纳米羟基磷灰石及其复合材料的研究进展_李志宏

医疗卫生装备·２００７年第２８卷第４期ＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪｏｕｒｎａｌ·２００７Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．４纳米羟基磷灰石及其复合材料的研究进展李志宏武继民李瑞欣许媛媛张西正（军事医学科学院卫生装备研究所天津市３００１６１）摘要纳米羟基磷灰石具有良好的生物相容性和生物活性，是较好的生物材料，被广泛应用于骨组织的修复与替代技术。

但是，由于材料本身力学性能较差制约了羟基磷灰石的进一步应用，因此，提高及制备综合性能优越的纳米羟基磷灰石复合生物材料是当今研究的重心和热点。

综述了纳米羟基磷灰石制备的主要方法及其复合生物材料的研究进展，并探讨了纳米羟基磷灰石骨修复材料的发展方向。

关键词纳米羟基磷灰石；复合材料；骨修复Ａｄｖａｎｃｅｓｉｎｎａｎｏ－ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅａｎｄｉｔｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅＬＩＺｈｉ－ｈｏｎｇ，ＷＵＪｉ－ｍｉｎ，ＬＩＲｕｉ－ｘｉｎ，ＸＵＹｕａｎ－ｙｕａｎ，ＺＨＡＮＧＸｉ－ｚｈｅｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＡｃａｄｅｍｙｏｆＭｉｌｉｔａｒｙＭｅｄｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１６１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＮａｎｏ－ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄａｓｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅａｎｄｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｏｓｓｅｏｕｓｔｉｓｓｕｅ，ｏｗｉｎｇｔｏｉｔｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｉｓｓｕｅｂｉｏａｃｔｉｖｉｔｙ．Ｂｕｔｔｈｅｐｏｏｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅｒｅｓｔｒｉｃｔｓｉｔｓｆｕｒｔｈｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌ，ｍａｎｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｄｉｃａｔｅｄｔｏｔｈｅｓｙｎｔｈｅｓｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｍａｉｎｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｎａｎｏ－ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅａｎｄｔｈｅａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｉｔｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅ．Ｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｉｎｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｓｗｅｌｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｎａｎｏ－ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ；ｂｏｎｅｒｅｐａｉｒ作者简介：李志宏，硕士，主要从事高分子材料和生物材料方面的研究；武继民，博士，硕士生导师，副研究员。

羟基磷灰石（ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅ，ＨＡ或ＨＡＰ）是自然骨无机质的主要成分，具有良好的生物相容性和生物活性，可以引导骨的生长。

其表面具有极性，与机体组织有较强的亲和力，与骨组织形成牢固的骨性结合，是公认性能良好的骨修复替代材料。

本文综述了纳米羟基磷灰石复合生物材料的研究进展，并探讨了其可能的发展方向。

１纳米羟基磷灰石的合成羟基磷灰石超微粉属无机材料，常用制备方法有水热法、沉淀法、溶胶－凝胶法、微乳液法等。

此外，还有等离子体喷涂法、干法、冲击波法等。

１．１水热法水热法是指在密封压力容器中，以水溶液作反应介质，在高温、高压下，使通常难溶或不溶的物质溶解且重结晶的一种制备材料的方法。

它可以用来生长各种单晶，制备超细、无团聚或少团聚、结晶完好的陶瓷粉体和无机纤维或晶须增强材料。

近年来，水热法制备羟基磷灰石也取得了很大的进展。

廖其龙等［１］经水热反应获得了晶粒完整、粒度在１００ｎｍ以下的柱状或针状ＨＡ晶体，结果表明：随Ｃａ／Ｐ比的增加，进入磷灰石结构的ＣＯ３２－的量增加，引起晶格畸变，晶粒尺寸降低。

肖秀峰等［２］研究发现随水热温度的提高和时间的延长，晶体发育越完整，晶粒尺寸越大。

郭广生等［３］研究中发现水热温度和反应时间对ＨＡ微晶尺寸变化有较大的影响，高温有利于ＨＡ微晶在ａ轴方向的生长，而延长时间则有利于其在ｃ轴方向的生长。

刘晶冰等［４］在较低温度下合成了结晶度较高的棒状羟基磷灰石粉末，同时研究了ｐＨ值及温度对产物结构及形貌的影响。

１．２沉淀法沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合溶液中加入适当的沉淀剂制备超微颗粒的前驱体沉淀物，再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的超微颗粒。

此法制备纳米ＨＡ大多采用无机钙盐和磷酸盐反应得到。

任卫等［５］采用均相共沉淀法和爆发成核法制备出了可长期稳定的、尺度在６０～７０ｎｍ的ＨＡ溶胶和纳米粒子。

吕奎龙等［６］经研究发现：加入形核剂、适当提高反应温度及搅拌速度有利于制备纯净的羟基磷灰石。

李玉峰［７］研究表明：控制反应温度、加料速率，使体系维持一定ｐＨ值范围，并适当引入超声波及其它强化条件，可以合成Ｃａ／Ｐ比值较为理想、ＨＡ相较纯、晶粒度（２７２．２￣５４４．７）分布好的羟基磷灰石。

郭大刚等［８］制得尺寸和形状更接近于人体骨磷灰石结构的ＨＡ颗粒，并具有较好的尺寸稳定性，６００℃下仍能保持不团聚长大。

１．３溶胶－凝胶法（Ｓｏｌ－Ｇｅｌ）溶胶凝胶法的基本原理是：将金属醇盐或无机盐水水解，然后使溶质聚合胶化，再将凝胶干燥、焙烧，最后得到无机材料。

其优点是：原料均匀混合；产品粒子化学均匀性好、纯度高、颗粒细；可容纳不溶性组分或不沉淀组分；烘干后凝胶颗粒烧结温度低。

黄志良等［９］用Ｓｏｌ－Ｇｅｌ法制备了不同钙磷摩尔比的ＨＡＰ和不同ＣＯ３２－含量的ＨＡＰ，并系统研究此２类磷灰石的热稳定性。

结果表明：Ｃａ和ＨＡＰ由于存在填隙缺陷结构，表现出较高的热稳定性；在１５０￣８００℃范围内ＣＨＡＰ（含有ＣＯ３２－的ＨＡＰ）中的ＣＯ３２－脱除是非平衡态的连续固溶体分解，同时其结晶度增加且晶粒重结晶长大。

袁媛等［１０］以四水硝酸钙和磷酸三甲酯为中图分类号：ＴＢ３８３；ＴＢ３３文献标识码：Ａ文章编号：１００３－８８６８（２００７）０４－００３０－０２综述３０医疗卫生装备·２００７年第２８卷第４期ＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪｏｕｒｎａｌ·２００７Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．４原料，水和无水乙醇为溶剂，采用溶胶－凝胶法合成纳米羟基磷灰石；并对影响溶胶－凝胶形成的工艺条件、溶剂的选择及加入量、溶液的ｐＨ值以及干凝胶的低温燃烧特性进行研究。

朱明刚［１１］对用溶胶－凝胶法烧结制备ＨＡＰ骨水泥材料的工艺条件进行了研究，并探索了ＨＡＰ粉剂与柠檬酸水溶液构成水和凝结体系的可行性，结果显示出该材料作为医用骨水泥材料的可能性。

１．４微乳液法微乳液法是利用２种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成一种均匀的乳液，从乳液中析出固相。

ＬＩＭＧＫ［１２］最先采用该法对制备ＨＡ进行了研究。

其方法是，将ＣａＣｌ２与（ＮＨ４）２ＨＰＯ４分别制成微乳液，油相为环乙醇，添加表面活性剂，将２种微乳液混合后放置一定的时间，将沉淀物用乙醇洗涤，制备出粒径为２０￣４０ｎｍ的ＨＡ粉体。

任卫等［１３］利用二乙基琥珀酰磺酸钠（ＡＴＯ）为表面活性剂，异辛烷为油相，Ｃａ（Ｈ２ＰＯ４）２·Ｈ２Ｏ或Ｃａ（ＯＨ）２为反应试剂制备球状纳米羟基磷灰石颗粒。

２纳米羟基磷灰石复合生物材料纳米羟基磷灰石复合生物材料主要是指在纳米ＨＡ中加入第二相或多相材料，从而获得有利的组织学反应、满意的强度和刚性，并为组织再生合成支架材料（其超微结构如图１所示）。

其中，羟基磷灰石以纳米级纤维（颗粒或粉体）填充有机基质，而有机基质则提供骨修复材料所需的一定的形状。

该复合材料充分发挥了ＨＡ的生物相容性和有机聚合物优越的加工性能以及可生物降解性等，并具有天然骨的类似结构，通过合理开发有可能使之成为理想的骨组织替代材料。

因而，近年来得到了充分的发展，主要包括羟基磷灰石／天然高分子复合生物材料和羟基磷灰石／人工高分子复合生物材料２类。

２．１羟基磷灰石／天然高分子复合生物材料２．１．１羟基磷灰石／胶原复合材料骨的结构可以分成２个不同层次的复合：ＨＡ增强胶原蛋白纤维构成３￣７μｍ的同轴层环状结构和在μｍ￣ｍｍ尺度上骨小管增强间隙骨。

因此，人体骨可以看成是一种天然无机物－高聚物复合材料。

制备仿天然骨的成分、结构和特性的胶原／纳米羟基磷灰石复合支架材料是目前生物材料研究的热点之一。

Ｃｈａｎｇ等［１４］用仿生共沉淀法制备出直径为５～１５μｍ柱状孔道、纳米ＨＡ晶体沿胶原纤维排列、具有三维网状多孔结构的胶原／纳米羟基磷灰石复合材料；Ｊｏｈｎ等［１５］用交替沉淀法、Ｒｏｖｅｒｉ等［１６］模拟体内骨胶原的矿化过程、林晓艳等［１７］采用仿生原位沉积矿化法，制备出仿生胶原／纳米羟基磷灰石复合骨支架材料。

与简单共混相比，这些方法制备胶原／纳米羟基磷灰石复合材料具有生物可降解性高、表面能较大、生物相容性和生物活性更好等特点，但仍不能与骨生长速度很好地匹配。

２．１．２羟基磷灰石／壳聚糖复合材料Ｙａｒｎａｇｖｃｈｉ等［１８］利用共沉淀法制备了壳聚糖／羟基磷灰石均相纳米复合材料。

研究发现，复合材料中的羟基磷灰石结晶呈长２３０ｎｍ、宽５０ｎｍ的椭圆状聚集态，与壳聚糖分子长度相对应，且该结晶生长排布（ｃ轴）与壳聚糖分子链相平行。

表明壳聚糖分子的氨基可能与钙离子结合成核，促进羟基磷灰石在此处的结晶生长，压实的复合材料具有机械韧性。

ＨｕＱ等［１９］制备壳聚糖／纳米羟基磷灰石复合棒用于骨折内固定的研究。

张利等［２０］采用共沉淀法制备了ｎ－ＨＡ／ＣＳ复合材料。

实验结果表明，复合材料中ｎ－ＨＡ和ＣＳ两相间有良好的相容性并存在较强的相互作用，其抗压强度达１２０ＭＰａ左右。

体外模拟体液（ＳＢＦ）浸泡试验结果表明，复合材料中有机相ＣＳ在浸泡过程中逐渐发生降解，与此同时，在复合材料表面有类骨磷灰石层沉积，表明该复合材料具有较高的生物活性和可降解性。

２．１．３羟基磷灰石／骨形态发生蛋白复合材料骨形态发生蛋白（ＢＭＰ）是一种存在于骨基质中的小分子量酸性多肽类物质，具有高效骨诱导作用，可以诱导血管周围未分化的间充质细胞及骨髓细胞分化成软骨细胞和骨细胞，具有非种属特异性诱导骨形成的生物学特性。

Ａｓａｈｉｎａ等［２１］利用羟基磷灰石作为载体，得到ＨＡ／ＢＭＰ复合物，经动物实验表明，其骨诱导活性比颗粒状、块状羟基磷灰石和ＨＡ／胶原复合材料都要高。

ＯｎｏＩ等［２２］将多孔羟基磷灰石用含前列腺素Ｅ１的ｒｈ－ＢＭＰ溶液浸泡后植入小鼠体内，同时与单纯含ｒｈ－ＢＭＰ的溶液对比，发现将多孔羟基磷灰石用含前列腺素Ｅ１的溶液处理能促进ｒｈ－ＢＭＰ的骨诱导活性。

２．２羟基磷灰石／人工高分子复合生物材料２．２．１ＨＡ／ＰＬＡ的复合材料聚乳酸（ＰＬＡ）是一种具有良好生物相容性和生物降解性的聚合物，其强度和刚性随分子量的升高而增强，体内降解吸收所需时间也随之延长。