中空羥基磷灰石的制備方法研究進(jìn)展

李世宏, 何 陽, 胡 東,李 劍，龍世偉，蔣波波，付 洪，徐 冉，翁 杰*， 鄭 偉，*

(1.西部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院 骨科, 四川 成都610000; 2.成都醫(yī)學(xué)院 臨床醫(yī)學(xué)院, 四川 成都 610000; 3.西南交通大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，四川 成都 610000)

羥基磷灰石(Hydroxyapatite，簡寫HA，化學(xué)式為Ca10(PO4)6(OH)2)，它在人與動(dòng)物的骨骼或牙齒中是最重要的礦物組成成分，較其他生物材料而言，羥基磷灰石具備出色的生物相容性及生物活性，故HA廣泛用于藥物遞送/控制釋放[1-2]、牙科植入物[3]、氣體傳感器[4]、催化劑[5]等方面。無機(jī)空心納米/微米球殼型材料因其低密度、節(jié)省材料、尺寸小、比表面積和孔體積大等優(yōu)點(diǎn)，以及它們良好的機(jī)械性、熱穩(wěn)定性以及表面滲透性等性能而備受化學(xué)和材料界的關(guān)注[6]。 將HA制成中空的結(jié)構(gòu)，裝載藥物或蛋白質(zhì)到腔內(nèi)，在極大提高藥物或蛋白質(zhì)的包封效率的同時(shí)，也明顯提高它們的緩釋效果，并且能夠促進(jìn)新骨的生成[7]，這種中空材料在骨組織工程中具有重要意義。

隨著羥基磷灰石無機(jī)材料持續(xù)的研究與發(fā)展，涌現(xiàn)出空心HA的各種制備方法，例如模板法、水熱法、溶劑熱法、噴霧干燥法、微波協(xié)助法、微乳液法等，本文對(duì)這些制備方法進(jìn)行了歸納與總結(jié)，以期為后續(xù)研究中空羥基磷灰石提供參考。

1 模板法

模板法即通過先制備模板，再由模板向空心HA轉(zhuǎn)化的方法，是制備各種空心材料的方法中使用最早、最常用、最成熟方法。按照模板的有機(jī)或無機(jī)特性，相應(yīng)的分為軟模板和硬模板。

1.1 硬模板法

文獻(xiàn)中報(bào)道的關(guān)于以硬模板法制備空心HA的方法中，大部分是分別以生成的碳酸鈣、硼酸鹽玻璃這兩種中間物為無機(jī)模板轉(zhuǎn)化生成空心HA。

1.1.1 以CaCO3為模板

在礦化過程中添加劑(例如表面活性劑，聚合物和生物分子等)的存在對(duì)于影響成核和晶體生長是異常重要的，借助添加劑可以控制合成碳酸鈣的形貌，十二烷基硫酸鈉( SDS)[14]、乙二醇(EG)[8]、苯乙烯磺酸鹽(PSS)[15-16]等調(diào)控劑可以單獨(dú)用于制備并控制中空碳酸鈣微球形貌，在他們的存在下，CaCO3從方解石變形態(tài)為球霰石形態(tài)，更利于CaCO3向HA的轉(zhuǎn)化。同樣，使用復(fù)合調(diào)控劑可以達(dá)到同樣的效果，例如，WANG等[17]使用天冬氨酸(Asp)和十二烷基硫酸鈉(SDS)這一復(fù)合調(diào)控劑，SDS的親水性磺酸基團(tuán)通過靜電吸引與鈣離子結(jié)合，從而形成SDS球狀膠束；含有兩個(gè)羧基(-COOH)和一個(gè)胺基(-NH2)的Asp，這種酸性氨基酸的基團(tuán)也具有很強(qiáng)的與Ca2+離子相互作用的能力，故它們以Ca2+為橋梁形成SDS-Asp復(fù)合物，SDS-Asp復(fù)合物調(diào)節(jié)結(jié)晶HA的成核，聚集和生長。PAN等[18]發(fā)現(xiàn)聚丙烯酸(PAA)/ 十二烷基磺酸鈉(SDS)組合形成膠束聚集體，這種“珍珠項(xiàng)鏈模型”可以用作球形模板，在沉淀系統(tǒng)中誘導(dǎo)生成CaCO3的空心微球。然而，這些添加劑的去除仍然是個(gè)問題，需在煅燒等極高溫的條件下才有可能完全剔除[16]，生成中空HA的水熱條件顯然達(dá)不到目的，如何便捷、高效去除產(chǎn)物HA中的雜質(zhì)，這有待進(jìn)一步研究。

1.1.2 以Li-Ca-B玻璃為模板

這種LCB玻璃原位轉(zhuǎn)化制備中空 HA微球的工藝，姚愛華等[22]認(rèn)為從玻璃顆粒轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石微粒的制備過程對(duì)形成的殼狀結(jié)構(gòu)形貌影響甚微，而王迎春等[23]探究溫度對(duì)形成中空結(jié)構(gòu)羥基磷灰石的影響發(fā)現(xiàn)，中空HA微球的最大比表面積與總孔體積出現(xiàn)在燒結(jié)溫度為90 ℃時(shí)，若再提高溫度，比表面積、總孔體積反而開始出現(xiàn)下降，微球表面小孔的平均孔徑、結(jié)晶度仍然增加，700 ℃時(shí)HA微球開始出現(xiàn)熱分解。YAO等[19]的研究表明磷酸鹽濃度會(huì)影響殼壁結(jié)構(gòu)，在低濃度磷酸根溶液中反應(yīng)的微球，殼壁由多孔的多層結(jié)構(gòu)組成；相反，當(dāng)提高磷酸根離子濃度時(shí)僅產(chǎn)生單個(gè)羥基磷灰石層。FU等[24]發(fā)現(xiàn)在9～12的pH范圍內(nèi)，pH對(duì)最終形成的中空羥基磷灰石微球的形貌、大小及分布等的影響并不大。

1.2 軟模板法

YE等[25]利用Tween-60分子為殼、疏水性Pluronic P123分子為核心形成的復(fù)合聚合物膠束為模板成功制備出HA中空納米球，所合成平均直徑為60 nm HA空心納米級(jí)顆粒具有窄的尺寸分布、大比表面積和孔體積。

2 水熱法

YANG等[26]把鈣鹽及磷酸鹽溶解于酸性環(huán)境中，加入檸檬酸鹽，予以高溫高壓，形成磷酸鈣(CaP)納米顆粒，高濃度的檸檬酸鹽吸附在CaP的表面，由于檸檬酸鹽分子之間相互作用誘導(dǎo)了納米CaP顆粒組裝、聚集，為HA提供成核位點(diǎn)，HA與CaP聚集體相比更穩(wěn)定，故生成了中空HA顆粒，也可以理解為HA的生長是以犧牲CaP納米簇顆粒為代價(jià)的。同樣的，在含有鈣鹽及磷酸鹽的酸性環(huán)境中，JIANG等[27]加入水溶性生物聚合物聚天冬氨酸(PASP)，予以高溫高壓，在合成過程中PASP具有充當(dāng)螯合劑螯合并積累鈣離子、協(xié)助HA納米棒組裝、誘導(dǎo)形成無定型磷酸鈣(ACP)納米顆粒的諸多作用，在隨后的階段，Ostwald熟化作用促進(jìn)形成中空HA顆粒。YANG等[7]發(fā)現(xiàn)由于長時(shí)間的水熱環(huán)境，HA的結(jié)晶度增強(qiáng)，導(dǎo)致HA溶解率降低，這使載體中藥物的長時(shí)間控制釋放成為可能。

3 溶劑熱法

4 噴霧干燥法

JIAO等[29]以HA漿料為原料在噴霧干燥的作用下制備多孔中空的微球，制備HA漿料的反應(yīng)方程式：10Ca (NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH4OH →Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+6H2O，在漿料中加入成孔劑碳酸氫銨，噴霧干燥的高溫環(huán)境下碳酸氫銨分解為二氧化碳和氨氣，這些產(chǎn)生的氣體由于表面張力會(huì)聚集在顆粒的中心，導(dǎo)致形成空心HA微球。同時(shí)，氣泡會(huì)在液滴中建立內(nèi)部壓力，在高溫下氣泡突破外殼，釋放該壓力，由此形成具有高比表面結(jié)和孔隙率的中空微球[30]。由于多孔中空的微球結(jié)構(gòu)是氣體聚集與釋放形成的，隨著溫度的升高，氣體的產(chǎn)生與控制較為困難，故而很難控制所生產(chǎn)顆粒的形態(tài)，尺寸和尺寸分布[31]。LUO等[32]認(rèn)為想要控制微球的形態(tài)參數(shù)，通?？梢钥刂茋婌F條件(例如噴霧漿料濃度和粘度、噴霧壓力)達(dá)到目的。SUN等[33]研究經(jīng)噴霧干燥法制備的中空多孔HA微球在模擬體液(SBF)中的溶解現(xiàn)象，認(rèn)為該種微球是可降解的，且溶解優(yōu)先發(fā)生在結(jié)構(gòu)較松散且孔隙率較高的位置，這解釋了載藥中空多孔HA持續(xù)釋放藥物的可能機(jī)理。

5 微波協(xié)助法

WANG等[36]發(fā)現(xiàn)在丙交酯-乙二醇存在情況下，聚合物鏈和鈣離子的靜電作用使HA / 丙交酯-乙二醇聚集成納米片，在微波加熱條件下，納米片之間的聚集與排斥的平衡促進(jìn)了納米片自主裝形成空心的花狀分層納米結(jié)構(gòu)，當(dāng)提高聚合物濃度時(shí)，即改變納米片之間的平衡，從而形成了更大的空心結(jié)構(gòu)，這種三維納米結(jié)構(gòu)的多孔網(wǎng)絡(luò)形成機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

6 微乳液法

6.1 油包水的微乳液法

薛輝等[37]利用明膠低溫凝固，高溫溶解于水的特性，在含明膠、 植物油、HA、水的低溫環(huán)境中制得明膠/HA 漿料，經(jīng)高溫處理，明膠/HA微球的核開始溶解并塌陷 ，得到均勻分布的多孔且中空的羥基磷灰石微球，另外他們還發(fā)現(xiàn)可以改變加入體系中明膠的量來調(diào)節(jié)HA孔隙率及中空結(jié)構(gòu)的大小。

6.2 水包油的微乳液法

LEE等[38]設(shè)計(jì)在水、二氯甲烷的環(huán)境中，讓HA和聚乙烯粘合成球形微粒，并在高溫下煅燒、固結(jié)該微粒，由于溶劑的快速蒸發(fā)，即制得具有薄壁空心結(jié)構(gòu)的HA。

7 其他

除了以上介紹制備具有空心結(jié)構(gòu)的HA的方法外，ZHAO等[39]成功開發(fā)出以硬脂酸鈣(Ca(SA)2)和Na3PO4分別用作鈣和磷的來源，在兩相體系(水-甲苯)中制得直徑小于50 nm空心HA球的技術(shù)，形成的納米球高度分散，尺寸集中于10～30 nm范圍內(nèi)，殼厚度約為5 nm，這在制備空心納米級(jí)材料的途徑上具有重要指導(dǎo)意義。

8 結(jié)語

綜上所述，目前這些例如模板法、水熱法、溶劑熱法、噴霧干燥法、微波協(xié)助法、微乳液法等一系列制備中空結(jié)構(gòu)的羥基磷灰石方法的研究，將為空心羥基磷灰石的制備、性能優(yōu)化、實(shí)際應(yīng)用提供科學(xué)且有益的參考。隨著可控形貌羥基磷灰石的深入研究，尤其針對(duì)具有大比表面積、大載藥量等特點(diǎn)的中空羥基磷灰石而言，這種具有出色前景的材料在晶體生長機(jī)理的研究方面仍較少，未來可控形貌HA的制備方法、生長機(jī)理等方面，仍將成為研究的熱點(diǎn)。