氨酸‑氢氧化钠缓冲溶液中，PH为9，在室温下搅拌一夜，并用600W功率进行超声分散，分散30min，得到2.5g/L的乳白色悬浮溶液；羟基磷灰石纳米线采用直径主要分散在10‑50nm，长度在100µm左右的羟基磷灰石纳米线。

[0061] 羟基磷灰石纳米线的制备方法为：羟基磷灰石纳米线是通过溶剂热法制备的，首先分别制备氢氧化钠、氯化钙、磷酸二氢钠溶液和油酸、水、无水乙醇混合溶液；然后通过蠕动泵将氢氧化钠溶液加入油酸混合溶液中在转速700 1100rpm下反应半小时再分别加入氯~化钙溶液和磷酸二氢钠溶液，加入间隔为半小时；最后倒入聚四氟乙烯容器中，将容器放入反应釜中在180℃下反应24小时制备纳米线。

[0062] （2）将0.025g MnCl2· 4H2O加入步骤（1）中的溶液中，在室温下搅拌12h；体系中锰离子与羟基磷灰石中钙离子的比例为1:10。

[0063] （3）反应完全后用超纯水离心3次，得到浅褐色沉淀产物，将浅褐色的沉淀放入冰箱冷冻6小时以上，用冷冻干燥机冷干24h，得到Mn‑HAP纳米线。

[0064] 实施例3包覆富铁非晶层的羟基磷灰石纳米线的制备方法：
（1）将0.125g HAP纳米线置于甘氨酸‑氢氧化钠缓冲溶液中，PH为5，在室温下搅拌一夜，并用600W功率进行超声分散，分散30min，得到2.5g/L的乳白色悬浮溶液；羟基磷灰石纳米线采用直径主要分散在10‑50nm，长度在100µm左右的羟基磷灰石纳米线。

[0065] 羟基磷灰石纳米线的制备方法为：羟基磷灰石纳米线是通过溶剂热法制备的，首先分别制备氢氧化钠、氯化钙、磷酸二氢钠溶液和油酸、水、无水乙醇混合溶液；然后通过蠕动泵将氢氧化钠溶液加入油酸混合溶液中在转速700 1100rpm下反应半小时再分别加入氯~化钙溶液和磷酸二氢钠溶液，加入间隔为半小时；最后倒入聚四氟乙烯容器中，将容器放入反应釜中在180℃下反应24小时制备纳米线。

[0066] （2）将0.0135g FeCl3·6H2O加入步骤（1）中的溶液中，在室温下搅拌3h，铁离子在溶液中浓度为0.0001M。

[0067] （3）反应完全后用超纯水离心3次，得到淡黄色的沉淀产物，将淡黄色的沉淀放入冰箱冷冻6小时以上，用冷冻干燥机冷干24h，得到Fe‑HAP纳米线。

[0068] 实施例4包覆富铜非晶层的羟基磷灰石纳米线的制备方法：
（1）将0.125g HAP纳米线置于甘氨酸‑氢氧化钠缓冲溶液中，PH为9，在室温下搅拌一夜，并用600W功率进行超声分散，分散30min，得到2.5g/L的乳白色悬浮溶液；羟基磷灰石纳米线采用直径主要分散在10‑50nm，长度在100µm左右的羟基磷灰石纳米线。

[0069] 羟基磷灰石纳米线的制备方法为：羟基磷灰石纳米线是通过溶剂热法制备的，首先分别制备氢氧化钠、氯化钙、磷酸二氢钠溶液和油酸、水、无水乙醇混合溶液；然后通过蠕动泵将氢氧化钠溶液加入油酸混合溶液中在转速700 1100rpm下反应半小时再分别加入氯~化钙溶液和磷酸二氢钠溶液，加入间隔为半小时；最后倒入聚四氟乙烯容器中，将容器放入反应釜中在180℃下反应24小时制备纳米线。

[0070] （2）将0.021g CuCl2·2H2O加入步骤（1）中的溶液中，在室温下搅拌24h；体系中铜离子与羟基磷灰石中钙离子的比例为1:10。

[0071] （3）反应完全后用超纯水离心3次，得到浅蓝色沉淀产物，将浅蓝色的沉淀放入冰箱冷冻6小时以上，用冷冻干燥机冷干24h，得到Cu‑HAP纳米线。

[0072] 实施例5包覆富锌非晶层的羟基磷灰石纳米线的制备方法：
（1）将0.125g HAP纳米线置于甘氨酸‑氢氧化钠缓冲溶液中，PH为7，在室温下搅拌一夜，并用600W功率进行超声分散，分散30min，得到2.5g/L的乳白色悬浮溶液；羟基磷灰石纳米线采用直径主要分散在10‑50nm，长度在100µm左右的羟基磷灰石纳米线。

[0073] 羟基磷灰石纳米线的制备方法为：羟基磷灰石纳米线是通过溶剂热法制备的，首先分别制备氢氧化钠、氯化钙、磷酸二氢钠溶液和油酸、水、无水乙醇混合溶液；然后通过蠕动泵将氢氧化钠溶液加入油酸混合溶液中在转速700 1100rpm下反应半小时再分别加入氯~化钙溶液和磷酸二氢钠溶液，加入间隔为半小时；最后倒入聚四氟乙烯容器中，将容器放入反应釜中在180℃下反应24小时制备纳米线。

[0074] （2）将0.1788g ZnSO4· 7H2O加入步骤（1）中的溶液中，在室温下搅拌3h；体系中锌离子与羟基磷灰石中钙离子的比例为1:2。

[0075] （3）反应完全后用超纯水离心3次，得到白色沉淀产物，将白色沉淀放入冰箱冷冻6小时以上，用冷冻干燥机冷干24h，得到Zn‑HAP纳米线。

[0076] 对比例1对比例1与实施例2的不同之处在于，采用NaOH调节pH为9，其他条件与实施例2均
相同。

[0077] 对比例2对比例2与实施例2的不同之处在于，pH为7，其他条件与实施例2均相同。

[0078] 对比例3对比例3与实施例2的不同之处在于，增加体系中锰离子含量，使体系中锰离子与
羟基磷灰石中钙离子的比例为1:1，其他条件与实施例2均相同。

[0079] 二、测试方法1、形貌测试：
（1）超高分辨场发射扫描电子显微镜（Ultrahigh Resolution Field Emission Scanning Electron Microscope, SEM），工作原理：使用电子束照射样品表面，通过电子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子等信号，从而获得微观形貌放大像；型号：
Hitachi Regulus 8230；测试条件：将所测样品用导电胶粘在样品台上面并根据样品导电性溅射40‑80 s的金属铂颗粒，加速电压为5 kV。

[0080] （2）冷冻透射电子显微镜（Field emission  transmission electron microscope, TEM）工作原理：把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像；型号：JEM‑F200；测试条件：将所测粉末样品用酒精稀释，超声分散后滴在超薄碳膜铜网上，待铜网上酒精挥发完即可用于测试。

[0081] 2、晶体结构测试：X射线衍射仪（X‑Ray Diffraction, XRD），工作原理：当一束X射线入射到晶体时，不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊的方向上产生强X射线衍射；型号：德国布鲁克公司 D8 Advance；测试条件：X射线靶材为Cu钯，Kα线波长为λ=0.15406 nm；测试角度为10‑80°；测试电压V=40 kV，电流I=40 mA。

[0082] 3、材料化学性质与组成测试：工作原理：使用X‑射线，如Al Ka =1486.6eV，与样品表面相互作用，利用光电效应，激发样品表面发射光电子，利用能量分析器，测量光电子动能 (K.E)，根据B.E=hv‑K.E‑W.F，进而得到激发电子的结合能（B.E）；型号：ESCALAB 250Xi。

[0083] 4、热稳定性测试：同步热分析仪（Simultaneous Thermal Analyzer, TG/DSC），工作原理：TG：热重法原理为在程序控温的情况下，研究测试物质的质量随温度（或时间）的变化关系，通过分析热重曲线，可以得知被测物质在什么温度产生变化，并且根据失重量，计算失去的质量，通过质量与温度的一次微分曲线，可以分析测试物质质量变化的快慢。

[0084] 三、各实施例、对比例测试结果分析（1）图1为实施例1中的包覆富铝非晶层的羟基磷灰石（Al‑HAP）纳米线的TEM图，从图中可以看出，通过实施例1中的方法制备的羟基磷灰石纳米线包覆有非晶涂层。图5和图9分别为Mn‑HAP纳米线和Fe‑HAP纳米线的TEM图，从图中可以看出，通过实施例2、实施例3中的方法制备的羟基磷灰石纳米线包覆有非晶涂层。

[0085] 对比例1中采用碱液直接进行pH调节，制备得到的Mn‑HAP纳米线如图14所示，并没有发现非晶层的存在，说明采用缓冲溶液保证反应过程中pH保持稳定，才能生成非晶层。

[0086] 对比例2中采用缓冲溶液将pH调节到7，制备得到的Mn‑HAP纳米线如图15所示，并没有发现非晶层的存在，说明制备Mn‑HAP纳米线的pH为9较为适宜。

[0087] 对比例3中增加体系中锰离子含量，使其与溶液中钙离子含量相同，通过透射电镜观察到纳米线上附着小颗粒如图16，原因为锰离子浓度过高无法生成非晶层，生成结晶小颗粒。

[0088] （2）图2为实施例1中Al‑HAP纳米线和纯羟基磷灰石（HAP）纳米线的XRD图，通过与纯羟基磷灰石纳米线和900℃煅烧纳米线XRD图对比，Al‑HAP的结晶峰位置和强度都与纯羟基磷灰石纳米线相似，而900℃煅烧后的富铝纳米线出现了新的结晶峰，为Ca9Al(PO4)7结晶相，且结晶峰的强度得到了明显的提升，这是由于纳米线外层非晶层在900℃下转换成结晶相所致的。图6、图10分别为Mn‑HAP、HAP、Mn‑HAP‑900℃和Fe‑HAP、HAP、Fe‑HAP‑900℃纳米线的TEM图，从图中可以看出，通过实施例2、实施例3中的方法制备的羟基磷灰石纳米线包覆有相应的非晶涂层。

[0089] （3）图3为实施例1中Al‑HAP纳米线和HAP纳米线的XPS图，从图中得到纯HAP纳米线中含有Ca、P、O三种元素，相比于纯HAP在Al‑HAP纳米线XPS图中多了Al元素，表明在HAP纳米3+
线离子交换中Al 成功被引入到纳米线中。图7为Mn‑HAP、HAP纳米线的XPS测试图，图11为
2+ 3+
Fe‑HAP、HAP纳米线的XPS测试图，表明Mn 、Fe 分别被引入到纳米线中。

[0090] （4）图4、图8和图12分别为Al‑HAP、Mn‑HAP、Fe‑HAP纳米线在放大10000倍下的SEM图，可以看到Al‑HAP、Mn‑HAP、Fe‑HAP纳米线仍保持着纳米线的形貌，具有很高的长径比，在纳米线外周涂覆非晶层并没有破坏纳米线原本的结构。

[0091] （5）图13为实施例1中Al‑HAP的热重分析图，可以得出Al‑HAP的分解温度为824℃，而纯的HAP的分解温度为701℃，说明热稳定性得到很大提升。

[0092] 需要说明的是，本申请不限定于上述实施方式。上述实施方式仅为示例，在本申请的技术方案范围内具有与技术思想实质相同的构成、发挥相同作用效果的实施方式均包含在本申请的技术范围内。此外，在不脱离本申请主旨的范围内，对实施方式施加本领域技术人员能够想到的各种变形、将实施方式中的一部分构成要素加以组合而构筑的其它方式也包含在本申请的范围内。