纳米羟基磷灰石的制备及其在生物医学方面的应用

1
2+ （ PO 4 ） 6 （ OH ） 2 ， 2、 3 价 离 子 和 REE 3 + 替 换；（ PO 4 ） 3 － 位 置 （ X 其中 Ca （ Ca Ⅰ 和 Ca Ⅱ ） 位置（ A 位 ） 易 被 1 、
位） 易被（ AsO 4 ）
Cl － 、 Br － 、 I－、 O2 － 、 （ CO 3 ） 2 － 替代 。 A 、 X、 Z 还能 相 互 耦 合 替 代［3 ］。 HAp 的 结 构 为 六 角 柱 体， 与 c 轴垂直 a、 b 轴的 夹 角 为 120° ， c = 0. 6882nm ， Ca / P 原 子 比 为 的面是一个六边形， 晶 格 参 数 为 a = b = 0. 9421nm 、 1. 67 ， 属于硝酸钙（ TCP ） 陶瓷中的一种生物活性材料 。
* 中国科学院院士 200909 29 收稿， 2009 12 17 接受
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燃烧法 、 微乳液法 、 微波法等最新的制备方法 。
2. 1
水热反应法
水热反应是高温高压下， 在水（ 水溶液） 或蒸气等流体中进行有关化学反应的总称 。 水热法的特点
［ 14 ］ ［ 14 ］
。
采用自燃烧法制备了 纳 米 级 HAp 粉 末 。 按 照 n （ Ca ） ： n （ P ） = 1. 67 称 取 一 定 量 的 Ca
（ NO 3 ） 2 ·4H 2 O 、 （ NH 4 ） 2 HPO 4 和与 Ca 2 + 等摩尔量的柠檬酸， 分别用蒸馏水溶解混合， 调节其 pH 在 3 左 80℃ 加热蒸发， 右， 几小时 后 凝 胶 形 成 。 然 后 在 200℃ 的 电 炉 中 燃 烧， 最 后 经 750℃ 煅 烧 保 温 1h 得 到 HAp 粉末 。 所得 HAp 粉末分布比较均匀， 平均粒径为 85nm 。 他们认为自燃烧法制备纳米 HAp 粉末的 机理主要是络合物机理和氧化还原反应机理， 络合物机理主要在凝胶生成过程中起作用， 氧化还原反应 机理则是在粉末生成过程中起作用 。 他 们 还 对 影 响 该 工 艺 的 主 要 因 素 （ 溶 液 中 的 含 水 量 、 溶 液 的 pH 、 柠檬酸的量及加热和烧成温度） 进行了讨论 。
（ 1 Institute of Chemistry ，Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100190 ；
2
Graduate University of Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100049 ）
The Preparation and structure of hydroxyapatite bioceramic are briefly introduced in this paper.
［ 1］ 羟基磷灰石（ Hydroxyapatite ，简写 为 HAp 或 HA ） 是 人 体 和 动 物 骨 骼 的 无 机 组 成 部 分 。 在 骨 质
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HAp 的特性
Trueman 等［2 ］研究发现， HAp 与氟磷灰石具有同样的结构：六方晶系， 空间群 P6 3 / m ， 分子式为 Ca 10
同时， 介绍了纳米羟基磷灰石在生物医学方面的主要应用 。 文中， 还报道了笔者实验室最近取得的一些结果 。
Hydroxyapatite and its Application in Biomedicine ： Preparation and Structure
2 Bi Rongrong 1 ， ，Ding Haitao 1 ，Wan Lijun 1 *
2. 3
沉淀法
沉淀法是制备 HAp 粉体的典型方法之一， 这种方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 。 沉淀法制备超微颗粒主要分为直接沉淀 法 、 共 沉 淀 法、 均 相 沉 淀 法、 化合物沉 淀法 、 水解沉淀法等多种 。 Choi 等［11 ］使用直接沉淀法制备 HAp ， 他们发现 NaOH 的加入量对于 HAp 的相态稳定有很大 的 影 HAp 在 1200℃ 仍 然 保 持 稳 定， 当 NaOH 的 加 入 量 小 于 化 学 配 比 响 。 当按照化学配量比加入 NaOH 时， HAp 在 600℃ 时转化为 β 相 。 时， Ito 等［12 ］使用 CaH 2 PO 4 水解沉淀法制备 HAp ， 通过改变水解的条件得到了 不 同 形 态 的 HAp 。 研 究 发现水解的 pH 对于 HAp 最终的形貌有很大的影响， 当水解 pH 为 11 ～ 13 时， 制备得到的 HAp 为针状
是： 在特制的密闭反应器（ 高压釜） 内， 水溶液为反应介质， 在高温高压环境中， 不受沸点的限制， 可以使 介质的温度上升到 200 ～ 400℃ ， 使原来难溶或不溶的物质溶解并重新结晶 。 这种方法可以用来制备羟 基磷灰石粉体 、 羟基磷灰石晶须以及羟基磷灰石涂层 。 廖其龙等
［ 4］
采用碳酸钙和磷酸氢钙的 混 合 物 作 为 前 驱 物， 按 钙 磷 比 Ca / P = 1. 67 的 比 例 混 合 后 放
2. 4
自燃烧法
自燃烧法以溶胶 -凝胶法为基础， 利用硝酸盐与羧酸反应， 在低温下即可实现原位氧化， 自发燃烧快
大大缩短制备周期 。 此法操作简单易 行 、 周 期 短、 节 省 时 间 和 能 源。更 重 要 的 速合成产物的初级粉末， 是， 反应物在合成过程中处于高度均匀分散状态， 反应时原子只需经过短程扩散或重排即可进入晶格位 点， 加之反应速度快， 前驱体的分解和化合物的形成温度又很低， 使 得 产 物 粒 径 小， 分 布 比 较 均 匀， 因而 特别适于纳米材料的合成 韩颖超等
2+ 与含有 Ca 的溶液（ pH = 8. 4 的 CaCO 3 / HNO 3 溶 液 ） 混 合 。 将 混 合 溶 液 的 pH 调 节 到 11 。 搅 拌 1h 以
在 80℃ 干燥， 得到干燥的凝胶， 在 110℃ 温度 下 继 续 干 燥 5h 。 经 过 300℃ 热 处 理 以 后， 得 到 六 角 形、 后， 粒径为 50 ～ 100nm 的 HAp 。 这种方法能够在较低的温度下只经过一个热处理就得到 HAp 。
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进展评述
羟基磷灰石约占 60% ， 表现为长度在 20 ～ 40nm 、 厚 度 为 1. 5 ～ 3nm 的 针 状 结 晶， 其周围规则地排列 中， 着骨胶原纤维 。 牙齿骨的结构也类 似 于 自 然 骨， 但 齿 骨 中 羟 基 磷 灰 石 的 含 量 高 达 97% 。 另 一 方 面， 人 工合成的羟基磷灰石具有无毒 、 安全 、 良好的生物活性和生物相容性的特点， 能与骨骼很好地结合， 且在 体液作用下， 会发生部分降解， 游离出钙和磷， 并被人体组织吸收 、 利用 、 生长出新的组织， 从而产生骨传 因此引起了全世界材料工作者和医学工作者的广泛关注 。 目前 羟 基 磷 灰 石 已 被 临 床 用 做 相 容 导作用， 性骨缺损的修复和填充整形的骨材料 。 本文综合了国内外有关文献， 重点介绍了羟基磷灰石的制备方 法及其在生物医学方面的应用 。
一般是金属无机盐或金属醇盐（ 称为前驱物） ， 溶于溶剂（ 水或醇） 中形成均匀的溶液， 溶质与溶剂发 料， 生水解或醇解反应， 生成物聚集成 1nm 左 右 的 粒 子， 形 成 均 匀 的 溶 胶， 经 过 干 燥 或 脱 水 转 化 成 凝 胶， 再 经过热处理得到所需要的超细粉体 、 纤维或薄膜 。
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束取向排列， 而当水解 pH 为 9 ～ 10 时， 制备得到的 HAp 为较长的纤维状 。 Tao 等［13 ］分别用琥珀酸乙基己酸磺酸钙（ Ca （ AOT ） 2 ） 和 Na 2 HPO 4 为 钙 源 和 磷 源， 由均相沉淀法制 用六亚甲基四胺 （ HMT ） 调 节 pH 。 HMT 水 解 释 放 的 备得到粒径在几毫米的单晶 HAp 。 在反应过程中， OH － 能够利于 HAp 成核， Ca （ AOT ） 2 的存在使得溶液中 Ca 2 + 浓度不会太高， 有利于 HAp 的生长 。
［ 5］ ［ 6］ 但是， 使用水热法制备 HAp 难以控制其形貌 。 Lak 等 在使用水热法 合 成 HAp 的 过 程 中， 向其
HAp 晶粒自组装成具有蒲公英三维立体结构的纳米颗粒， 中加入乙二胺四乙酸（ EDTA ） 作为络合剂， 颗 粒的直径大约为 125nm 。
2. 2
溶胶 凝胶法
溶胶 -凝胶法是 20 世纪 60 年代发展起来的一种制备无机材料的新工艺 。 其基本原理是：将起始原
加入蒸馏水， 在指定温度下恒温不同时间（ 2 ～ 24h ） 进行水热反应， 得到晶粒尺寸和组分与 入高压釜内， 人骨相似的含碳 HAp 纳米晶体 。 合成的适宜温度为 200℃ ， 时间为 8h ， 此时所得 HAp 晶体是端面为正 晶粒发育更完整 、 粒度更大 。 六边形的柱状或针状晶体 。 随水热合成温度的提高和时间的延长，
［ 7］ 溶胶 -凝胶法用于制备 HAp 的研究始 于 增 田 喜 男 等 的 研 究， 他们把乙醇钙和亚磷酸三乙酯加入
乙二醇 、 乙醇 、 水和醋酸中使之水解成凝胶沉淀， 再经干燥 、 煅烧后形成 HAp ， 根据体系的 pH 的不同， 最 终产物中的物相有所不同 。 袁媛等
［ 8］
以四水硝酸钙和磷酸三甲酯为原料， 水和无水乙醇为溶剂， 用氨水调节 pH ， 然后将其置于
3－ － 、 （ SO 4 ） 2 － 、 （ VO 4 ） 3 － 、 （ SiO 4 ） 4 － 、 （ CO 3 ） 2 － 替 换； OH － 位 置 （ Z 位， 通道离子） 易被 F 、
纳米 HAp 的制备
制备纳米 HAp 的方法有很多， 主要有水热反应法 、 溶胶 -凝胶法 、 沉淀法等比较常见的方法， 以及自
80℃ 水浴中搅拌形成稳定的溶胶， 将形成的溶胶移至烘箱中， 在 恒 定 的 温 度 下 干 燥， 待水分完全蒸干形 成干凝胶 。 将干凝胶在玛瑙研钵中研碎， 然后放于马弗炉中， 在一定 的 温 度 下， 干凝胶燃烧直接生成白 色的粉末， 将粉末在 600℃ 焙烧 3h 即可得到纳米 HAp 粉末 。 Bose 等［9 ］使用 Ca （ NO 3 ） 2 ·4H 2 O 和（ NH 4 ） 2 HPO 4 为 前 驱 体， 把 它 们 溶 解 到 H 2 O 中， 向其中加入蔗 80℃ 陈化 2h ， 糖作为凝胶剂， 调节 pH 到 1 ， 在 200℃ 蒸发溶剂得到凝胶， 得到的凝胶在 150℃ 加热一段时 得到 HAp 粉末前驱体；前驱体在 850℃ 灼烧得到了具有介孔结构的 HAp 。 用这种 间后在 400℃ 热处理， 方法得到的 HAp 粒径大约 30 ～ 50nm ， 由于具有介孔结构， 得到的 HAp 有非常大的比表面积 。 Velu 等［10 ］将 （ NH 4 ） 2 HPO 4 溶到水中并调节 pH 到 10. 4 ， 然后加入藻酸 作 为 络 合 剂， 搅拌均匀以后
Various methods for preparing nanometer-scale hydroxyapatite and its possible applications in biomedicine are summarized. Meanwhile ，the parts of new results obtained by author ’ s laboratory are introduced ，too. Keywords Hydroxyapatite ，Preparation ，Structure ，Biomedicine
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摘 要 关键词 Abstract
纳米羟基磷灰石的制备及其在生物医学方面的应用
毕荣荣
（ 1 中国科学院化学研究所 1， 2
丁海涛
100190 ；
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1
万立骏
1* 北京 100049 ）
北京
中国科学院研究生院
简要介绍了羟基磷灰石生物陶瓷的晶体结构和性质， 综合论述了纳米羟基磷灰石的制备方法， 羟基磷灰石 制备方法 结构 生物医学