仿生有序結構羥基磷灰石研究進展

陳 峰

(同濟大學附屬第十人民醫(yī)院，上海 200072)

1 前 言

生命體在適應所處自然界環(huán)境的過程中，演變出了一系列復雜而高性能的結構和組成，執(zhí)行保護、支撐和生命代謝等各種各樣的功能。這些結構可認為是天然的生物材料，其顯著的特征是利用自身所含最豐富和易得的元素、化合物或分子，實現(xiàn)遠遠超出原本非生命體來源同質(zhì)材料的綜合性能。骨、牙齒、貝殼、木頭、竹子等天然生物材料均具有優(yōu)秀的力學性能，是自然界中集強度、堅韌、輕質(zhì)等眾多優(yōu)點于一體的天然材料體系[1]。雖然部分生物來源的材料隨著人類科技的發(fā)展逐漸被高性能的合成材料取代，但是天然材料中復雜而高效的結構特征仍然吸引著廣大研究者。通過現(xiàn)代表征手段在不同尺度上揭示天然生物來源材料的組成、結構及其中包含的復雜相互作用，進而通過先進的技術實現(xiàn)仿生制備，已經(jīng)成為材料領域最重要的研究方向之一[2]。

生物醫(yī)學領域是仿生材料最重要的研究和應用領域之一。通過仿生天然材料的組成和結構，制備高性能生物醫(yī)用材料體系具有重要的研究意義。例如，因創(chuàng)傷、老齡化、腫瘤等疾病引起的硬組織缺損是臨床常見疾病，全世界每年有超過220萬人需要進行骨移植手術來修復缺損的骨組織[3]。但是，臨床使用的自體骨移植存在來源有限和造成二次創(chuàng)傷的弊端，而同種異體或異種來源骨植入體則存在生物相容性、免疫原性和傳播疾病的風險。人工合成的羥基磷灰石(hydroxyapatite,HAP)類生物材料具有類似天然骨組織中無機組分的化學組成，被認為具有較高的生物相容性、可降解性和生物活性，已經(jīng)被廣泛用于硬組織修復等生物醫(yī)學領域[4]。目前，國外的Synthes GmbH、Medtronic、Berkeley Advanced Biomaterials等公司，以及國內(nèi)的瑞邦生物、華威生物等公司生產(chǎn)的自固化人工骨、活性陶瓷人工骨等系列產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了臨床應用。然而，傳統(tǒng)HAP基骨修復生物材料多以無序結構粉體或陶瓷形式被使用，存在強度低、韌性差、不易成型等缺點，難以理想地滿足臨床應用的高要求。

人工合成材料的強度和韌性往往難以兩全，高硬度材料往往具有較高的脆性，而韌性材料的強度通常較低[5]。但是包括牙釉質(zhì)、骨骼、貝殼等在內(nèi)的天然礦化組織，通過自身的進化較好地解決了材料高強度和高韌性難以同時實現(xiàn)的難題[1,6]。例如，脊柱動物硬組織(牙釉質(zhì)、骨骼)具有高強度的表面以抵抗磨損和/或穿透，同時還具有較好的韌性。硬組織的這一優(yōu)良力學特性歸功于在漫長的生物進化過程中形成的復雜結構，包括HAP納米晶和膠原的復合組成及有序化的結構。因此，通過仿生硬組織的組成和結構，從而解決現(xiàn)有HAP材料在力學性能上的不足，獲得滿足植入人體要求的高性能骨修復及替代材料，已成為材料學、醫(yī)學等領域最具挑戰(zhàn)性的研究方向之一。經(jīng)過研究人員多年不斷努力，多種多樣的仿生有序結構HAP已經(jīng)被制備出來。雖然尚未得到完全仿生的結構和性能，但隨著制備新方法的發(fā)展和理論的不斷豐富完善，所制備的材料及其性能也日趨優(yōu)化。

本文主要綜述了仿生有序結構HAP制備領域的最新研究進展，包括仿生結構的特點、制備方法、調(diào)控機制等。首先，對HAP材料的發(fā)展做了總體的概述；隨后,對微觀和宏觀尺度上仿生有序結構HAP的制備方法及機制進行了詳細的討論；最后，對其今后的發(fā)展方向進行了總結和展望。

2 天然和人工合成的羥基磷灰石

2.1 天然羥基磷灰石

磷灰石是分布極廣的一類天然礦物(圖1a)，其英文名稱“Apatite”，由德國礦物學家A.G.Werner于1788年正式發(fā)表出來[7]。1926年Bassett用X射線觀察牙齒和人骨時發(fā)現(xiàn)了其無機礦物成分和磷灰石非常相似，進而逐漸研究發(fā)現(xiàn)這些無機生物礦物組分為羥基磷灰石(HAP)。HAP是含有羥基的磷酸鈣鹽，其鈣磷摩爾比為1.67，是磷灰石家族中最重要的一員。HAP的化學組成和晶體結構已經(jīng)被廣泛地研究，其化學組成為Ca10(PO4)6(OH)2，晶體結構為六方晶系,屬L6Pc對稱型和P63/m空間群，密度為3.14～3.16 g/cm3[8, 9](圖1b)。

HAP是包括人類在內(nèi)的脊椎動物體中最重要的生物礦物組分，就人體而言，其占據(jù)了骨干重的約70%，另外約30%為有機物(包括膠原蛋白、糖蛋白、蛋白多糖等)[10, 11]。骨中HAP一般為一維或板狀結構，尺度上屬于納米級，其長寬高分別約為50,25和3 nm。這些納米結構的HAP與膠原蛋白分子在骨組織環(huán)境中通過組裝形成復合體及滿足人體力學和代謝需求的各種三維結構[12](圖1c)。人體骨組織主要可以分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨。皮質(zhì)骨分布在骨外周，成熟的皮質(zhì)骨由骨板構成，包括：哈弗骨板、骨間板和內(nèi)/外環(huán)骨板。這些呈板層狀的骨板均是由HAP納米晶/膠原組裝體通過相互平行堆集或圍繞哈弗管作環(huán)形排列等有序的方式構成。松質(zhì)骨則位于骨骼內(nèi)部，微觀上由HAP納米晶/膠原組裝體相互交織構成的骨小梁按照骨承受的壓力和張力的方向排列而成。由此可見，無論是在皮質(zhì)骨還是松質(zhì)骨中，有序排列的HAP納米晶/膠原的組裝體均是其復雜結構的構成單元，從而來滿足機體對骨骼高力學性能的要求[13]。對骨組織中天然HAP納米結構的生成過程及各項理化性質(zhì)的研究，將有助于理解骨組織生物礦化機制，從而設計理想的硬組織修復用生物材料。

2.2 人工合成的納米結構羥基磷灰石

20世紀70年代，日本學者Aoki及其團隊使用合成的HAP燒結出HAP陶瓷，并證明其具有良好的生物相容性[14, 15]。隨后，HAP基生物材料相關的基礎和臨床應用研究廣泛開展，并取得了令人矚目的成果。其中，納米尺度HAP材料可以較好地仿生天然骨組織中HAP納米晶的組分和結構，具有優(yōu)良的生物相容性、生物活性和可降解性，在植入體內(nèi)后不會發(fā)生免疫排斥反應。因此，HAP納米結構調(diào)控、制備新方法和生物醫(yī)學應用研究已成為相關研究領域中最重要的方向之一。

根據(jù)反應介質(zhì)的區(qū)別，納米材料合成方法通?？梢苑譃楣滔?、氣相和液相反應。HAP在高溫下(大于800 ℃)容易失去羥基，因此包括共沉淀、溶膠-凝膠、微乳液、水熱/溶劑熱等反應的液相策略成為合成HAP納米材料及其結構調(diào)控的常見選擇。液相反應易于引入調(diào)控劑，從而更容易控制HAP的成核、結晶和生長過程，實現(xiàn)HAP結構和形貌的調(diào)控。無機離子、有機分子等對HAP的結構具有較好的調(diào)控作用，已被廣泛用于HAP納米結構的調(diào)控。鎂、鍶、稀土等的離子的摻雜可以改變HAP的結晶過程，從而對其結構進行調(diào)控[16-18]。表面活性劑、DNA分子、氨基酸或蛋白等有機分子可以吸附在HAP的晶面上，從而限制特定晶面的生長，達到結構調(diào)控的目的[19-22]。例如，Shiba等結合材料合成實驗和分子軌道理論計算，研究了表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)膠束對HAP納米晶體形成過程的影響。發(fā)現(xiàn)沒有添加CTAB合成的HAP納米晶體呈不規(guī)則形狀和聚集的納米晶體形態(tài)，而在CTAB存在條件下合成的HAP納米晶體為棒狀，CTAB膠束有效調(diào)控了HAP的成核和生長。分子軌道計算結果顯示，CTAB分子中N原子可以通過離子/共價鍵合與HAP晶體中a-平面中的鈣離子及c-平面中的羥基/磷酸基團發(fā)生強烈相互作用，從而對HAP的結構進行調(diào)控[22]。

如圖2所示，多種多樣的HAP納米材料已經(jīng)通過濕化學合成手段被制備出來，包括：零維的納米球/顆粒[21, 23]，一維的納米棒[24]、納米/微米管[24-26]、納米帶/纖維[27-30]，二維的納米片[31]，以及由納米顆粒、納米片或納米棒組裝的多種三維結構[32-40]。并且這些形貌豐富的HAP材料也已經(jīng)被廣泛應用于蛋白吸附、藥物遞送、生物成像和硬組織修復等眾多生物醫(yī)學研究或應用領域[41-43]。雖然濕化學反應合成策略在實現(xiàn)HAP基納米材料的結構控制方面取得了令人矚目的成就，但是其對特定仿生結構的調(diào)控合成仍然存在困難。隨著納米科學與技術的發(fā)展和生物醫(yī)學應用性能要求的不斷提高，探索HAP的仿生結構和性能將越來越重要。例如，在骨組織修復基礎研究和臨床應用領域，對具有天然骨組織中HAP的組成和有序結構的仿生骨修復材料進行研究，具有重要的科學意義和實際應用價值，但是其合成方法仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

圖2 幾種人工合成的HAP納米結構：(a) 納米棒[18],(b)納米顆粒[21],(c)納米/微米管[26],(d)納米線/纖維[30],(e)納米片組裝的空心微球[36],(f)納米顆粒組裝的微米管[37],(g)刷狀復合結構[38],(h)納米結構多孔空心橢球膠囊[39],(i)納米片組裝的微球[40]Fig.2 Several synthetic HAP nanostructures: (a) nanorods[18], (b) nanoparticles[21], (c) nano-/microtubes[26], (d) nanowires/fibers[30], (e) nanosheet assembled hollow microspheres[36], (f) nanoparticle-assembled microtubes[37], (g) brush-like composite structure[38], (h) nanostructured porous hollow ellipsoidal capsules[39], (i) nanosheet assembled microspheres[40]

3 微觀仿生有序及復合結構羥基磷灰石

3.1 微觀仿生有序結構羥基磷灰石

包括骨骼、牙本質(zhì)與牙釉質(zhì)在內(nèi)的硬組織是由HAP納米晶和膠原蛋白纖維構成，其中HAP納米晶的排列具有極高的有序性，從而實現(xiàn)了其極好的力學性能。因此，為了仿生天然硬組織中HAP的有序結構，生物礦化、生物材料等研究領域的眾多科學家已經(jīng)嘗試和探索出了一系列的合成方法，并取得了顯著的成就，包括：有機分子調(diào)控[24, 44, 45]、模板或襯底輔助[46-51]、膠原/絲素蛋白調(diào)控[52-54]、雙親性多肽分子調(diào)控[55]、人工聚合物調(diào)控[56]、冷凍鑄造[57]、磷酸氫鈣相轉(zhuǎn)變[58]等。關于利用模板合成法制備仿生有序結構HAP已有一些研究報道。例如，Yang等采用多孔陽極氧化鋁(AAO)模板結合溶膠-凝膠合成方法，成功制備出高度有序的HAP納米線陣列，所獲HAP納米線的長度和直徑可以由所用AAO模板的孔徑和厚度決定[46]。Zhang等通過Nafion膜輔助的電沉積方法也在金屬(Ni)泡沫模板上制備出均勻條狀的HAP陣列[59]，Nafion膜具有優(yōu)異的質(zhì)子傳導性，影響陰極附近的羥基離子的分布，這有利于形成具有復雜形態(tài)和更高結晶度的復合HAP陣列。作者課題組利用DNA分子為結構調(diào)控劑和軟模板，通過調(diào)控反應的pH值合成了不同納米結構的HAP。在pH為5的水溶液中，HAP納米片以一定取向自組裝形成微球；當反應溶液的pH值增加至10時，DNA分子形成具有單一方向的線性結構，誘導HAP生長形成納米晶組裝的束狀有序結構[20]。小分子在仿生有序結構HAP的制備方面也發(fā)揮了重要作用。例如，通過乙酰丙酮鈣和磷酸肌酸二鈉在水和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶劑中、160 ℃下發(fā)生溶劑熱反應，也可以制備出沿單一方向排列、有序的HAP納米結構，其中小分子的磷酸肌酸充當有機磷源和HAP取向的調(diào)控劑的作用[38]。

除此之外，研究者發(fā)現(xiàn)磷酸氫鈣(CaHPO4)可以在一定條件下轉(zhuǎn)化為HAP，并且同步控制生成的HAP的微觀結構。作者等使用水、乙二醇(EG)和DMF的三元溶劑為反應介質(zhì)，在不使用任何表面活性劑的條件下獲得了HAP納米線/納米管有序陣列[24]。結果表明，多元溶劑對產(chǎn)物的形態(tài)和晶相有明顯影響，并且發(fā)現(xiàn)HAP有序陣列是由反應過程中生成的磷酸氫鈣前驅(qū)體轉(zhuǎn)化而來。Zou等研究和報道了一種不使用表面活性劑、有機溶劑，而使用三斜磷鈣石(磷酸氫鈣的一種物相)單晶作為模板和反應物，通過直接的物相轉(zhuǎn)化構建在納米至微米尺度上表現(xiàn)出類釉質(zhì)有序結構的HAP[60]，如圖3所示。這些研究結果表明，磷酸氫鈣是制備微觀尺度上具有高度取向特征的HAP材料的良好模板。這一特點與磷酸氫鈣的晶體結構有關，其晶體結構與HAP之間存在結構上的相似性，而且具有快速轉(zhuǎn)化為HAP物相的性質(zhì)。

圖3 CaHPO4沿c軸和HAP沿b軸的晶體結構(a);從CaHPO4到HAP的轉(zhuǎn)化過程示意圖(b)；將CaHPO4浸泡在1 mol/L的NaOH溶液中5 min后獲得的釉質(zhì)樣有序結構HAP樣品的SEM照片[60] Fig.3 Crystal structure of CaHPO4 along c-axis and HAP along b-axis (a); (b) Schematic representation of the transformation from CaHPO4 to HAP; (c,d) SEM images of enamel-like HAP samples obtained after transformation of CaHPO4 in 1 mol/L NaOH solution for 5 min[60]

此外，油酸鈣也可以作為自犧牲模板用于HAP有序結構的調(diào)控制備。Lu等使用宏觀尺度的油酸鈣前驅(qū)體實現(xiàn)了大尺寸(毫米級)HAP三維組裝材料的合成(圖4)[44]。油酸作為結構調(diào)控劑，在水熱或溶劑熱反應條件下容易調(diào)控制備得到一維納米結構的HAP[61]。在一般的濕化學反應過程中，油酸分子先與鈣離子在堿性條件下生成油酸鈣沉淀，再與磷酸根離子通過離子交換反應生成一維結構的HAP納米棒或納米線[62]。Lu等發(fā)現(xiàn)，將油酸鈣預先沉淀、干燥分離和壓制成片，再通過溶劑熱反應轉(zhuǎn)化，能夠獲得區(qū)別于一般濕化學反應產(chǎn)物的有序結構HAP三維組裝材料。宏觀尺度的固態(tài)油酸鈣作為自犧牲模板顯著改變了HAP產(chǎn)物的結構，是仿生有序結構HAP研究方面的重要進展，在仿生理論研究和硬組織修復應用領域具有較好的前景。

國內(nèi)外的相關領域?qū)W者在探索仿生有序結構HAP的制備方法上做了諸多探索和努力，取得了顯著的成就。目前，已經(jīng)可以在納米、微米等微觀尺度上獲得仿生有序結構HAP，向理想的仿生硬組織材料體系的構建更進了一步。但是，在微觀尺度上仿生有序結構的研究工作仍然存在不足之處。例如，硬模板法是制備有序結構陣列常用的手段，但是通常存在模板昂貴和難以完全去除等問題，限制了其大范圍的推廣使用；有機溶劑或生物分子作為軟模板調(diào)控HAP的合成具有操作簡便的特點，但是往往難以獲得大面積的有序結構。天然硬組織是由眾多微觀有序結構組成的連續(xù)宏觀有序體，因此發(fā)展新型HAP材料的有序化制備方法，獲得在宏觀尺度下可控有序化的HAP材料將十分重要。

圖4 油酸鈣前驅(qū)體在含有NaH2PO4·2H2O、乙醇和去離子水的180 ℃溶液中通過溶劑熱反應48 h生成的高度有序羥基磷灰石微米管陣列(HOAUHM)的光學顯微鏡照片(a)和SEM照片(b～d)，圖4d中的插圖是具有六邊形橫截面的典型微管的SEM照片[44]Fig.4 Characterization of the highly ordered arrays of ultralong HAP microtubes (HOAUHMs) synthesized by solvothermal transformation of calcium oleate precursor in a solution containing NaH2PO4·2H2O, ethanol, and deionized water at 180 ℃ for 48 h: (a) A optical photograph of the product; (b～d) SEM micrographs of the product, inset of Fig.4d is a SEM micrograph of a typical microtube with a hexagonal cross section[44]

3.2 仿生有序結構羥基磷灰石復合材料

骨骼、牙齒、貝殼等天然材料的優(yōu)異力學性能與其成分和獨特的有序結構相關。例如，骨骼等硬組織是由原本力學性能較弱的材料(如HAP和膠原蛋白)構成，但是可以形成中等模量(10～20 GPa)、高強度(30～200 MPa)和高斷裂能(100～1000 J/m2)的天然高性能復合材料。硬組織的這一獨特力學性質(zhì)源于有機(膠原蛋白)和無機(HAP)成分的有序化整合，通過從納米級到宏觀水平的復雜有序結構實現(xiàn)遠超其組成材料的力學性能[63]。天然生物復合材料的有序化結構或?qū)哟谓Y構為研究者開發(fā)高性能的功能仿生材料提供了源源不斷的靈感[64-66]，并為模仿這種天然復合材料的結構特征、開發(fā)具有優(yōu)異機械性能的新型結構材料提供了新的途徑。在過去的數(shù)年中，已經(jīng)有多種仿生天然結構的策略用于合成高性能HAP復合材料，包括冷凍鑄造[67]、真空輔助過濾[68]和仿生礦化[69, 70]等。

冷凍鑄造(freeze casting)，也稱冰模板，是近年來受到較多關注的制備仿生有序結構的方法，可以實現(xiàn)納米顆粒、聚合物鏈、納米纖維、納米片等材料的有序化組裝，制造出具有層狀結構的支架材料[71]。經(jīng)冷凍鑄造制備的有序化層狀結構經(jīng)第二相的滲透和固化，可以進一步實現(xiàn)優(yōu)異的力學性能。例如，Deville等基于冷凍鑄造策略，精心設計了從微米到納米級的架構，成功制備了多種有序片層復合材料[57]。通過對商業(yè)HAP粉末懸浮液進行冷凍，獲得了高度有序的多孔HAP層狀支架，其壓縮強度是傳統(tǒng)多孔HAP的4倍，具有與皮質(zhì)骨相匹配的力學性能，包括剛度(10 GPa)、強度(150 MPa)和斷裂能(220 J/m2)。這些支架具有明確的孔隙連通性以及足夠大小的、定向的、完全開放的孔隙，有助于骨修復相關細胞的向內(nèi)生長。并且，將具有生物降解性的有機相滲透至多孔HAP支架中，通過控制有機相的降解速率原位產(chǎn)生孔隙，可以進一步誘導細胞及新生骨向支架內(nèi)部生長。Ruan等設計了一種由殼聚糖和順式丁烯二酸(馬來酸，MAc)組成的復合有機基質(zhì)，并借助冷凍過程產(chǎn)生的有序冰模板將其制備成有序?qū)訝顝秃衔?，進而作為模板控制了三斜磷鈣石晶體及其有序結構的生成[72]。然后將層狀有序結構的三斜磷鈣石-殼聚糖復合物作為前驅(qū)體，通過物相轉(zhuǎn)化過程進而合成出具有多尺度分層有序結構的HAP復合材料(圖5)。在該有序復合材料體系中，一維結構HAP晶體在納米、微米尺度上組裝成有序束狀結構，并進一步由HAP束組裝成高度定向的板狀結構。最后，這些取向的板結構通過堆疊形成有序復合層狀結構，并實現(xiàn)了接近天然骨的機械性能。

圖5 制備多級有序結構的HAP基復合材料過程示意圖[72]Fig.5 Schematic representation of the pathway followed to fabricate multilevel organized HAP composite[72]

除冷凍鑄造技術外，真空抽濾輔助自組裝的方法也可用于層狀仿生有序結構HAP材料的制備。例如，Li等使用淀粉樣蛋白纖維作為膠原蛋白替代品，以透鈣磷石(CaHPO4·2H2O，磷酸氫鈣的一種)作為前驅(qū)體，借助抽濾輔助自組裝的方法獲得了淀粉樣蛋白纖維-HAP復合仿生骨組織有序結構[68]。淀粉樣蛋白原纖維是替代膠原蛋白的理想候選者，其豐富多樣的表面官能團和長的尺寸(高達10 μm)，在獲得有序組裝復合材料期間為HAP提供了必要的膠體穩(wěn)定性。與采用原位礦化等制備仿生骨組織復合材料相比，這項工作采用“自下而上”的設計使得復合材料除具有接近真實骨的無機/有機物比例外，還具有良好的有序分層結構，其力學特性與天然松質(zhì)骨相匹配，并優(yōu)于臨床使用的骨水泥。一維淀粉樣蛋白纖維和HAP在真空過濾過程中充分復合形成的片狀分層排列是其出色力學性能的關鍵。

此外，將磷酸氫鈣作為制備HAP微觀有序結構優(yōu)良的模板，也已經(jīng)用于宏觀尺度樣品的制備。Liu等利用磷酸氫鈣(CaHPO4, DCP)向HAP物相轉(zhuǎn)變時保持原來尺寸的特點，通過合成大尺寸的磷酸氫鈣樣品實現(xiàn)了HAP材料從微觀尺度有序樣品向宏觀尺度有序樣品的控制合成，獲得了有序結構納米HAP組成的宏觀分層結構(圖6)[58]。此外，通過真空滲透方法可以在該分層結構中復合加入有機明膠組分，制備出多層次有序HAP/明膠復合材料。典型的HAP/明膠復合有序結構的模量為(25.91±1.78) GPa、硬度為(0.90±0.10) GPa，與人皮質(zhì)骨完全匹配(模量(24.3±1.4) GPa、硬度(0.69±0.05) GPa)。這項工作突出了從磷酸氫鈣到HAP的拓撲相變對有序結構合成的重要性，為仿生天然結構的制備帶來了新的途徑，有助于得到具有優(yōu)異力學性能的新型硬組織修復材料。

4 羥基磷灰石納米線基可控有序結構

HAP納米線具有高的長徑比，與硬組織中礦化膠原、牙釉柱等微觀結構具有結構上的相似性。因此，開展HAP納米線合成及其仿生結構的制備研究具有重要的意義和廣闊的應用前景。目前為止，已有多種合成方法用于制備HAP納米線，包括溶劑/水熱法[21, 24, 73]、微波輔助合成法[74, 75]、多孔陽極氧化鋁硬模板法[46]、溶膠-凝膠法[76]和膠束模板法[77]等。雖然上述多種方法在HAP納米線合成中已經(jīng)取得了一定的進展，但是超長結構(例如長度大于100 μm)和高長徑比的HAP納米線的合成仍然具有挑戰(zhàn)性。除此之外，將高長徑比的HAP納米線進行有序組裝，可以在一定程度上仿生天然硬組織的結構，也是長久以來生物礦化和生物材料研究領域的難點。

圖6 (A)HAP/明膠雜化材料的多級有序化分層結構的構建步驟示意圖；(B)宏觀尺寸二水合磷酸氫鈣(macro dibasic calcium phosphate dehydrate, MDCPD)晶體和HAP產(chǎn)物的照片：(a，c)制備的不同MDCPD晶體的照片，(b，d)最終宏觀尺寸HAP(macro HAP crystals, MHAP)產(chǎn)物照片；(C)MHAP和HAP/明膠復合體橫截面的FESEM照片：(a，b)純無機MHAP的斷面，其中箭頭指出了HAP納米晶的排列方向，(c)沿c軸的HAP/明膠復合體(明膠8%(質(zhì)量分數(shù))，8次)的橫截面，箭頭表示在兩層之間凝聚的明膠; (d)垂直于c軸的橫截面，在插入圖中顯示相同區(qū)域的磷和碳元素的EDS元素面掃照片[58] Fig.6 Schematic illustration of the construction steps (A), showing the multilevel hierarchical structure for HAP/gelatin hybrid material. The photographes of MDCPD crystals and HAP products (B): (a, c) digital photographs of as obtained MDCPD crystals with different scales; (b, d) the corresponding final MHAP products of (a, c). FESEM images of fracture of MHAP and cross-sections of HAP/gelatin hybrids (C): (a,b) liquid nitrogen quenching fracture of pure inorganic MHAP substrate and details of a single 2nd level layer, the arrows show the main orientation direction of nHAP units; (c) cross-section of HAP/gelatin hybrids (gelatin 8 wt%, 8 times) along the c-axis, the arrows indicate gelatin that cohered between two 2nd level layers; (d) cross section perpendicular to the c-axis, EDS mapping of phosphorus and carbon elements at the same area is shown in the insert[58]

納米材料的大規(guī)模制備是納米技術和材料科學領域的普遍挑戰(zhàn)，尤其是其有序納米結構的大規(guī)模制備[78, 79]。如前文所述，將HAP納米材料有序化的方法已有多種，但是這些合成方法或產(chǎn)物仍然存在較多的局限性。例如，獲得的HAP有序結構的尺寸一般較小(大部分在微米量級)，大尺寸高度有序的HAP材料(大于100 μm)難以制備；此外，有序結構難以自主控制，往往受限于所依賴化學反應的隨機性或模板的已有結構，且去除使用的模板時可能會導致有序結構的損壞。由此可見，常規(guī)的合成方法難以實現(xiàn)對HAP有序結構尺寸和方向的精準控制。最近，作者課題組報道了超長HAP納米線的大規(guī)模溶劑熱生產(chǎn)方法，并進一步提出通過表面小分子介導的液相自組裝獲得尺寸和方向均可控的有序結構HAP的策略(圖7和圖8)[80]。首先，在油酸、醇和水的混合溶劑中，在180 ℃條件下通過溶劑熱反應制備出具有良好分散性的HAP納米線漿料。該反應的總體積達到了5 L，且可以使用工業(yè)化的大型反應釜體系(10 L)。產(chǎn)物中的HAP納米線為單分散狀態(tài)，因此形成的漿料具有高度穩(wěn)定性，可以保持均勻的分散狀態(tài)6個月以上。然后將獲得的HAP漿料通過針頭注射的方法緩慢注射進入乙醇溶劑中，這些漿料中的納米線會通過自組裝形成宏觀線狀的HAP有序結構。如圖7所示，HAP納米線表面的化學性質(zhì)是通過液相自組裝制備HAP有序結構的關鍵。油酸分子的羧基可以吸附在所制備的超長HAP納米線的表面，同時其烷基鏈會暴露于混合溶劑中，使得產(chǎn)物漿料中的HAP具有良好的分散性。然而，當HAP納米線漿料被注入無水乙醇中時，產(chǎn)物漿料中的水、甲醇和部分油酸會迅速擴散至乙醇中，但吸附在HAP納米線上的油酸分子的烷基鏈與乙醇不相容，從而導致超長HAP納米線從溶液中析出。在溶劑擴散過程中，吸附在HAP納米線表面的油酸分子通過“醇-油酸”相互作用力起始和調(diào)控了HAP納米線的自組裝，使得HAP納米線有序化。同時，由于HAP納米線具有高的長徑比，HAP納米線之間可以彼此連接和組裝在一起，形成連續(xù)排列的有序結構，且其有序化方向平行于注射針的移動方向。因此，通過簡單地控制注射針的移動方向，就可以很好地控制超長HAP納米線的長程連續(xù)有序結構的走向。圖7c中顯示了將HAP漿料注射至乙醇中2，10，20和30 s后的光學顯微鏡照片，說明了HAP漿料中溶劑的擴散和HAP納米線的自組裝過程。且可以發(fā)現(xiàn)，HAP納米線自組裝產(chǎn)物邊緣上和中間部分均可以快速生成連續(xù)排列的有序結構。

圖7 HAP納米線及其可控有序結構形成機理[80]：(a，b)HAP納米線的形成機理和HAP納米線有序化過程的示意圖；(c)在使用針頭內(nèi)徑為0.41 mm的注射器將含有HAP納米線的漿料原位注射到無水乙醇中2，10，20，30及30 s后的光學顯微鏡照片F(xiàn)ig.7 Formation mechanism of ultralong HAP nanowires and self-assembled highly ordered ultralong HAP nanowires(SHOUNs)[80]： (a, b) Schematic illustration of the formation mechanism of ultralong HAP nanowires and ordering process of ultralong HAP nanowires; (c) Optical micrographs obtained under an optical microscope after in situ injecting the solvothermal product slurry containing ultralong HAP nanowires into absolute ethanol using a syringe with a needle with an inner diameter of 0.41 mm for different time of 2, 10, 20, 30 and more than 30 s

如圖8所示，該方法獲得的線狀HAP表面光滑，能夠獨立成線，從乙醇溶劑中拾取和卷起成束。該線狀HAP的寬度可以由注射針頭的內(nèi)徑控制，其長度與連續(xù)注射的HAP漿料的量相關，理論上不受限制。線狀HAP具有高度的柔韌性，并且容易將不同的線狀HAP擰在一起形成HAP納米繩。HAP的有序結構在納米繩中得到了完全的保留，使得HAP納米繩具有較好的柔韌性和力學強度，并表現(xiàn)出類似于常見有機植物纖維一樣的性質(zhì)，如彎曲和打結。該種線狀HAP有序結構的制備方法非常簡單和可控，可以用于制備柔韌HAP織物。由HAP納米線制成的HAP織物在濕態(tài)和干態(tài)情況下均顯示出與普通棉紗布相似的形態(tài)和良好的柔韌性，可以像普通的棉紡織品一樣折疊和卷起。此外，通過設計不同模型還可以構建出HAP納米線組裝的特定的三維結構，如中國結、多孔三維支架等。HAP納米線及其柔韌性織物是生物相容、環(huán)境友好的材料，其有序結構使得HAP織物表現(xiàn)出與傳統(tǒng)HAP材料不同的力學性質(zhì)。這種新方法為宏觀尺度的HAP連續(xù)有序結構的可控制備提供了一種簡單有效的策略，使得HAP納米線可以被設計成形態(tài)豐富的生物材料，在各種生物醫(yī)學應用中具有廣闊前景。

圖8 室溫下將HAP納米線漿料注入無水乙醇中制備的線狀HAP有序結構及其力學性質(zhì)[80]：(a，b)大尺寸線狀HAP的照片；(c～e)線狀HAP的SEM顯微照片；(f)由單根及2、3和4根線狀HAP擰成的HAP納米繩的拉伸應力-應變曲線；(g)扭曲36根HAP有序結構獲得的HAP納米繩可以承受500 g的重量，表現(xiàn)出高強度Fig.8 Characterization of the HAP wires prepared by simply injecting the solvothermal product slurry containing ultralong HAP nanowires into absolute ethanol at room temperature[80]: (a, b) Digital images showing the large-sized wire-like HAP; (c～e) SEM micrographs of the wire-like HAP; (f) Tensile stress-strain curves of the HAP nanoropes obtained by twisting 1， 2, 3, and 4 single wire-like HAP; (g) A combined HAP nanorope obtained by twisting 36 single wire-like HAP exhibits a high strength by withstanding a weight of 500 g

基于這種HAP有序結構的制備新策略，Yang等將高分子聚丙烯酸鈉與HAP納米線漿料混合，通過針頭注射的方式獲得了HAP復合有序結構[81]。Yu等也通過與樹脂復合的方法，“自下而上”地構建了HAP仿生牙釉質(zhì)材料(EMSMs)[82]。如圖9所示，HAP納米線可以按順序組裝成高度有序的HAP納米線束，并進一步制造出具有任意尺寸的復雜形狀，從而模擬了牙釉質(zhì)的組成和結構。通過復合樹脂，HAP納米線有序結構仿生牙釉質(zhì)材料表現(xiàn)出了極高的力學性能，其壓縮楊氏模量達到2.80 GPa，是純樹脂的3.54倍，純HAP納米線樣品的28倍。這種高度有序結構和增強的力學性能不僅在基礎研究上有助于理解HAP納米晶體在牙釉質(zhì)中的重要作用，而且這種構建策略可以用于制造復雜的高度有序結構，從而為高性能HAP材料的開發(fā)提供了可行的途徑。

圖9 牙釉質(zhì)和仿生牙釉質(zhì)之間結構相似性的示意圖[82] Fig.9 Schematic illustration of the structure similarity between the dental enamel and biomimetic enamel[82]

此外，上述表面小分子介導的液相自組裝策略，也可用于三維仿生結構的制備。例如，松質(zhì)骨是由骨質(zhì)組成的疏松狀網(wǎng)絡結構，具有較高的孔隙率(40%～90%)[83, 84]。 松質(zhì)骨具有大比表面積和優(yōu)異的力學性能，其疏松結構為細胞生長和營養(yǎng)物質(zhì)的存儲提供了相互連接的穩(wěn)定空間。然而，迄今為止，在結構和組成上同步仿生松質(zhì)骨材料的研究報道仍然較少。Zhang等通過冷凍干燥結合表面小分子介導的液相自組裝策略，成功獲得了具有3D網(wǎng)絡結構的仿生松質(zhì)骨HAP氣凝膠[85]，如圖10。具體的制備過程分為3步：首先，使用改進的溶劑熱策略，制備單分散HAP納米線組成的漿料；然后將所得漿料放入所需形狀的模具中并在-20 ℃下冷凍成型，再通過后續(xù)的冷凍干燥方法除去水分；最后，將干燥的樣品浸入乙醇中去除多余的油酸組分，并使得HAP納米線自組裝形成穩(wěn)定的3D氣凝膠。該方法中原位液相自組裝過程與前文所述的構建有序結構HAP納米線的工藝方法具有相同的機制。將冷凍干燥的樣品浸入乙醇中時，樣品中大部分的油酸分子會通過溶解和擴散作用去除，而HAP納米線表面仍然會殘留油酸分子層，其羧基和HAP中鈣離子有相互作用。此后，借助油酸的烷基鏈與乙醇不相容作用，使HAP納米線可以自組裝和相互纏結形成3D的空間網(wǎng)絡結構。這種新型HAP氣凝膠不僅具有高度多孔性(孔隙率約99.7%)，而且具備超輕、高彈性和高度絕熱(導熱性， 0.0387 W/(m·K))的特征。該冷凍干燥結合液相自組裝制備氣凝膠的方法環(huán)境友好、成本低，比常用的化學氣相沉積(CVD)和臨界點干燥等方法更容易實現(xiàn)大規(guī)模制備[86-91]。并且，通過構建仿生天然松質(zhì)骨的結構，克服了傳統(tǒng)無機氣凝膠高脆性的缺點，而且不含有機溶劑、交聯(lián)劑，在空氣過濾、環(huán)境清潔、隔熱及生物醫(yī)學等領域具有良好的應用前景。

圖10 松質(zhì)骨微觀結構示意圖(a)；松質(zhì)骨中相互聯(lián)通的空間網(wǎng)絡結構的SEM照片(b)；仿生松質(zhì)骨HAP氣凝膠的照片(c)； HAP氣凝膠的相互聯(lián)通的空間網(wǎng)絡結構的SEM照片(d); HAP氣凝膠的制備過程示意圖(e)；HAP納米線的TEM照片、選區(qū)電子衍射圖譜和高分辨率TEM照片(f)； HAP納米線表面吸附油酸分子的示意圖(g)； HAP納米線自組裝示意圖(h)；用乙醇和水洗滌后的自組裝HAP納米線(HAP納米線束)的TEM照片(i)[85] Fig.10 Schematic illustration for the microstructure of cancellous bone (a); SEM micrographs of the interconnected meshwork of cancellous bone (b); Digital image of a HAP aerogel with biomimetic structure to cancellous bone (c); SEM micrographs of the interconnected meshwork structure of a HAP aerogel (d); Schematic illustration of the preparation process of HAP aerogel (e); TEM image of HAP nanowires, SAED pattern and high-resolution TEM (HRTEM) image of a single HAP nanowire (f); Schematic illustration of the surface structure of HAP nanowires adsorbed with oleate groups (g); Schematic illustration of the self-assembly of HAP nanowires during washing with ethanol and water (h); TEM image of self-assembled HAP nanowires (HAP nanowire bundles) after washing with ethanol and water (i)[85]

5 結 語

HAP是脊椎動物骨骼和牙齒的主要無機成分。因此，人工合成的HAP基生物材料被認為具有極好的生物相容性、可降解性和生物活性，從而成為藥物遞送、口腔修復、骨修復/組織工程等各種生物醫(yī)學領域應用中理想的無機類功能材料之一。隨著納米加工理論和技術的進步，HAP類生物材料的合成及對其尺寸和結構的控制方法也日趨完善，極大地豐富了人工合成HAP類生物材料的種類和性能。例如，納米顆粒、納米棒、納米線/纖維、納米/微米管及多種形態(tài)的三維組裝結構的HAP材料已經(jīng)被制備出來，并用于生物醫(yī)學領域的研究。然而，當前廣泛被使用的人工合成HAP生物材料仍然多以粉體或多孔陶瓷等無序結構的形態(tài)。因此，對HAP類生物材料結構控制的研究，特別是可控仿生有序結構的制備仍然是一項長期的挑戰(zhàn)。

在脊椎動物硬組織中，納米尺度的HAP晶體是由生物礦化過程產(chǎn)生，并通常按照人體硬組織受力分布情況呈可控的復雜有序結構排列。這些復雜和定向的結構賦予了天然硬組織卓越的力學性能，使其同時具有無機材料的硬度和有機基質(zhì)的韌性。其獨特的有序結構和優(yōu)良的性能為人工合成HAP的研究提供了靈感。近年來，為仿生天然硬組織中HAP的有序結構，眾多研究者通過大量的嘗試提出了一系列的方案，取得了顯著的成果，包括：模板法、有機溶劑/小分子調(diào)控法、高分子/多肽誘導礦化法、表面小分子介導的液相自組裝法等。例如，磷酸氫鈣作為反應前驅(qū)體和結構調(diào)控模板，可以通過自身與HAP的結構相似性，獲得仿生牙釉質(zhì)中HAP的有序結構，并且可以實現(xiàn)從微觀尺度到宏觀尺度材料的制備；表面小分子介導的液相自組裝制備策略，成功實現(xiàn)了HAP納米線從納米尺度到微米尺度再到宏觀尺度的連續(xù)自組裝和有序化，通過對HAP納米線有序結構的尺寸和方向的精準控制，使得HAP材料具備柔韌性特征。盡管近年來仿生有序結構HAP基生物材料領域的研究有了較大的發(fā)展，但目前仍存在一些急需解決的難題：① HAP仿生有序結構的制備新理論和新方法探索仍然是一個長期的工作，特別是結合材料計算學和材料基因組學的概念和手段探索合成方法、結構和性能間的聯(lián)系；② 雖然目前已經(jīng)獲得了多種多樣的HAP仿生有序結構，但是仍沒有可以與天然硬組織力學性能相媲美的體系，難以在結構可控仿生的同時實現(xiàn)高強度和韌性；③ 大部分HAP仿生有序結構的研究停留在體外制備和細胞層面的安全性評價階段，缺乏系統(tǒng)的體內(nèi)生物安全性和生物學效應的研究。

總之，HAP基生物材料是無機生物材料中最重要的成員之一，在生物醫(yī)學領域具有廣闊的應用前景。對仿生有序結構的HAP基生物材料的控制合成、結構調(diào)控及應用研究，不僅有助于探索和理解硬組織生物礦化過程中的機制和理論，而且有望發(fā)展出新型高性能材料體系，為無機生物材料的研究及轉(zhuǎn)化應用提供新思路。