纳米羟基磷灰石的结构设计

纳米羟基磷灰石的结构设计

摘要

羟基磷灰石与人体硬组织的化学成分和晶体结构极为相似，具有独特的生物活性和生物相容性，是目前生物材料研究的热点。当尺寸在1～100nm时，羟基磷灰石(HAP)纳米粒子有独特的生物学特性。此外羟基磷灰石粉体在吸附、催化、荧光、半导体、抗癌等领域也有广泛应用。

关键词：纳米材料羟基磷灰石结构设计抗癌

NANO HYDROXYAPATITE STRUCTURE DESIGN

ABSTRACT

Hydroxyapatite is the main inorganic components of bone tissues，has good biocompatibility and biological activity，which is the research hotspot of biologicalmaterials．HAP particles have unique biological properties when their size maintained in nano scale.In addition，HAP also has wide application in adsorption，catalysis，fluorescence，semiconductor,cancer areas．

KEYWORDS：nanometer materials hydroxyapatite physical design anticancer

1.1 纳米羟基磷灰石的特点

nHA是一种粒径较一般细胞粒径小，粒径为1～100 nm的超微粒子。当物质小到纳米级后，会具有表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点。这些特性导致其特有的热、磁、光敏感特性和表面稳定性，容易通过外场(电、磁、光)实现对其性能的控制，有利于实现靶向输送、控制释放、保护和稳定被输送物质。同时还具有不易被机体网状内皮细胞清除、有效避免脾滤过效应、通过增加渗透和滞留效应增强靶组织累积等优势。

人体骨中无机结构的基本单元式针状和柱状的磷灰石晶体，呈高度有序的排列，其结晶学C轴平行于胶原纤维方向定向生长，这种结构是一种理想的等强度优化结构，具有优良的生物力学性能。人工合成的羟基磷灰石是一种优良的硬组织替代材料，具有良好的生物亲和性，生物相容性，生物活性和骨传导作用。依据“纳米效应”理论，纳米级的羟基磷灰石其粒子活性更高，更有利于骨组织的整合，骨传导性能，溶解性能和力学性能提高。

1.2 纳米磷灰石的基本特性

1.2.1 HAP粒子的晶体结构

羟基磷灰石的理论组成为Ca10(P04)6(OH)2，为六方晶系，属于L6PC对称型和P63/m空间群，其结构为六角柱体，晶胞参数为a0=b0=0.943～0.938nm，C0=0.688～0.686nm，z=2, α=β=900，γ=1200。晶胞含有l0个Ca2+、6个PO43-，和2个OH-，结构中Ca2+离子分别位于配位数为9的Ca(Ⅰ)位置和配位数为7的Ca(Ⅱ)位置，结构比较复杂，其在(0001)面上的投影如图1.1。

图1.1 纳米磷灰石结构在（0001）面上的投影

从HAP晶体结构在(0001)面的投影可见，Ca(Ⅰ)位于上下两层的6个PO43-四面体之间，与6个PO43+四面体之中的9个角顶上的O2+相连接，配位数为9，这样连接的结果是在整个晶体结构中形成了平行于c轴的较大的通道，通道中的离子易被其他离子替代。附加OH-则与其上下两层的6个c矿组成OH-Ca6配位八面体，角顶的Ca2+则与其临近的4个PO43-中的6个角顶上的O2+ 及OH-相连接，其配位数为7。羟基磷灰石的晶体结构很好的阐明了它以六方柱的晶体出现的原因，如图1.2。

图1.2 磷灰石的晶型

1.2.2 HAP粒子的表面特性

HAP由很多六角柱状的单晶团聚而成，这种柱状晶体的横截面为六边形，平行予晶胞的(a,b)面，称为c表面；围绕柱体轴的六个侧面为矩形，分别平行于晶胞的(b，c)面和(a,c)面，称为a表面和b表面。

T．Kawasaki提出HAP表面主要存在两种吸附位置：当OH一位置位于晶体a表面时，该位置连着两个Ca(Ⅱ)离子。在水溶液中，这个表面的OH一位置至少在某一瞬间空缺，由于两个Ca(Ⅱ)离子带正电，形成一个吸附位置，称为C位置，C 位置能吸附PO43-、大分子上的磷酸根基团或羧基基团。当Ca(I)位置位于晶体的C 表面时，一部分这种位置连着六个带负电荷的O原子，另一部分这种位置连着两个带负电荷的O原子，在水溶液中，表面的Ca(I)位置至少在某一瞬间空缺，连着六个O原子的Ca(I)位置就形成了一个较强的吸附位置，称为P位置，P位置能吸附Sr2+，K+等阳离子以及蛋白质分子上的显正电的基团；而连着两个O原子的Ca(I)位置则形成一个较弱的吸附位置。

另一方面，研究表明：HAP的定势离子是它们的构晶离子及其与水的反应产物，其他的无机物、表面活性剂和聚合物也能影响其界面电荷，但这种二次影响

主要足通过定势离子来决定的。当阳离子决定表面电位时，提高其浓度会使电位提高；反之，当阴离子决定表面电位时，提高其浓度会使电位下降。因此，Ca2+浓度上升可使HAP表面电位提高，带正电荷；PO43-浓度上升，可使表面电位下降，带负电荷；pH值上升，不仅OH一浓度的提高使表面电位下降，而且，水化产物中负离子活度上升，正离子活度下降，使表面电位下降。

1.2.3纳米磷灰石的生物学特性

大量的生物相容性检测表明纳米羟基磷灰石是一种无毒、无刺激、不致过敏性、无致癌作用、无副作用、不致溶血和具有良好生物相容性的生物活性材料，并具有良好的骨传导性能，有报道称其还具有一定的骨诱导性。目前，不少研究者发现纳米羟基磷灰石粒子对多种癌症均具有抑制作用，同时不影响正常细胞的活性。

2.1 纳米磷灰石的制备方法

目前，纳米羟基磷灰石的合成技术已相当成熟，不仅可以制备出高化学纯度和高化学计量比的纳米羟基磷灰石粉体，还可以制备不同晶体形貌的粉体满足不同的应用需求。裁备方法主要有水热法、溶胶一凝胶法、水解法、微乳液法等等。

2.1.1 水热合成法

水热法是最常常见的合成纳米HAP粉体的方法。其基本原理是在较高压力和温度下，将钙盐和磷酸盐在密闭容器的水溶液中反应合成HAP。此法制备纳米晶体有许多优点，如产物直接为晶态，无需煅烧晶化，可以减少在煅烧过程中的团聚，粒度均匀，形态比较规则。目前，比较流行将水热法和其他处理方法结合起来制备纳米HAP。

2.1.2 溶胶凝胶法

其基本原理是将金属醇盐或无机盐经水解，然后使溶质聚合胶化，再将凝胶干燥、焙烧，最后得到纳米HAP粒子。其技术路线如下：