科研论文 | Retsch CryoMill & E-Max 助力高效低温研磨，突破生物材料纳米化瓶颈

2025-11-07 18:12:59, 弗尔德仪器弗尔德（上海）仪器设备有限公司

近日，新加坡国立大学陈宇彤博士在《International Journal of Bioprinting》（IJB）上发表了一项关于3D打印智能化药物运送系统的研究成果的论文。文中提到，在纳米羟基磷灰石（n-HA）等生物材料的制备过程中，高效的纳米化研磨工艺至关重要。

《International Journal of Bioprinting》

译文：

将0.116 mol四水合硝酸钙[Ca(NO₃)₂·4H₂O]与0.1 mol磷酸氢二铵[(NH₄)₂HPO₄]溶于200 mL蒸馏水中，充分混合并搅拌30分钟。随后在持续搅拌下将磷酸氢二铵溶液缓慢滴加至上述溶液中，于25°C条件下反应1小时。通过持续滴加氨水将溶液pH值维持在11，在恒温恒pH条件下继续反应5小时。反应结束后对混合液进行真空抽滤，滤饼经蒸馏水多次洗涤以去除反应过程中产生的杂质。将滤饼置于90℃烘箱中干燥12小时，所得粉末置于马弗炉（Carbolite Gero, CWF1200）在800°C烧结2 小时的主要目的是对反应生成的沉淀产物（经干燥的半成品）进行高温烧结处理，以获得晶化良好、杂质少、性能稳定的纳米羟基磷灰石（n-HA）粉末。粉末经行星式球磨机（Retsch, PM200）研磨4小时，再用臼式研磨机（Retsch, RM200）研磨30分钟。最终获得粒径均匀的n-HA（羟基磷灰石）粉末。

Retsch 研磨技术

实验室研磨仪

上述论文中采用了行星式球磨仪进行干磨，长时间处理会导致样品团聚结块，很难磨到亚微米和以下的细度，后续还需要用其他研磨仪例如臼式研磨仪RM200进行温和地研磨分散，相当于再多了一段处理工序。由于后续还需要卡博莱特马弗炉高温烧结，所以对于样品研磨后保持的生物活性就没有那么关注，也是一种可行与成本较少的使用方法。否则研磨过程中瞬时摩擦产生的热量及研磨体系内部持续的温度升高，不仅会消耗部分生物材料，还将破坏生物材料本身的生物活性。

RM200

PM200

纳米材料的制备方法很多，不同材料选择的制备方法也不同，总体可分为物理方法和化学方法，这些方法在制备纳米颗粒时多数需要对材料进行加热，甚至是高温高压处理，适用于金属、陶瓷等无机物的纳米化。而脱钙骨基质属于天然生物材料，其纳米化研磨需在低温条件下进行。

高效研磨，突破瓶颈

传统的行星式球磨法在长时间干磨过程中，易导致样品团聚、结块，难以达到亚微米级以下的细度，且后续仍需额外工序进行分散处理。更值得注意的是，研磨过程中产生的瞬时摩擦热和持续升温，不仅会消耗部分生物材料，还可能破坏其生物活性，尤其对热敏感的生物材料（如脱钙骨基质）而言，这是一大挑战。

CryoMill

E-Max

为解决这一难题，我们更为推荐使用CryoMill全自动冷冻球磨仪与E-Max全自动低温高能球磨仪相结合的创新研磨方案。该方案仅需25分钟即可完成纳米化研磨，效率较传统方法提升25倍以上。

CryoMill

全自动冷冻球磨仪

CryoMill全自动冷冻球磨仪的研磨罐是在水平方向上进行径向振动，研磨球的惯性带动它们以高能量撞击位于弧形内表面的样品材料，从而达到粉碎效果，在研磨过程中液氮的加入和补充完全由程序(自动)控制，密闭进行，增加了安全性，避免了手动操作的危险，旋盖式研磨罐使用方便，能有效防止样品的溢漏及损耗，初步研磨5 min可使脱钙骨基质粒度稳定的维持在65 μm左右。

脱钙骨基质初步研磨后粒度检测及二次研磨后大体性状图注：图中A 为CryoMill 全自动冷冻研磨仪初步研磨2 min 后，脱钙骨基质变为淡黄色粗糙纤维状粉末；B 为初步研磨5 min 后，可见粉末形态明显细腻且变为白色；C 为初步研磨5 min 后CAMSIZER 分析仪粒度检测结果，可见脱钙骨基质粒度峰值80%集中于65 μm；D 为E-Max 全自动低温高能球磨仪研磨后得到的乳白色脱钙骨基质浆液。

E-Max

高能水冷球磨

E-Max高能水冷球磨仪的创新研磨方式综合了3种不同研磨仪的优势：高频撞击(混合球磨仪)、强力摩擦(振动盘式研磨仪)和可控研磨罐圆周运动(行星式球磨仪)，研磨罐的运动结合椭圆造型，双罐分离安装，同向圆周转动而无需改变罐体方向；研磨过程中创新的循环水冷却系统能避免高速运行研磨过程产生的热量影响样品；罐体的特殊几何结构和运动方式的协同作用，导致研磨球间摩擦力增强，增加研磨球在罐体圆角处的撞击力，可显著缩短研磨时间和集中颗粒的细度分布区间，与单纯的干法研磨粉相比，材料的纳米化研磨结果更确切、材料粒度分布均匀性更高。

纳米脱钙骨基质的扫描电镜观察结果图注：B 为A(×3 000)的局部放大(×5 000)，C为B 局部放大(×30 000)，D 为C 的局部放大(×50 000)；纳米脱钙骨基质底层致密，表面充满不规则纳米颗粒，颗粒大小不均匀，直径20-50 nm，纳米颗粒相互团聚，表面密布纳米级别凹槽，内部形成较多微米级别孔隙结构，孔隙大小不一，互相联通。

先进工艺，效能革新

脱钙骨基质经纳米化研磨后冻干后，扫面电镜观察显示其底层致密，表面充满不规则纳米颗粒，颗粒直径20-50 nm，纳米颗粒相互团聚，表面密布纳米级别凹槽，内部形成大量相互连通的微米级别孔隙，其微观结构符合纳米生物材料范畴。研究表明丰富的多孔结构有利于营养物质和氧气的吸收与传递，促进细胞生长及骨组织重建，且内部孔隙大小不均匀的支架材料比单一孔径大小的支架更有利于骨的修复与重建。

综上所述，研究通过CryoMill和E-Max两种不同的研磨仪改良了纳米脱钙骨基质的制备工艺，研磨效率高，研磨结果确切，材料粒度分布均匀，复合符合纳米材料范畴，理论上有利于细胞的生长及骨组织重建，是一种具有极大应用潜力的骨组织工程生物材料，具有广阔的研究前景和开发价值，但其生物活性和成骨性能还需要在后续实验中进一步探讨。

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