羥基磷灰石的制備方法及應(yīng)用研究

高 旭,馬 婧,李 偉,田小霞,鮮 亮

(1.西北民族大學(xué) 化工學(xué)院,甘肅 蘭州 730030;2.西北民族大學(xué) 環(huán)境友好復(fù)合材料國家民委重點實驗室,甘肅 蘭州 730030)

0 引言

羥基磷灰石(HA)是一種對人體和環(huán)境均無害的綠色環(huán)保材料,具有環(huán)境友好、生物安全性高等優(yōu)點［1］.HA作為一種磷酸鈣晶體衍生物具有與天然骨材料相似的物理、化學(xué)組成,其形狀主要包括針狀、棒狀、球狀和片狀.將HA作為移植材料,可誘導(dǎo)細胞增殖、分化,并與生物體硬組織(如骨骼、牙齒等)產(chǎn)生較強親和性,而且針狀和片狀納米HA可賦予生物組織延展性,常應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域［2］.純HA由于本身存在易團聚、機械性能差等缺陷限制了其進一步發(fā)展,因此,一般與明膠、蛋白質(zhì)、多糖等材料復(fù)合制備具有協(xié)同效應(yīng)的新型功能復(fù)合材料,從而達到改善其性能缺陷及應(yīng)用范圍拓展的雙重提升.

HA作為綠色環(huán)保材料已成為當(dāng)前的研究熱點,用它制備的復(fù)合材料在藥物控釋、生物組織工程、催化劑載體、環(huán)境治理修復(fù)等領(lǐng)域均有研究.本文對近年來國內(nèi)外HA制備及應(yīng)用作以介紹,以期為工程領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展提供參考.

1 羥基磷灰石

1.1 理化性質(zhì)

磷灰石是指符合結(jié)構(gòu)為M10(XO4)6Z2的一類化合物,而羥基磷灰石(HA,Ca10(PO4)6(OH)2)作為其中一種,是指結(jié)構(gòu)中M=Ca2+、X=P5+、Z=OH-的磷灰石.HA中Ca、P、O、H質(zhì)量占比分別為39.89%、18.50%、41.41%及0.20%.作為一種天然無機礦物材料,HA呈弱堿性(pH=8左右),密度為3.16 g/cm3,其結(jié)構(gòu)成分與人類及動物骨骼相似,在天然骨材料中占比較高,其中骨中約占70%,牙齒中約占95%以上［3］.根據(jù)HA晶胞特征可被多種離子取代,導(dǎo)致晶格參數(shù)和結(jié)晶度等發(fā)生變化,如人體組織含有氯化物、碳酸鹽及Mg、Sr等微量元素,存在質(zhì)量占比約為0.13%摻氯HA和2%～8%的碳酸鹽HA［4-5］.由于HA具有不溶于水、無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、刺激性低及生物活性和生物相容性高等優(yōu)點,常用于骨組織代替材料,把這種材料植入人類或動物體內(nèi)后可為體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)提供支撐,并與體內(nèi)齒或骨材料之間產(chǎn)生良好的生理結(jié)合,其中的鈣、磷元素可被吸收,從而促進機體組織生長［6］.

HA熔點為1 100 ℃,具有良好的熱穩(wěn)定性.HA作為原料可制備耐高溫材料,但HA也存在易團聚,脆性大而導(dǎo)致抗疲勞機械性能差等不足［7］.

1.2 組成及結(jié)構(gòu)

圖1 HA晶胞圖(a)和結(jié)構(gòu)示意圖(b)［12-13］

2 羥基磷灰石制備方法

HA作為一種重要化工材料用途廣泛,但自然界中HA可能含有Pb、氟化物、脂肪、蛋白質(zhì)及其他黏附雜質(zhì),存在安全隱患且難以滿足現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的需求,因此,常見HA一般通過合成方法制得,它的物化特性(如粒度、形態(tài))與合成工藝有關(guān).HA制備根據(jù)工藝區(qū)別大致分為固相法和液相法兩大類,分別把鈣鹽(Ca(NO3)2、CaCl2等)和磷酸鹽((NH2)HPO4、CaHPO4等)固體或溶液通過一定比例混勻而制備HA,因其制備工藝和流程差異,所得HA形狀及性能也各不相同.

2.1 固相法

2.1.1 生物合成法

2.1.2 機械化學(xué)法

2.1.3 高溫固相法

高溫固相法是指將制備HA的固體物通過相應(yīng)比例混勻后置于高溫下煅燒,將溫度升至1 000 ℃左右,以促進兩者在相界面上反應(yīng)生成HA,當(dāng)HA增多時形成晶核,從而制得結(jié)晶度和晶格較好的HA粉體［21］.該法工藝簡單、成本小,但耗時較長、鈣鹽和磷鹽稱量比例精度要求高且易引入雜質(zhì),制備的HA顆粒較大.李愛玲等［22］以氫氧化鈣和植酸Ca/P元素摩爾比為1.67,將兩者球磨混合2 h后于600～1 300 ℃煅燒制備HA.結(jié)果顯示,隨著煅燒溫度增加,材料中結(jié)晶態(tài)占比上升,當(dāng)煅燒溫度為1 100 ℃時可制得白色球狀HA,此時材料中有機物基本全部去除,HA相態(tài)和純度最好.

2.2 液相法

液相法制備HA過程中可通過改變溫度、反應(yīng)物類型及添加劑等工藝參數(shù)調(diào)節(jié)產(chǎn)物形狀.與固相法相比,液相法制備的HA具有產(chǎn)物純度高,受污染程度小等特點,但工藝復(fù)雜,對于原料純度和制備過程所需條件(濃度、溫度、pH等)要求苛刻,且不可避免地存在少量其他類型磷酸鹽［23］.

2.2.1 化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法是HA制備的一種經(jīng)典方法.該法通過一定濃度比的鈣鹽和磷酸鹽溶液,于相應(yīng)pH條件下充分混勻生成沉淀,再經(jīng)洗滌、高溫陳化后進行分離得到HA.該法具有產(chǎn)率高、價廉、簡便及設(shè)備要求低等特點,但產(chǎn)物結(jié)晶度一般較低且伴隨團聚,對pH、反應(yīng)時間、陳化溫度等要求較高［24］.Wu等［25］研究了以桑葉提取物為模板對沉淀法制備HA尺寸、形態(tài)和結(jié)晶度影響,結(jié)果顯示,有/無模板時HA均以尺寸小于100 nm的棒狀顆粒團聚存在,但以桑葉提取物作為模板可為HA提供成核位點,所制備HA結(jié)晶度更高,晶粒尺寸更小.

2.2.2 水熱合成法

水熱合成法是以水作為介質(zhì),使用高溫高壓使其沸點升高,通過液體氣化增壓.由于反應(yīng)體系處于密閉高壓態(tài),較難溶的鈣鹽和磷酸鹽在較高溫度和壓力下溶解、反應(yīng)成核,并生成HA.該法因反應(yīng)活性提高,所制備HA顆粒大、團聚少、純度和結(jié)晶度高,但對設(shè)備耐蝕性及工藝要求較高,并且反應(yīng)過程較難觀察且具有一定危險性.Xu等［26］通過延長水熱時間,使無定形磷酸鈣轉(zhuǎn)變?yōu)镠A,于水熱10 h制備了由長度0.2～0.7 μm、寬度0.1～0.3 μm晶須構(gòu)成的內(nèi)核直徑3～7 μm、外殼厚0.3～0.8 μm且核殼間存在間隙的整體直徑3～10 μm的完整核殼狀微球.

2.2.3 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是以醇鹽或非醇鹽(金屬鹽)為前驅(qū)體,將其水解或醇解后以分子級別混勻形成溶膠,經(jīng)陳化處理或縮合反應(yīng)使溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槿S網(wǎng)絡(luò)狀凝膠,進一步將凝膠干燥、煅燒即可得到HA粉末［27］.該法反應(yīng)過程溫和可控,所得HA晶粒小、均一性高、比表面積大,但耗時長且對于前驅(qū)體選擇和工藝過程精度要求較高［28］.Sormin等［29］將pH=11條件下制備的HA溶膠于120 ℃加熱轉(zhuǎn)變?yōu)槟z后干燥,再經(jīng)550 ℃煅燒6 h制得體積分數(shù)為92.7%的HA粉體.Su等［30］將Ca(NO3)2和H3PO4以1.67摩爾比混合,使用溶膠-凝膠法在45 ℃、800 r/min條件下攪拌40 min,制得晶粒尺寸6.10 nm且結(jié)晶度較高的多孔HA.

2.2.4 乳液法

乳液法反應(yīng)過程較為緩和，該法在表面活性劑的條件下增加了2種不互溶溶劑的分散性，形成微/納米級均勻乳液,在乳液中成核析出HA.該法工藝簡單,對設(shè)備要求低,應(yīng)用較廣,但產(chǎn)量相對較少,并且表面活性劑種類和數(shù)量對它有所限制.Tanaka等［31］以Span 80和Tween 20作為表面活性劑,通過水包油乳液法(W/O/W)制備了20×200 nm棒狀HA所構(gòu)成的高比表面積HA空心微球,蛋白質(zhì)吸附量是普通棒狀HA的7.5～9.0倍.該法由外水相中Ca2+通過油相擴散到油相和內(nèi)水相間的界面產(chǎn)生 HA 納米晶體,從而形成微球.

3 羥基磷灰石的應(yīng)用

3.1 力學(xué)材料

HA作為天然骨材料中的主要無機成分和膠原纖維,相互結(jié)合構(gòu)成復(fù)雜有序組織,使得骨材料具有優(yōu)異的機械性能.將HA與其他材料復(fù)合一定程度上可以提升復(fù)合材料的力學(xué)性能.Shao等［32］研究了微波輔助技術(shù)沉積HA對HA/SF支架力學(xué)強度的影響,結(jié)果顯示,隨著HA濃度增加,HA/SF復(fù)合材料抗壓強度顯著提升,制備的支架抗壓強度為未沉積HA支架的2.3倍.Alabdali等［33］在甲基丙烯酸甲酯和二氨基甲酸乙酯(UDMA-MMA)中加入少量HA和石墨烯后UDMA-MMA材料的硬度最大增加了0.226 GPa和0.223 GPa,壓痕模量最大增至3.960 GPa和3.942 GPa,與未添加時相比硬度增加了30%～40%,壓痕模量增加了30%.

3.2 生物醫(yī)學(xué)材料

全世界每年因骨受損而需移植的骨替代材料需求量巨大.隨著生物醫(yī)學(xué)移植材料的不斷發(fā)展,對于骨破損等人體組織修復(fù)成為生物移植材料的研究熱點.理想骨移植材料不僅需要有較高的生物活性,還應(yīng)能夠誘導(dǎo)體內(nèi)組織生長,而傳統(tǒng)骨材料對于與患者身體兼容的供體骨材料(自體移植或同種異體移植)存在供體組織不足、疾病傳播和免疫排斥反應(yīng)等缺陷而受到嚴重限制,通過將新型生物活性材料應(yīng)用于骨組織工程可緩解這一現(xiàn)狀,尤其是納米級HA可實現(xiàn)仿生礦化而成為理想生物移植材料［34-35］.Zhang等［36］以牡蠣殼作為蜂窩狀衍生有機模板(OTMS)誘導(dǎo)礦化生成HA,制備出HA負載率高,蛋白質(zhì)吸附力強的HA/pDA-OTMS三維多孔仿生結(jié)構(gòu)材料,并且pDA改性后的OTMS無細胞毒性,其蜂窩狀結(jié)構(gòu)和HA有利于細胞黏附、增殖和分化.

3.3 吸附材料

3.4 催化材料

HA 中Ca2+因半徑和價鍵不同可被不同金屬離子代替,從而使HA具有較強離子交換能力.而HA結(jié)構(gòu)中Ca/P摩爾比可通過酸/堿活性位調(diào)節(jié),當(dāng)Ca/P比小于/大于1.67時分別有利于酸性/堿性催化,并且HA孔徑尺寸可通過制備工藝調(diào)節(jié),從而應(yīng)用于催化領(lǐng)域［40-41］.Martínez等［42］通過微波水熱法制備了粒徑為19.4～47.2 nm的Ag+參雜HA.CO催化性表明, Ag+含量為2.5%的HA于700 ℃時催化活性最高,此時CO2生成率為86.6%,比純HA高出3倍,并且循環(huán)5次后仍能保持較好的催化活性.

3.5 載體材料

HA具有較高的比表面積、優(yōu)異的生物相容性及無毒等特點.使用HA作為藥物載體材料具有藥物吸附性能優(yōu)異且不受免疫反應(yīng)影響等特點,并能將藥物輸送至身體特定部位.如果在HA制備過程中加入標(biāo)記性元素能夠?qū)︶尫盼恢眠M行標(biāo)記,從而可作為靶向給藥及藥物控釋進行研究.湯釩［43］將球形CaCO3與(NH4)2HPO4通過水熱法合成中空HA微球,研究了HA微球?qū)Π⒖×姿徕c藥物控釋性的影響.結(jié)果顯示,HA∶阿倫磷酸鈉=1∶2時,藥物負載率最高為40.47%,藥釋時間超過48 h后藥物仍能以60%～65%速率穩(wěn)定釋放.

3.6 其他材料

HA因優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、離子交換能力及結(jié)構(gòu)中大量羥基的存在可應(yīng)用于耐火材料、膜材料、光學(xué)材料及傳感材料等領(lǐng)域.陳飛飛［44］以直徑20 nm的HA超長納米線為原料,通過油酸鈉改性后以真空輔助抽濾制得具有良好書寫性及疏水性、且能承受200 ℃以上高溫的HA耐火紙.Zhu等［45］采用水熱法在LDHs包覆的鎂合金上制備了具有生物活性和礦化作用的Mg-LDHs-HA復(fù)合膜,并且SBF浸泡后的復(fù)合膜阻抗模量為5×103Ω·cm2，是LDHs的10倍.Figueroa等［46］通過化學(xué)沉淀法制備出HA/多壁碳納米管(HA/MWCNT)及HA/氧化多壁碳納米管(HA/OMWCNT)復(fù)合材料.光致發(fā)光光譜顯示，HA/MWCNT與氧晶格缺陷HA在410 nm時具有較強發(fā)光峰(藍光)，HA/OMWCNT在496 nm時具有較強發(fā)光峰(白光)，可用于藥物控釋檢測和發(fā)光二極管等領(lǐng)域.Khtaoui等［47］使用牛骨提取HA(NHA)制備了靈敏度為17 900 pF/%RH，響應(yīng)恢復(fù)時間為8～11 s的電容式濕度傳感器，并且NHA傳感器具有更大的比表面積和更多吸附位點，H2O的吸附增加了質(zhì)子電導(dǎo)率，使用穩(wěn)定性優(yōu)良.

4 總結(jié)與展望

HA作為骨骼、牙釉質(zhì)中重要無機物,具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、比表面積大、生物活性高等優(yōu)點,在骨缺損修復(fù)、牙齒再礦化、藥物控釋載體、催化劑、吸附材料、傳感材料等領(lǐng)域均有不同程度的研究.但從目前研究結(jié)果來看,HA材料在制備及應(yīng)用過程中仍存在以下不足.

1)合成工藝復(fù)雜、成本高.性能優(yōu)異的HA及其復(fù)合材料在制備過程中對工藝要求較為苛刻,不利于工業(yè)化大批量生產(chǎn),筆者認為應(yīng)加深對固相法的研究,以改善HA制備工藝.

2)HA仿生材料與原生骨之間生長/降解速率存在差異.以HA作為藥物控釋,可能會出現(xiàn)突釋過程,故還需對仿生材料與機體組織生長一致性及HA藥物控釋速率和穩(wěn)定性進行優(yōu)化.

3)HA團聚.合成HA具有高比表面能而極易團聚,從而對材料的性能產(chǎn)生影響,比如HA涂層均勻性有待提高、HA因團聚而分散性降低使得機械性能下降等,并且部分分散劑具有細胞毒性,故仍需尋找新型分散劑和表面活性劑來改善HA團聚現(xiàn)象.

HA具有巨大應(yīng)用價值,若能將存在的缺陷予以彌補,以低成本工藝制備出更高性能HA及其復(fù)合材料,必將在生物醫(yī)學(xué)和化工等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用.