多孔磷灰石材料研究進展

王剛，官葉斌，張群

(安慶師范大學化學化工學院，安徽安慶246011)

多孔磷灰石材料研究進展

王剛，官葉斌，張群

(安慶師范大學化學化工學院，安徽安慶246011)

磷灰石類材料因其具有良好的生物活性、生物相容性和較高的表面吸附性能而被成功應(yīng)用于生物醫(yī)學、環(huán)境污染治理等領(lǐng)域。本文綜述了多孔磷灰石類材料的制備方法和應(yīng)用領(lǐng)域，展望了多孔磷灰石的應(yīng)用前景。

磷灰石；多孔材料；生物材料

磷灰石類材料是具有相同結(jié)構(gòu)的無機磷酸鈣類材料的總稱。通常情況下磷灰石被加工成粉末狀、致密狀、多孔狀和復合材料[1]等4種不同的形態(tài)。到目前為止，研究最多的多孔型磷灰石材料主要包括以下3類：（1）羥基磷灰石材料（HA）。HA除了具有優(yōu)異的生物活性以外，還有很強的離子交換能力，可發(fā)生不同類型的離子替換[2]。HA鈣離子的位置可被各種不同類型、不同半徑和不同電價的金屬離子進入結(jié)構(gòu)而被替換，因此可應(yīng)用于硬組織支架制備和重金屬離子的吸附脫除。（2）磷酸三鈣，包括β-磷酸三鈣（β-TCP）和α-磷酸三鈣（α-TCP）。β-TCP常被用于骨組織移植，與HA相比，β-TCP有較高的降解性，能很好地應(yīng)用到骨移植技術(shù)中。α-TCP粉末是生物活性粘結(jié)劑的主要成分，常被用作骨填充物[3]，α-TCP的溶解度比β-TCP大，降解性能更好，因此更適用于骨移植與再生等醫(yī)用領(lǐng)域。（3）無定形磷酸鈣（ACP）。ACP是磷灰石材料中最不穩(wěn)定的一類，是一種短程有序的介穩(wěn)相，通常在過飽和鈣離子和磷酸根離子反應(yīng)初期階段形成。ACP有良好的生物降解性，能夠提高成骨細胞的粘結(jié)性和傳導性。此外，ACP因具有較大的表面積、較高的藥物負載能力和較好的控制藥物釋放能力，通常被用在藥物傳遞系統(tǒng)中[4]。

1 多孔磷灰石的應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 在細胞負載上的應(yīng)用

不同的細胞產(chǎn)品包括激素、酶類、疫苗、核酸等在醫(yī)學治療上具有重大意義，它們能夠提高人體疾病的診斷和治療技術(shù)。哺乳動物細胞可以在體外生長增殖，但是需要固態(tài)基質(zhì)，多孔HA就可以充當此類基質(zhì)用于細胞培養(yǎng)生長。多孔HA由于具有較大的表面積、良好的機械性能、穩(wěn)定的化學性質(zhì)和熱力學穩(wěn)定性，因此能很好地滿足微載體培養(yǎng)技術(shù)的要求。Ning等[5]首先合成了多孔膠原蛋白—羥基磷灰石復合材料，并利用該材料作為培養(yǎng)基用于小鼠胚胎細胞和人體牙周韌帶細胞培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)該材料對這兩類細胞都具有優(yōu)異的附著性，能夠很好地促進細胞的增殖。Huang[6]等通過氨水滴定法以葡甘聚糖—膠原蛋白—HA復合材料為原料制備了納米多孔復合骨架材料，并用于野兔骨髓間質(zhì)干細胞培養(yǎng)，研究發(fā)現(xiàn)，該材料對野兔骨髓間質(zhì)干細胞具有較好生物相容性，且有利于細胞的增殖生長。

1.2 在藥物傳遞系統(tǒng)中的應(yīng)用

在藥物傳遞系統(tǒng)中，藥物能夠緩慢、局部、持續(xù)釋放時將有利于疾病的治療，多孔磷酸鈣是控制藥物傳遞很好的選擇之一[7]。藥物傳遞系統(tǒng)中通過使用生物活性基質(zhì)材料(如磷酸鈣類材料)原位釋放藥物產(chǎn)生抗感染作用。例如，慢性病或局部外科手術(shù)依賴于一個持續(xù)局部藥物釋放系統(tǒng)，需要多孔HA膠囊以特定的速率釋放藥物[8]。

目前已有眾多多孔磷酸鈣被制備出用于藥物傳遞。Jiseol等[9]利用改進的水熱法制備的多孔HA用于抗癌藥物氟二氧嘧啶的負載實驗，研究表明，負載體上載藥率高，釋放效果好。Guan等[4]制備了多孔球形ACP并應(yīng)用到抗癌藥物多烯紫杉醇的負載上面，在模擬體液中改變pH值來測試該材料的藥物負載性能，研究表明，所制備的多孔球形ACP材料藥物負載能力高，且有較好的pH響應(yīng)藥物釋放能力，能夠有效殺死癌細胞。Baradari等[10]制備多孔HA和β-TCP小球，并分別應(yīng)用于抗炎藥物布洛芬的負載與釋放性能研究，結(jié)果表明，多孔HA小球比多孔β-TCP小球具有更高的藥物吸附量。體外實驗表明，多孔HA和β-TCP小球?qū)寡姿幬锒寄軌?00%釋放。

1.3 在硬組織支架制備上的應(yīng)用

多孔磷灰石已被廣泛應(yīng)用于哺乳動物骨骼的替代物。盡管骨組織自身表現(xiàn)出優(yōu)秀的骨再生能力，但是對于比較大的骨缺陷或骨愈合困難時，骨移植是十分必要的?；谶@點，制備的多孔骨磷灰石支架必須有適當?shù)目壮叽?、孔連通性、生物相容性、骨傳導性、一定的機械強度和生物降解性等特性。

多孔磷酸鈣骨支架最早在1983年就被報道，并在20世紀90年代就投入到實際應(yīng)用當中[11]。為了克服該類材料在制備硬組織支架時機械強度差的缺點，常將多孔磷酸鈣材料進行改性。朱立新等[12]將HA與殼聚糖的復合材料用于兔股骨髁骨缺損，發(fā)現(xiàn)該復合材料相比單一的殼聚糖具有更好的成骨能力和力學性能，是一種很有應(yīng)用前景的組織工程材料。Guan[13]將膠原蛋白添加到HA材料中形成復合材料，有效地提高了該類材料的彈性模量和抗壓性能，另外該復合材料還可以增強細胞的粘附力和增殖能力，大大提升了此類多孔磷酸鈣復合材料的應(yīng)用前景。

1.4 在重金屬離子吸附上的應(yīng)用

多孔HA材料在吸附重金屬離子上也有廣泛應(yīng)用。Lei[14]利用復合多孔殼聚糖—HA材料用于水溶液中鉛離子吸附研究發(fā)現(xiàn)，利用殼聚糖作吸附劑時鉛離子的吸附量為5.67mg/g，而利用羥基磷灰石復合材料制備時，鉛離子的吸附量達到264.42mg/g，由此可見，HA材料對鉛離子具有極強的吸附能力。Jiang等[15]利用水溶性生物聚合物聚天冬氨酸作為模板，在180℃的水熱條件下合成了具有三維結(jié)構(gòu)的多孔HA微球，對不同重金屬離子進行的吸附試驗表明，該類HA多孔微球?qū)r，Cu，Pb等重金屬離子具有較好的吸附性能。

2 多孔磷灰石的制備方法

2.1 高溫除去致孔劑法

高溫除去致孔劑法是將不同種類的致孔劑，包括石蠟、碳粉、淀粉、過氧化氫或合成高分子材料，與HA粉體或漿料進行混合，壓模成型后，經(jīng)過高溫燒結(jié)除去有機物來制備多孔材料的一種方法。這一方法能直接控制孔特征，因為能通過改變添加相的性質(zhì)、類型和數(shù)量來控制孔徑尺寸、空隙大小和孔的體積分數(shù)。官葉斌等[16]以沉淀法制得的羥基磷灰石粉末為原材料，以聚乙烯醇溶液作為粘結(jié)劑兼致孔劑，將其均勻混合后高溫燒結(jié)除去有機物，制備出了具有多孔結(jié)構(gòu)的羥基磷灰石材料。實驗結(jié)果表明，該多孔材料孔隙分布均勻，孔徑分布在200~400nm之間。董盼盼等[17]利用聚乙烯醇和NaCl顆粒作為造孔劑，經(jīng)過模壓，在800℃下燒結(jié)得到了孔徑分布在100~600μm之間的多孔HA材料。這種制備多孔磷灰石的方法關(guān)鍵是致孔劑的選擇，致孔劑顆粒的形狀、大小、性質(zhì)等直接影響最終多孔材料氣孔的形狀和大小。如只添加聚乙烯醇時獲得的多孔材料孔徑分布最大只有400 nm，而另外添加氯化鈉這種顆粒較大的造孔劑后，材料孔徑最大達600μm，所以應(yīng)用高溫去致孔劑法，通過選擇不同類型造孔劑能夠制備不同孔徑的多孔HA材料，以滿足不同的實際應(yīng)用需求。該方法的缺點是高溫處理過程中容易出現(xiàn)收縮或產(chǎn)生微裂紋。

2.2 生物材料轉(zhuǎn)變法

某些動物的骨骼可被用于制備多孔羥基磷灰石材料，Niakan等[18]利用牛骨在750℃條件下燒結(jié)，得到了空隙均勻，平均孔尺寸為152 nm的純相羥基磷灰石多孔材料。Himanshu等[19]利用雞蛋殼和磷酸作為原料，通過高溫燒結(jié)的方法制備出了純相、鈣磷比為1.7~2.4之間的多孔羥基磷灰石材料。該方法能夠充分利用日常生活中的廢棄材料進行再次利用，實現(xiàn)“變廢為寶”。但是，通過該類方法制備的多孔材料孔尺寸范圍相當有限，而且孔的強度較低，孔徑不可控，在需要一定應(yīng)力的應(yīng)用上則無法滿足需求。

2.3 發(fā)泡致孔技術(shù)

這一技術(shù)利用有機或無機物發(fā)生化學反應(yīng)產(chǎn)生氣泡使磷酸鈣懸浮液發(fā)泡或膨脹來合成多孔材料。將發(fā)泡劑添加到磷酸鈣漿料中，通過攪拌方法使?jié){料發(fā)泡，經(jīng)過聚合、燒結(jié)，最終得到多孔材料[20]。Yu等[21]利用間苯二酚—甲醛樹脂球和HA粉體作為原材料，以莰烯作為發(fā)泡劑制備出了多孔HA微球，結(jié)果表明，多孔材料的孔徑尺寸與添加劑間苯二酚—甲醛樹脂球尺寸類似，且孔洞連通性較好。鞏夢安等[22]利用化學沉淀法制備出氟化羥基磷灰石粉體，利用NH4HCO3為發(fā)泡劑、聚甲基丙烯酸甲酯為造孔劑，并通過烘干和燒結(jié)氟化羥基磷灰石粉體制備出孔洞分布均勻且相互貫通、坯體致密的多孔HA支架。由于該方法是內(nèi)部致孔，所以得到的多孔材料孔結(jié)構(gòu)大多是密閉的。但因發(fā)泡劑的發(fā)泡程度受到溫度等條件的影響，制備的多孔材料也將受溫度的影響，所以多孔材料的孔徑大小以及孔隙率可控性差。

2.4 超聲微波輔助處理法

近些年來，超聲微波輔助合成納米材料得到了廣泛的關(guān)注，該技術(shù)具有反應(yīng)速度快，效率高、副產(chǎn)物少等優(yōu)點，常用于制備多孔磷酸鈣材料。Guan[8]等使用氯化鈣作鈣源，三磷酸腺苷二鈉作磷源，在嵌段聚合物聚-乙二醇共聚己內(nèi)酯的條件下，利用微波水熱技術(shù)制備出了多孔球形ACP材料，表面積為232.9m2/g，平均孔尺寸為9.9 nm。李湘南等[23]利用超聲輔助復乳法以Span-80作為表面活性劑，制備出了直徑分布在50~200 nm之間、尺寸均一且疏松多孔的多孔HA微球。雖然該方法得到的多孔材料令人滿意，但是需要特定的設(shè)備，需要滿足的條件較為苛刻，而且能耗較大，尚未實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

3 展望

多孔磷灰石材料具有良好的生物活性、比表面積大且化學成分類似于骨，利用多孔HA制備的人造關(guān)節(jié)、人造骨骼、人造牙等已成功應(yīng)用于臨床實驗。為解決單一磷灰石材料的脆性以及機械強度上的局限，人們將多孔HA與聚乳酸等可降解材料、骨膠原、骨蛋白等的復合，成為熱點研究方向。隨著該類材料研究的不斷深入，多孔磷灰石的制備方法將越來越多，復合多孔磷灰石材料也將受到科學工作者更多重視。屆時，多孔磷灰石的各方面性能也將大大加強，多孔磷灰石材料的應(yīng)用范圍將會更廣泛，為人類的生產(chǎn)生活提供更大的便利。

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Research Progressof Porous ApatiteMaterials

WANG Gang，GUAN Ye-bin，ZHANG Qun
(School of Chemistry and Chemical Engineering，Anqing Normal University，Anqing，Anhui246011，China)

Apatitematerial has been successfully used inmany fields such as biomedical and environmental governance because of its excellent biological activity,biocompatibility and good surface adsorption performance.The preparation methods and application fields of porous apatite materials are reviewed,and the application prospects of the porous apatite are also summarized.

hydroxyapatite；porousmaterial；biomaterial

TB333

A

1007-4260(2016)04-0077-04

時間：2017-1-3 17:19

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20170103.1719.020.html

2016-05-06

國家自然科學基金（41402037）。

王剛，男，安徽安慶人，安慶師范大學化學化工學院碩士研究生，研究方向為仿生礦化。E-mail：842774196@qq.com

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.04.020