羥基磷灰石復(fù)合及摻雜改性研究進(jìn)展

田 鍵，湯 釩，胡 攀，朱艷超，古衛(wèi)樂(lè)，劉 旻，徐逸凡，操未青

（1. 湖北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430062；2. 功能材料綠色制備與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430062；3. 工業(yè)廢棄物綠色產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)湖北省工程研究中心，湖北 武漢 430062；4. 玉林師范學(xué)院 碳酸鈣產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，廣西 玉林 537000；5. 湖北湖大天沭新能源材料工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430062）

羥基磷灰石（hydroxyapatite，HAP），分子式為Ca10(PO4)6(OH)2，屬于磷酸鹽生物礦物質(zhì)，相對(duì)分子質(zhì)量為1 004，密度為3.156 g/cm3，熔點(diǎn)為1 650 ℃，溶解度為10?5%，折射率為1.64～1.65，其Ca/P原子物質(zhì)的量比的理論值為1.67，其晶體結(jié)構(gòu)屬于六方晶系，P63/m空間群，呈L6PC對(duì)稱型。HAP作為人體骨骼礦物質(zhì)的主要成分，有著良好的生物相容性和生物活性，對(duì)人體無(wú)毒副作用，主要應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在骨修復(fù)、骨替代、藥物載體及緩釋方面有著較為優(yōu)異的表現(xiàn)。不僅如此，HAP在吸附材料、電子材料、半導(dǎo)體材料、催化劑、涂料等方面也有一定的應(yīng)用。但作為骨修復(fù)材料時(shí)，由于其本身力學(xué)性能較差，抗剪切和彎曲強(qiáng)度較低，只能局限于無(wú)負(fù)荷或低負(fù)荷的骨缺損的修復(fù)，極大地限制了其應(yīng)用[1]。研究表明，以納米級(jí)羥基磷灰石（nanograde hydroxuapatite，nHAP）為基礎(chǔ)組分，復(fù)合高分子材料構(gòu)建的支架材料有諸多優(yōu)點(diǎn)：力學(xué)性能逐漸衰減，能匹配新骨形成過(guò)程中所需的漸變的力學(xué)環(huán)境，對(duì)缺損部位能提供良好的力學(xué)支撐，復(fù)合的生物高分子多具有直接或間接的調(diào)節(jié)局部微環(huán)境，加速骨生成的作用；同時(shí)，可改變材料的孔徑及孔隙率，以更好地吸附生物活性因子或種子細(xì)胞等[2]，例如，清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系研制的nHAP復(fù)合膠原/聚乳酸植骨材料已被批準(zhǔn)臨床應(yīng)用，并在骨科臨床小塊植骨方面取得良好的效果。復(fù)合高分子材料可以改善HAP本身力學(xué)性能上的缺陷，而離子摻雜可以從結(jié)構(gòu)上對(duì)HAP進(jìn)行改性，使其在生物性能上的應(yīng)用更為廣泛。HAP的改性是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，主要通過(guò)合成復(fù)合材料、離子摻雜等對(duì)HAP的綜合性能進(jìn)行優(yōu)化。本文主要針對(duì)HAP復(fù)合材料及離子摻雜研究進(jìn)展進(jìn)行討論，以及對(duì)其未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 nHAP/天然高分子復(fù)合材料

1.1 nHAP/膠原復(fù)合材料

膠原蛋白作為人體骨中有機(jī)質(zhì)的主要成分，具有良好的生物相容性、生物活性、可降解性和低抗原性，可以很好地促進(jìn)細(xì)胞成活、生長(zhǎng)以及骨修復(fù)，彌補(bǔ)nHAP在可塑性上的缺陷。Bian等[3]通過(guò)采用燒結(jié)靜電紡絲聚乙烯吡咯烷酮/HAP復(fù)合纖維，再浸漬膠原溶液的方法制備了有序HAP陶瓷纖維的nHAP/膠原復(fù)合纖維。該方法很好地防止了nHAP的聚集，并且其礦化和降解特性有利于間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cell，MSCs）的生長(zhǎng)和代謝，且對(duì)MSCs顯示的細(xì)胞毒性較弱。檢測(cè)表明，該材料對(duì)蛋白質(zhì)的吸附性能突出，是較理想的骨修復(fù)材料。

1.2 nHAP/殼聚糖復(fù)合材料

殼聚糖又稱脫乙酰甲殼素，是由自然界廣泛存在的幾丁質(zhì)經(jīng)脫乙酰作用得到的，因殼聚糖分子帶有游離的氨基，其氨基特性顯著，奠定了其生物特性。殼聚糖作為天然產(chǎn)物不具毒性，有著良好的生物可降解性和生物相容性，同時(shí)還能提高細(xì)胞的繁殖及黏附能力，不僅如此，其還有消炎抗菌的特效，在生物醫(yī)學(xué)材料上有著廣泛的應(yīng)用[4]。

Nosrati等[5]采用沉淀法制備了HAP-殼聚糖納米復(fù)合材料，控制前驅(qū)體混合比例、pH等合成參數(shù)，研究其對(duì)最終產(chǎn)物特性的影響。結(jié)果表明，隨著HAP含量的增加和反應(yīng)pH的增大，nHAP/殼聚糖納米復(fù)合材料的平均粒徑減小。Singh等[6]根據(jù)上述研究結(jié)果，運(yùn)用電泳沉積法制備了氧化鐵顆粒與nHAP復(fù)合的抗菌生物活性涂層，并將該涂層整合到殼聚糖基質(zhì)中。試驗(yàn)結(jié)果表明，氧化鐵顆粒能抑制微生物的發(fā)育，并增強(qiáng)磷灰石的礦化，而且該涂層溶血率小于5%，說(shuō)明具有很好的血液相容性。

1.3 nHAP/絲素蛋白復(fù)合材料

絲素蛋白是從蠶絲中提取的天然高分子纖維蛋白，有著良好的柔韌性和和抗拉強(qiáng)度，可塑性極高，并且在生物體內(nèi)外都可緩慢降解，且無(wú)毒、無(wú)害。絲素蛋白含有18種氨基酸，其中11種為人體所必需氨基酸，具有很好的生物相容性，因此，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多。

Zhang等[7]采用冷凍干法制備了含nHAP的絲素蛋白納米纖維支架材料，評(píng)估了其對(duì)凝血功能的影響，發(fā)現(xiàn)該支架有較低的紅細(xì)胞溶血率。對(duì)牙髓干細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)該支架具有良好的生物相容性，可以應(yīng)用于牙髓修復(fù)中。Huang等[8]以絲素蛋白分子為模板，通過(guò)原位礦物沉淀法制備了nHAP/絲素蛋白復(fù)合顆粒，以海藻酸鈉作為黏合劑，通過(guò)3D打印制備了nHAP/絲素蛋白復(fù)合材料支架。研究結(jié)果表明，隨著nHAP/絲素蛋白復(fù)合顆粒含量的增加，細(xì)胞的增殖能力顯著提升，堿性磷酸酶活性增強(qiáng)。

1.4 nHAP/明膠復(fù)合材料

明膠又稱為動(dòng)物明膠，是膠原部分降解和變性后的產(chǎn)物，是以動(dòng)物結(jié)締組織的膠原為原料而制得的，因此具有生物相容性和生物可降解性，并且擁有高韌性和優(yōu)良的可吸收性，被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域[9]。

李斯日古楞等[10]采用冷凍干燥技術(shù)將nHAP與明膠復(fù)合物制成3D多孔支架材料，并做了細(xì)胞培養(yǎng)增殖試驗(yàn)，制備了較高孔隙率、良好生物相容性的支架材料。郭雨晴[11]采用共沉淀法合成了nHAP/明膠復(fù)合材料支架材料，并對(duì)大鼠骨髓MSCs進(jìn)行了多組細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)，討論其對(duì)MSCs增殖分化的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，共沉淀法合成的nHAP/明膠復(fù)合支架材料有著良好的生物相容性，促進(jìn)MSCs成骨分化，能有效修復(fù)大鼠顱骨缺損，是一種優(yōu)良的生物支架材料。

2 nHAP/合成高分子復(fù)合材料

2.1 nHAP/聚乳糖復(fù)合材料

聚乳糖(polylactic acid，PLA)又被稱作聚丙交酯，因其降解后為人體內(nèi)的正常代謝產(chǎn)物，所以其具有很好的生物相容性和生物可降解性，并且還具有較好的力學(xué)性能，是一種頗受重視的生物醫(yī)學(xué)仿生材料。

Asl等[12]采用溶膠-凝膠法制備了HAP-PLA薄膜包覆316L不銹鋼基片，并用激光對(duì)nHAP-PLA薄膜進(jìn)行處理，與未經(jīng)激光處理的薄膜進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)薄膜耐蝕性顯著提高，且細(xì)胞毒性試驗(yàn)表明，人成纖維細(xì)胞能在其上正常生長(zhǎng)，證實(shí)了其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的生物耐受性。Li等[13]將HAP顆粒接枝到乳酸低聚物上，形成接枝HAP(g-nHAP)顆粒，然后將其與PLA進(jìn)一步混合，制備了g-nHAP/PLA復(fù)合材料，并做了體內(nèi)和體外細(xì)胞反應(yīng)和血液相容性試驗(yàn)，結(jié)果表明，L-929細(xì)胞具有很好的耐受性，是一種安全、有應(yīng)用前景的生物材料。

2.2 nHAP/聚乙烯醇復(fù)合材料

聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）是一種具有良好生物相容性和生物降解特性的材料，憑借其水溶性、成膜性、乳化性、膠黏性且無(wú)毒，被廣泛用于制備生物復(fù)合材料[14]，因?yàn)镻VA的生物活性還不夠理想，而nHAP可以彌補(bǔ)這一缺陷，才有了nHAP/PVA復(fù)合材料。

韋文榜等[15]先通過(guò)化學(xué)沉淀法制備了nHAP，然后通過(guò)超聲處理，先將nHAP分散于木質(zhì)素（xylogen，EOL）溶液中，然后加入PVA中，在高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行混合復(fù)合得到EOL/nHAP/PVA復(fù)合材料。在nHAP/PVA中復(fù)合了EOL后，提升了復(fù)合材料的質(zhì)地和柔韌性，抗拉強(qiáng)度更好，可以很好地應(yīng)用于人體軟骨組織的修復(fù)。Nurul等[16]將HAP與PVA和N,O-羧甲基殼聚糖的復(fù)合材料合成了新型生物材料HAP-PVA/NOCC，并將其在大鼠MSCs中進(jìn)行體外培養(yǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明，在大鼠細(xì)胞中有很好的生物相容性，是很有前景的骨軟骨缺損修復(fù)支架材料。

2.3 nHAP/聚酰胺復(fù)合材料

聚酰胺(polyamide，PA)俗稱尼龍，具有良好的沖擊韌性、耐熱性、耐磨性，且易加工成型，PA的結(jié)構(gòu)與膠原蛋白相似，并且可以促進(jìn)成骨礦化，促進(jìn)骨缺損修復(fù)，是一種很好的人體骨骼醫(yī)用生物高分子材料。

周莉等[17]以nHAP、PA、殼聚糖為原料，以聚乙烯吡咯烷酮和氯化鈉作為致孔劑，采用溶液共混法和粒子致孔法制備了一種新型骨修復(fù)復(fù)合材料，探討了其孔隙率及藥物緩釋效果，孔隙率與人體松質(zhì)骨孔隙要求基本一致，有利于骨的生長(zhǎng)和養(yǎng)分輸送。在模擬體液緩釋中發(fā)現(xiàn)，載藥系統(tǒng)達(dá)到了一次性用藥，用量少，保持局部藥物的持續(xù)濃度高的目的，且減少了全身的毒副作用。Xu等[18]在nHAP/PA 66復(fù)合材料的基礎(chǔ)上使用了聚多巴胺（polydopamine，PDA）輔助的仿生工藝制備了nHAP涂層。研究了生物體內(nèi)和體外的成骨誘導(dǎo)能力，在細(xì)胞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，其能促進(jìn)C3H10T1/2細(xì)胞的黏附、增殖、擴(kuò)散、成骨分化等，PDA輔助的nHAP涂層使材料的成骨誘導(dǎo)能力進(jìn)一步提升。

3 離子摻雜改性HAP

人體骨骼中存在許多微量元素，如氟（F）、鋅（Zn）、鍶（Sr）、錳（Mn）、鎂（Mg）、銅（Cu）等，它們?cè)谌梭w骨組織中參與骨代謝的調(diào)節(jié)及保護(hù)作用，但在骨組織中的含量不同，骨骼中微量元素的含量及作用見(jiàn)表1[19-20]。HAP的化學(xué)結(jié)構(gòu)允許摻雜一些離子，用來(lái)增強(qiáng)其物理化學(xué)性能以及生物方面的特性，這些微量元素在人體骨細(xì)胞中可以調(diào)節(jié)其代謝功能，可以提升HAP在生物方面的性能。

表1 骨骼中微量元素的含量及作用Tab.1 Content and function of trace elements in bone

3.1 Sr離子摻雜

Sr元素是在鉛礦中發(fā)現(xiàn)的一種堿土金屬元素，在天然礦物中儲(chǔ)量豐富，同時(shí)也是人體的必需微量元素之一，廣泛存在于血液和骨中，人體內(nèi)99%的Sr都沉積在骨中，Sr可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖分化，有利于骨形成[21]。因此，Sr離子摻雜HAP在生物骨修復(fù)材料上的研究也越來(lái)越多。

高建勇等[22]研究了不同Sr摻雜量的HAP的生物活性及生物相容性，分別做了溶血試驗(yàn)，細(xì)胞毒性試驗(yàn)以及細(xì)胞黏附活性和增殖活性試驗(yàn)，結(jié)果表明，一定濃度的Sr摻雜能有效提高HAP的生物活性，且Sr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%時(shí)，Sr-HAP的生物學(xué)效果最佳。Kumar等[23]采用濕法化學(xué)沉淀法制備了Sr-HAP粉末，并用大腸桿菌和巴士芽孢桿菌對(duì)合成的Sr-HAP粉末進(jìn)行壓實(shí)，發(fā)現(xiàn)與純HAP相比，Sr-HAP表現(xiàn)出較低的活性，說(shuō)明Sr-HAP具有抗菌特性。

3.2 Mg離子摻雜

Mg元素是細(xì)胞內(nèi)重要的二價(jià)元素之一，其離子濃度僅次于K離子。Mg參與人體骨的代謝，是骨生長(zhǎng)必不可少的元素，缺Mg會(huì)導(dǎo)致絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松、佝僂病、軟骨病等多種骨代謝相關(guān)疾病[24]。所以在骨修復(fù)材料中摻雜Mg離子也是目前研究的一種思路。

馬曉雨等[25]通過(guò)逐步沉淀反應(yīng)一鍋法制備了一系列不同含量Mg摻雜nHAP，研究結(jié)果表明，Mg離子摻雜nHAP呈現(xiàn)束狀納米纖維形態(tài)，比表面積大，細(xì)胞毒性較低且有很好的載藥能力，載藥量可達(dá)54%，還具有緩釋特性，能很好地抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)。Praharaj等[26]用Sr離子摻雜的TiO2和Mg摻雜的HAP制備了雙層涂層，并與純TiO2單層涂層進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，Sr和Mg增強(qiáng)了其生物活性。且研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種雙層材料具有良好的骨結(jié)合和骨愈合所需的黏附強(qiáng)度。

3.3 Zn離子摻雜

Zn存在于大部分人體組織當(dāng)中，而且Zn也是人體必需從食物中所攝取的重要元素之一。Zn在人體中起著調(diào)節(jié)生理功能作用，維持人體正常發(fā)育、生殖遺傳、蛋白質(zhì)代謝以及骨代謝等一系列作用[27]。正是因?yàn)閆n有著以上優(yōu)異性質(zhì)，可以將Zn用于生物材料當(dāng)中，改善生物材料的生物特性。

Rechele等[28]采用溶液前驅(qū)體等離子噴涂工藝制備了Zn離子摻雜HAP涂層，并對(duì)其生物活性、細(xì)胞毒性和抗菌效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)涂層對(duì)成骨細(xì)胞無(wú)細(xì)胞毒性，并對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有抗菌作用。Begam等[29]研究了摻雜Zn對(duì)成骨細(xì)胞的影響，對(duì)摻入Zn的HAP對(duì)MG63成骨細(xì)胞的代謝活性、黏附和增殖率研究表明，其性能優(yōu)于純HAP。

3.4 Cu離子摻雜

Cu元素是人體必需的微量礦物質(zhì)，是機(jī)體內(nèi)蛋白質(zhì)和酶的重要組成部分，缺Cu會(huì)導(dǎo)致發(fā)育不良，貧血等不良癥狀。同時(shí)，Cu有著很好的殺菌作用和抗癌功能，并通過(guò)其研制出抗癌藥物[30]。Cu對(duì)于骨修復(fù)材料在抗菌方面有著不可或缺的作用。

Kamonwannasit等[31]通過(guò)溶膠-凝膠技術(shù)結(jié)合超聲輻射合成了具有較高抗菌活性的Cu-Ag摻雜HAP顆粒。通過(guò)對(duì)表皮葡萄球菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、蠟樣芽胞桿菌和銅綠假單胞菌進(jìn)行抗菌活性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)其抗菌性能可用于醫(yī)學(xué)臨床。Martínez-Gracida等[32]發(fā)現(xiàn)Ag-Cu摻雜HAP具有低細(xì)胞毒性和溶血反應(yīng)，能抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)，是一種很好的抗菌HAP材料。

4 結(jié) 論

HAP是骨組織工程中的重要組成成分，其制備方法已經(jīng)較為成熟且多種多樣，但是HAP材料本身的力學(xué)性能較差，降解速率也未達(dá)到要求，并且在生物領(lǐng)域的性能也并不全面，有許多地方還需要提升，HAP材料的改性研究是未來(lái)的重點(diǎn)課題。HAP復(fù)合和離子摻雜成了改性研究的重心，近年來(lái)，雖然nHAP復(fù)合材料的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍有許多潛在問(wèn)題亟待解決，如材料的降解速率與骨生長(zhǎng)速率無(wú)法協(xié)調(diào)一致，有些材料的抗菌性能不好，容易造成機(jī)體感染等癥狀。而離子摻雜也同樣有著諸多不可避免的問(wèn)題，作為人體微量元素，如果過(guò)多會(huì)導(dǎo)致人體中毒，這種摻雜材料會(huì)打破人體內(nèi)的動(dòng)態(tài)平衡，因此在改性方面還需進(jìn)一步的探索研究。

為了能夠得到性質(zhì)更加全面的生物HAP材料，可以設(shè)想從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改善：（1）進(jìn)一步研究其合成工藝，改善HAP本身的強(qiáng)度問(wèn)題；（2）進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，在與高分子材料復(fù)合和離子摻雜時(shí)，要考慮材料結(jié)構(gòu)與人體的匹配相容問(wèn)題；（3）進(jìn)一步結(jié)合仿生原理，結(jié)合人體內(nèi)的成分與骨組織結(jié)構(gòu)，研究合成新型仿生骨，達(dá)到與人體完全匹配的成度。