羥基磷灰石在生物材料中的應用

高 飛 閆 明 朱珊珊 王 蔚

羥基磷灰石（hydroxyapatite，HAP）是一種無機礦物質，也是天然骨和牙齒等硬組織的主要無機組成成分。HAP 理論化學式為Ca10（PO4）6（OH）2，晶體狀態的HAP 為六角晶系，密度與人類的牙齒和骨頭相近[1]。

在1975年，日本研究團隊首次成功合成HAP，并發現非結晶狀態下的HAP 具有良好的生物相容性，該研究拉開了HAP 在生物材料領域廣泛研究的序幕。隨著材料學、制作工藝等技術的發展，近年來，HAP 作為優良的生物材料得到了廣泛的研究和關注。

現階段，HAP 主要以四種主要形式存在于生物材料的研究和應用當中，分別為：羥基磷灰石材料、羥基磷灰石涂層材料、羥基磷灰石復合材料以及納米羥基磷灰石材料。下面將就四類材料中典型材料的研究進展做一綜述。

一、單純羥基磷灰石材料

HAP 屬于生物材料中生物活性陶瓷類的一種。首先，HAP 具有生物活性陶瓷類材料的共性，如具有較好的穩定性、生物活性和生物相容性；其次，HAP 具有良好的骨傳導性及生物可分解性。

近年來，為了進一步提高HAP 材料的生物活性，研究人員逐步研發了多孔HAP 材料[2]。研究表明：多孔結構通過模擬自然骨組織的孔隙結構，優化了羥基磷灰石材料的力學性能，利于代謝產物及營養物質的轉運，同時為骨單位提供生存及生長的支架和依托。研究表明，當孔徑達到200～400μm時多孔材料最有利于新骨生長。同時孔隙率越高，越有利于新骨的長入，但當孔隙率過高時，植入體自身強度、韌性等力學性能下降，難以滿足植入的臨床要求，目前HAP 材料孔隙率一般保持在45%～55%左右。

雖然HAP 具有其較好的生物性能，但HAP 材料的力學性能較差，影響材料長期使用。為解決上述問題，研究人員研發了HAP 涂層材料，通過在基底金屬上進行HAP 涂層，達到提高材料的力學性能的目的。

二、羥基磷灰石涂層材料

鈦具有優良的生物相容性和較好的力學性能；鎂及其合金具有良好的生物相容性的同時，具有可降解的特點。但單純的金屬材料有其局限性，比如金屬鈦表面生物活性較低，難以形成穩定的骨結合；鎂合金耐腐蝕性較差，能夠造成局部環境的pH 值過高及氫氣的短期大量釋放，從而導致炎癥發生。研究人員發現，通過在金屬種植體表面制備羥基磷灰石涂層，能夠有效改善種植材料的機械性能、生物活性及骨結合的能力，有研究表明：HA 涂層有利于細胞黏附[3]及蛋白吸附，并有助于成骨細胞的分化及早期成骨[4]。

目前，在基底金屬表面制備HA 生物涂層的方法有許多，主要包括等離子噴涂、溶膠-凝膠法、電化學沉積法等[5，6]。等離子噴涂是迄今為止研究最廣泛的制備羥基磷灰石涂層的方法，曹陽等[7]應用等離子噴涂技術處理鈦種植體表面，并將種植體植入狗的股骨，實驗發現，等離子噴涂HA 涂層具有骨橋接性，能夠橋接2mm 的孔隙，在第12 周時，種植體與宿主骨之間的間隙即被新骨充滿。高亞麗[8]等人以AZ91HP 鎂合金為基體，采用等離子噴涂的方法制備羥基磷灰石涂層，試驗結果表明，涂層和基體間沒有產生裂紋等缺陷，且材料具有較好的耐腐蝕性。等離子噴涂工藝具有操作時間較短，易于實現自動化等優點。但傳統的等離子噴涂HA 涂層仍然存在一些問題，如HA 在高溫過程易分解、涂層與金屬基體結合強度低，植入人體后涂層易溶解、脫落等。

溶膠-凝膠法（sol-gel）的原理是將溶于溶劑中的金屬醇鹽，通過化學反應生成較為穩定的溶膠，經陳化后聚合形成凝膠，基體浸入凝膠中提拉獲得均勻的涂層。有研究認為，通過sol-gel 法制備涂層時，熱處理溫度越高，羥基磷灰石晶粒越飽滿[9]，涂層越致密。楊賽等[10]研究表明，當陳化時間和處理溫度分別為25h 和600℃時，涂層的潔凈度最高，晶粒大小最均勻。sol-gel 法制備環境較溫和，獲得的涂層均勻性好，結晶度高，并且能獲得含氟的HAP 涂層[11]，但這種方法的主要缺點是：熱處理時溫度處理不當，可能會導致碳的殘留；凝膠在干燥過程中會發生收縮，造成涂層表面裂縫。

電沉積和電泳沉積都屬于電化學方法。Rojaee[12]等應用電泳沉積技術在AZ91 鎂合金表面涂覆HA 涂層，檢測結果表明，制備的膜層能夠顯著改善金屬基體在模擬體液中的耐腐蝕性。采用電化學方法在金屬基表面制備羥基磷灰石涂層簡單易行，操作可控制，且制備條件溫和。

從目前生物材料發展來看，研究生物陶瓷復合涂層是生物材料領域很有前景的一種發展方向。然而，由于HA 自身性質和制備工藝的限制，HA 涂層存在結合強度低、溶解過快、殘留應力無法消除的缺點。目前，通常將羥基磷灰石和其他材料復合制備成HA 生物復合材料，以解決上述問題。

三、羥基磷灰石復合材料

為了提高材料的生物相容性，改善其力學性能，多年來，研究人員通過不斷的調整制備方法研發了不同成分的羥基磷灰石復合材料。目前，主要分為有機高分子-HA 生物復合材料，無機-HA 生物復合材料。

1.有機高分子-HA生物復合材料

（1）羥基磷灰石/聚乳酸（HA/PLA）復合材料

聚乳酸是全世界在骨缺損修復領域應用最多的合成高分子之一，有良好的生物可降解性和熱塑性，但缺點在于細胞不易黏附以及機械強度不足。近年來，HA 常作為PLA 復合材料的充填物，提高PLA的剛性和生物活性。

杜歐等[13]報道了通過改變HA 質量分數調節HA/PLA 復合材料的機械性能，隨著HA 質量分數的增加，材料的彈性模量和彎曲強度而呈上升趨勢，當HA 質量分數為5%時，復合材料的彎曲強度和彈性模量分別達到了4.6Gpa 和136Mpa。

張海峰等[14]體外實驗發現，骨髓基質細胞在HA/PLA 復合材料上生長良好，可見該種材料具有良好的細胞相容性，體內研究表明，HA/PLA 復合材料與體內生物反應器的協同作用下，促進新骨生長，這為HA/PLA 復合材料修復大段骨缺損奠定了實驗基礎。

（2）羥基磷灰石 /膠原（HA/Col）復合材料

天然骨的主要成分包括膠原和羥基磷灰石，在骨組織中，羥基磷灰石晶體被膠原纖維定向排列，因此，人們根據仿生學原理構建了羥基磷灰石/膠原復合（HAp/Col）材料，這種材料既有天然骨的宏觀結構又具有其微觀特性。該復合材料無毒性、不含熱源物質，臨床使用安全可靠[15]。但其強度低且韌性差，無法達到承載部位的物理性能要求，限制了其在骨缺損修復中的應用。

通過大量的動物、臨床試驗，HAp/Col 材料的性能得到了優化和改進，如劉燕等[16]報道了利用生物仿生礦化法制備纖維內礦化膠原材料，檢測結果表明，纖維內礦化膠原為含碳的鈣缺乏型羥基磷灰石，與天然骨礦化膠原成分類似；并且，改進后的礦化膠原材料更能促進MG63 細胞伸展。Pek 等[17]研究表明，所制HAp/Col 多孔復合材料的結構性能與骨皮質在松質骨內的延伸部分十分相似，而且具有比較好的生物活性和生物降解性，可以認為HAp/Col 材料在大塊骨缺損修復方面具有良好的前景。

（3）羥基磷灰石/殼聚糖 （HA/CS）復合材料

殼聚糖（Chitosan，CS）是一種天然可降解高分子，對人體組織無毒、無害，將CS 與HA 復合，可以克服HA 陶瓷的脆性，CS 降解又可為細胞及組織的長人提供空間，從而促進新骨的生成，并使植人物與骨組織間結合更為牢固。

目前常見的HA/CS 復合物的合成方法是原位化學合成法，制備得到的復合物有著較好的孔隙結構。經測試當納米羥基磷灰石和殼聚糖質量比為7：3 時，抗壓強度最大，達到120MPa（正常人體密質骨抗壓強度為130～180MPa）。目前已有相關體內實驗證實，HA/CS 復合材料有良好的生物相容性和骨修復能力，王麗婷等[18]將共沉淀法制備的HA/CS復合材料注入SD 大鼠腹腔，發現肝臟、腎臟組織中出現大量凋亡細胞，但無組織壞死和炎癥表現。丁凱等[19]將材料植入兔子雙側脛骨缺損處第16 周時，可觀察到有與自體骨相似的板狀骨形成，You-Zhi等[20]將納米羥基磷灰石/殼聚糖材料植入大耳兔股骨髁處大段骨缺損，術后12 周時，骨缺損完全愈合。

2.無機-HA生物復合材料

羥基磷灰石人工骨具有良好的生物相容性，植入體內安全、無毒，還可傳導骨組織生長，但由于其力學性能較差，只能用于非承重骨缺損的填充材料。目前，羥基磷灰石/無機復合材料種類很多，主要有羥基磷灰石/ 氧化鋁（HA/Al2O3）復合材料、羥基磷灰石/二氧化鋯（HA/ZrO2）復合材料等。

HA/Al2O3復合材料不僅保留了羥基磷灰石的生物特性，并且改良了材料的力學性能，使其硬度、抗彎強度、斷裂韌性接近于人體骨。趙燚[21]等通過改變HA 及Al2O3的比例、孔徑、孔率調節其力學性能，研究表明，二者成分比40：60 時，力學性能最接近于人體密質骨；體內實驗結果表明，HA/Al2O3復合陶瓷人工骨材料植入兔橈骨缺損區8 周與宿主骨牢固結合，24 周時修復骨密度已經與皮質骨接近，證實該材料具有良好的生物相容性、生物活性、骨傳導性；組織學觀察顯示，HA/Al2O3材料修復骨缺損過程完全是骨性修復[22]。

二氧化鋯（ZrO2）陶瓷材料具有較高的彎曲強度、斷裂韌性和較低的彈性模量，且具有一定的生物相容性。已有實驗表明，當材料由于受到外加應力而產生裂紋時，ZrO2顆粒能夠有效吸收能量，防止微裂紋的進一步擴展。此外，HA/ZrO2復合材料在體內、外實驗中顯示出完全的生物相容性，在骨組織、肌肉組織界面沒有不良反應[23]。因此，研究人員認為HA/ZrO2復合材料可以作為良好的組織工程骨替代材料。

四、納米羥基磷灰石（Nano-HAP）材料

納米級羥基磷灰石由美國牙科醫師Brown 和Chow 于1987年首先發現，是一種生物活性材料。Nano-HAP 本身具有一定的促進成骨的作用[24]、表面能較大、溶解度較高、以及能夠結合抗癌藥物、核酸和蛋白質等?；谝陨蟽烖c，Nano-HAP 的制備及其臨床醫學應用的研究已越來越受到廣大科研工作者的密切關注。

體內研究顯示，Nano-HAP 作為骨缺損修復材料時，植入部位未出現炎癥和異物反應，并表現出良好的機械性能[25，26]；臨床研究證明，Nano-HAP 晶體的結構能夠與人體細胞膜表層多糖和蛋白質以氫鍵結合，不會產生細胞毒性[27]。目前，該材料已有相關研究成果應用于臨床，其應用范圍從骨缺損的修復擴展到口腔種植體的改進、人工韌帶、藥物攜帶頜面外科及整形外科手術等領域[28]。

目前，關于Nano-HAP 促進成骨機制方面的研究較少。有報道的和Nano-HAP 促進成骨有關的通路 有 cAMP/PKA通路、BMP/Smad信號通路[29]、p38/MAPK[30]和ERK信號通路[31]、Wnt信號通路[32]等。有報道稱，納米顆?？赏ㄟ^胞吞作用進入細胞，在溶酶體內被降并解釋放出磷酸根離子，與ADP 作用后，代謝為腺苷，從而激活cAMP/PKA 通路，促進成骨分化[33]；也有報導稱支架材料的表面形貌可以通過調節細胞的附著、增殖的狀態，從而改變細胞骨架的張力，這種張力通過細胞骨架轉移到核轉錄因子YAP/TAZ，其結合成骨轉錄因子RUNX2，從而促進細胞成骨分化[34]。

Nano-HAP 作為一種新型人工骨植入材料，在修復骨缺損方面有廣闊前景。目前，研究人員已經不僅僅局限于單純Nano-HAP 材料，而是通過多種方式將Nano-HAP 與其他材料復合，發揮各個組成成分的優勢和特點，研發更滿足臨床要求的材料。

五、展望

HAP 作為生物材料具有良好的生物相容性及生物活性，在材料、生物醫學領域中有著相當廣闊的研究和應用前景。近年來關于HAP 材料及其涂層材料、復合材料的研究已經取得較大進展。但涂層材料強度和韌性不能滿足臨床需求，并且涂層與基底材料結合界面強度較低，涂層易脫落；HAP 復合材料的力學性能得到了提高，并且解決了涂層易脫落的問題；Nano-HAP 還具有更好的機械性能及抗癌活性。因此可以認為，在未來我們的研究方向是：通過優化復合材料的組成成分及配比，進一步提高復合材料的生物活性及力學性能，并明確Nano-HAP的生物活性及其在機體內的代謝過程，為今后Nano-HAP 材料的進一步研究提供理論基礎。