納米TCP 顆粒在骨修復用復合材料中分散性的研究進展*

劉來俊 張天添 丁雯 王富軍 王璐*

由于疾病（骨創傷、骨組織炎癥及骨腫瘤切除等）、意外事故、人口老齡化等原因造成的骨組織缺損的病例日趨增多，目前常用的異體骨移植、自體骨移植等方法在不同程度上仍存在來源極為有限（自體骨）、免疫排斥反應（異體骨）等問題。故尋求性能優良的骨修復材料已成為生物醫學工程領域的新目標[1]。作為骨修復材料，應具有良好的力學性能、生物相容性、骨傳導性以及骨誘導性，以滿足臨床應用時對材料功能性的需求[2]。

磷酸三鈣（tricalcium phosphate，TCP，有-TCP 和-TCP 之分）無機材料因其成分與骨礦物組成類似，同時具有良好的生物相容性、骨誘導性等優點而被廣泛地應用在生物醫學領域[3]。另外，其降解速率遠遠高于羥基磷灰石（HA），在植入期間能更有效地促進新骨的形成[4-5]。但單獨作為骨修復材料使用時，TCP 存在脆性大、韌性差及模量過高等缺陷，限制了其在骨科方面的臨床應用[6]。為了滿足骨組織修復對材料力學性能和生物學性能的要求，人們對nano-TCP 顆粒與可吸收高聚物(如PLGA、PLA、PLLA 等)的復合材料展開了研究[7-8]，發現nano-TCP/可吸收高聚物復合材料在植入區的骨誘導性能明顯提高[9-10]。同時，nano-TCP 的降解產物呈堿性：一是可以有效地緩解可吸收高聚物降解產生的局部酸性問題，從而降低組織炎癥的發生概率；二是可以減緩高聚物降解時的“自催化”作用，調控復合材料的降解速率[11]。但是，由于nano-TCP 顆粒的尺寸小，表面能高，使得顆粒之間易于團聚，在高聚物基體中形成一個個體積較大的團聚體，造成nano-TCP/可吸收高聚物復合材料性能的惡化，從而無法滿足臨床上的應用需求[12]。為此，本文從nano-TCP 顆粒分散性的研究意義、團聚原理以及改善分散性的方法3 個方面進行文獻綜述與討論，期望為進一步改善nano-TCP/可吸收高聚物納米復合材料的應用性能提供參考。

1 nano-TCP 顆粒分散性的研究意義

盡管nano-TCP/可吸收高聚物復合材料在治療骨組織缺損上有諸多優勢，但術后仍可能出現材料力學性能不足、降解速率與新骨生成速率不匹配、組織炎癥等問題[8]。Barber等[13]針對668 名采用-TCP/PLGA 界面螺釘修復膝關節或肩關節韌帶的患者進行了長達28 個月的隨訪記錄，其中12%的患者出現了關節松弛、囊腫等相關并發癥。術后并發癥的發生，如若處理不及時，將可能直接導致手術失敗，因此這一問題不容忽視。

nano-TCP 顆粒由于其特殊的納米表面性質，在可吸收高聚物基體中容易發生團聚，受負荷時易形成應力集中點，使復合材料在植入期間力學性能過早失效[8]。同時，材料也無法均勻的地降解，進而無法持續有效地維持植入區pH 值的穩定，對骨組織的修復產生不利影響[10]。Ma 等[14]用改性的方法來提高-TCP 納米顆粒在PLLA 基體中的分散性。通過對比改性前后相同-TCP含量的納米復合材料的力學性能發現，改性后材料的彎曲強度與拉伸強度均提高10%～20%。Balac 等[15]通過有限元（FE）分析研究了無機顆粒的體積分數對其增強高聚物復合材料力學性能的影響。發現基質中的最大應力集中系數隨著無機顆粒體積分數的增加而減小，說明團聚體對納米復合材料的力學性能產生了不利的影響。Bennett 等[16]研究了不同尺寸的-TCP 顆粒對復合材料在體內的降解速率及宿主反應的影響。發現相同-TCP 含量的納米復合材料比微米復合材料降解更均勻，植入區pH 值更接近中性，這與Yang 等[17]的研究結果相類似。另外，Bennett 等將納米復合材料與微米復合材料植入到羊股骨遠端髁突缺損處，分別在植入后的第6、12、18 和24 周使用組織學圖像的視覺評分和X 射線圖像的半自動分割來量化植入物的降解和植入部位新骨組織的生長，發現納米復合材料的體內降解速率比微米復合材料慢，與新骨生長速率更匹配。Smoak 等[18]研究了含有不同尺寸-TCP 顆粒的復合材料對人脂肪干細胞（human adipose-derived stem cell,hASCs）行為的影響。發現相同-TCP 含量的微米復合材料與納米復合材料相比，細胞毒性較大、成骨性能較差。這些都間接說明具有較小顆粒尺寸的復合材料的降解性能及骨誘導性能更優越。

綜上所述，可以看出nano-TCP 顆粒在可吸收高聚物基體中的分散性顯著地影響復合材料的力學性能、降解性能以及骨誘導性能，是一個亟待研究的重要問題。

2 nano-TCP 顆粒團聚原理

nano-TCP 顆粒團聚是指其在制備、分離、處理及存放過程中相互連接、由多個顆粒形成較大的顆粒團簇的現象。造成顆粒團聚的原因主要包括以下幾個方面。

2.1 納米顆粒的表面效應和尺寸效應

表面效應和尺寸效應是指由于納米顆粒的表面原子數與總原子數之比隨粒徑變小而急劇增大后引起的性質上的變化。nano-TCP 顆粒具有很高的比表面積，且顆粒越小，表面的原子數量就越多。當粒徑降至10 nm 時，表面原子比例高達90%以上，原子幾乎全部集中到顆粒的表面，處于高度活化狀態，導致表面原子配位數不足和高表面能，從而使這些原子極易與其他原子相結合而穩定下來，導致顆粒相互聚集，體積變大[19]。

2.2 布朗運動

在制備nano-TCP/可吸收高聚物復合材料時，一般會采用磁力攪拌[14]或超聲分散[20]的方法將nano-TCP 顆粒分散在溶劑中，在此過程中因溶劑分子會對nano-TCP 顆粒產生不平衡沖力的碰撞而使其做布朗運動，即nano-TCP 顆粒與溶劑的碰撞使得顆粒具有與周圍顆粒相同的動能，因此體積較小的顆粒運動較快，納米顆粒在做布朗運動時彼此會經常碰撞到，由于吸引作用，它們會連接在一起，形成二次顆粒。二次顆粒的速度比單一顆粒要慢，但仍有機會與其他顆粒發生碰撞，進而形成更大的團聚體，直至大到無法運動而沉降下來[21]。

2.3 范德華力和氫鍵的作用

懸浮在溶液中的nano-TCP 顆粒普遍受到范德華力的作用。范德華力與粒徑成反比，納米顆粒由于尺寸小，因而相互間具有較強的范德華力作用，當范德華引力遠大于顆粒自身的重力時，納米顆粒之間會通過表面分子或原子的范德華力相互吸引，形成團聚體。nano-TCP 顆粒是由剛性、實心、極細的球狀顆粒組成，由于比表面積大，極易吸附空氣或溶劑中的水分子，在表面形成一層富含羥基（—OH）的吸附水膜，鄰近的—OH 之間會產生較強的氫鍵作用，而使顆粒產生團聚[22]。另外，帶有吸附水的nano-TCP 顆粒之間會形成細頸狀液橋，液橋的中央與兩端有一定正壓差，使顆粒相互黏附聚集[23]。

2.4 靜電排斥穩定作用（DLVO 理論）

DLVO 理論認為，膠體中納米顆粒的穩定性取決于顆粒間的范德華力引力勢能VA與顆粒因表面雙電層排斥而產生的靜電斥力勢能VR之間的平衡[24]。nano-TCP 顆粒表面帶有電荷時，溶液中的一些帶相反電荷的離子靠庫侖力被緊密吸附在顆粒的表面而構成吸附層，從而形成雙電層，產生了Zeta 電位。Zeta 電位越高，顆粒的雙電層產生的靜電斥力就越大，從而使顆粒更容易分散。對于nano-TCP 顆粒來說，當溶液的pH 值為6.7±0.1 時出現等電點[25]。而在等電點附近，Zeta 電位為0 mV，顆粒之間沒有靜電排斥力。當排斥力小于范德華引力時，顆粒之間以引力為主，將發生團聚。

3 nano-TCP 顆粒分散性的改進方法

在制備nano-TCP/可吸收高聚物復合材料時，由于nano-TCP 顆粒容易發生團聚，使得自身的納米特性無法正常發揮，同時，還會影響復合材料的綜合性能。因此，為了降低nano-TCP 顆粒的團聚尺度，提高其在可吸收高聚物基體中的分散性，采用有效的分散技術是十分必要的。除了常規的超聲波分散[20]、機械外力（如剪切力）分散[26]外，對nano-TCP 顆粒表面進行改性的研究也有很多。

3.1 物理改性

物理改性是指通過范德華力、氫鍵等分子間作用力將無機或有機改性劑吸附在nano-TCP 顆粒表面，在表面形成包覆層，從而降低表面張力，減少納米顆粒間的團聚，達到均勻穩定分散的目的。

表面活性劑分子中含有2 類性質截然不同的官能團：一類是極性基團，具有親水性；另一類是非極性基團，具有親油性[27]。表面活性劑的極性基團易于定向吸附在nano-TCP 顆粒表面，從而使得顆粒的表面性質發生顯著變化，當與可吸收高聚物基體復合時，提高了納米顆粒在基體中的分散性。Mirjalili 等[28]探究了表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)對-TCP/CNT 納米復合材料形態的影響。通過SEM及TEM 觀察發現SDBS/ -TCP/CNT 納米復合材料呈規則形狀的良好分散，說明SDBS 的添加有利于顆粒的分散性的提高。

另外，表面沉積法在改性納米顆粒上也有運用，即通過溶液蒸發或靜電作用在無機納米顆粒的表面沉積一層與表面無化學結合的異質包覆層，從而改變顆粒原有的表面性質，提高無機納米顆粒在可吸收高聚物基體中的分散性。但運用此種方法改性nano-HA 的報道較多，對nano-TCP 卻鮮有報道[29]。

3.2 化學改性

化學改性是指在nano-TCP 顆粒表面與改性劑之間產生化學反應或化學吸附，從而改變納米顆粒表面的結構和狀態，達到均勻分散的目的。目前，常用的手段是使用偶聯劑、有機酸或低分子量的聚合物來修飾nano-TCP 顆粒表面，通過提高顆粒表面的疏水性來改善其在可吸收高聚物基體中的分散性。

3.2.1 偶聯劑改性

偶聯劑是一種表面活性劑，是具有兩性結構（極性基團和非極性基團）的物質，其中的一部分基團（親水基團）可與nano-TCP 顆粒表面的某種官能團反應，形成強有力的化學鍵合，從而改變顆粒的表面性質，當與可吸收高聚物基體復合時，偶聯劑的另一部分基團（疏水基團）的存在可提高nano-TCP 顆粒在高聚物基體中的分散性[30]。Bareiro 等[31]采用正硅酸乙酯（TEOS）作偶聯劑對-TCP 納米顆粒進行改性，并與聚二甲基硅氧烷樹膠（PDMS）混合制備納米復合材料。通過靜態接觸角、SEM 及TEM 測試發現，TEOS 改性-TCP 納米顆粒后提高了顆粒表面的疏水性，使-TCP 納米顆粒在PDMS 基體中的分散性得到明顯提高。

3.2.2 表面酸處理

nano-TCP顆粒表面有大量的懸掛鍵，極易水解生成—OH。因此，其具有較強的親水極性表面，易產生氫鍵、共價鍵、范德華力等來吸附周邊顆粒，發生團聚[22]。利用有機酸（如硬脂酸、棕櫚酸等）進行表面改性使得nano-TCP 顆粒變為親有機疏無機的表面，有利于其在可吸收高聚物基體中均勻分散。Ma 等[14]采用硬脂酸對-TCP 納米顆粒進行表面改性，并與PLLA 混合制得納米復合材料。并發現硬脂酸以[CH3(CH2)14COO-]-Ca2+-[CH3(CH2)14COO-]共價鍵的方式附著在-TCP 顆粒表面，形成一層疏水的包覆膜，通過對-TCP/PLLA 納米復合材料斷面的SEM 圖觀察發現，未經表面改性處理的-TCP 在PLLA 基體中易團聚，形成多孔的大顆粒，經硬脂酸改性處理后的-TCP 在基體中分散均勻，斷面上的-TCP 微粒被基體緊密包裹，提高了-TCP 在基體中的分散性。Li 等[32]采用棕櫚酸對-TCP 納米顆粒進行表面改性，得出與文獻[14]相類似的結論。

3.2.3 表面接枝改性

表面接枝改性是通過化學反應將高分子聚合物鏈接枝到nano-TCP 顆粒的表面，從而改變納米顆粒的表面性質，提高其在可吸收高聚物基體中的分散性。Zou 等[33]先將低分子量的PLLA（LMW PLLA，M=9000）在pH=11 的堿性溶液中水解1 h，以引入更多的羥基（—OH），然后將其接枝到-TCP 納米顆粒表面（接枝反應見圖1），并與高分子量的PLLA（M=30×104）進行混合制得納米復合材料。通過FTIR、XRD 測試發現LMW PLLA 成功接枝在-TCP 納米顆粒表面并且沒有改變顆粒的晶體結構。通過靜態接觸角及SEM 測試發現，LMW PLLA 接枝到-TCP 納米顆粒表面后提高了顆粒表面的疏水性，使-TCP 納米顆粒在PLLA 基體中的分散性得到明顯提高。

圖1 -TCP 納米顆粒接枝改性

目前，對nano-TCP 顆粒改性以期提高其在可吸收高聚物基體中分散性的研究相較于nano-HA 要少，主要原因是nano-TCP 顆粒表面可供修飾的活性位點（—OH）較少。因此，可對nano-TCP 顆粒進行高能處理，如用高能輻射、高能電暈放電、紫外線、等離子射線等方法來增加nano-TCP顆粒的表面活性位點，為進一步對nano-TCP 顆粒表面改性提供方便[34]。另外，也可以對可吸收高聚物進行修飾（如在分子鏈上接枝單體或基團），改變高聚物的狀態，從而實現nano-TCP 顆粒在可吸收高聚物基體中的均勻分散[35]。

4 結論與展望

隨著骨組織工程技術的發展，nano-TCP/可吸收高聚物復合材料被越來越多地運用到骨缺損的修復中并取得良好的臨床效果。但因nano-TCP 顆粒團聚而引起修復材料力學性能不足、局部組織炎癥等問題仍然沒有得到很好的解決，使得nano-TCP/可吸收高聚物復合材料在骨缺損修復手術中的應用受到限制。為了提高nano-TCP/可吸收高聚物復合材料的應用性能，充分發揮nano-TCP 顆粒的納米特性，進一步完善nano-TCP 顆粒的改性機理、改性方法及改性效果的表征是未來的研究重點。另外，改性可吸收高聚物以實現nano-TCP 顆粒的良好分散也具有重大的研究價值。