纳米羟基磷灰石的制备及其在医学领域的应用.docx

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纳米羟基磷灰石的制备及其在医学领域的应用

纳米羟基磷灰石的制备及其在医学领域的应用

纳米羟基磷灰石的制备及

其在医学领域的应用

师范学院学与环境科学系

08科学教育

摘要:

生物陶瓷纳米羟基磷灰石在自然界中以自然骨、牙中的无机矿物成分

为主要形式。

人工合成的纳米羟基磷灰石材料具有与自然矿物相似的结构、

形态、成分，表现出良好的生物相容性和生物活性，广泛应用于医学领

域。

本文综合论述了纳米羟基磷灰石在物理化学方面的应用并对其在医学

领域的应用进行了详细的论述和展望。

关键词：

纳米羟基磷灰石、医学领域、合成方法及应用

Abstract:

Biologica1nanometerhydroxyapatiteceramicsin

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Keywords:

nanohydroxyapatite,medicalfie1d,methodandapp1ication

1.n-HA简介

羟基磷灰石的化学式为

Ca10（PO4）6（OH）2，简称HA,属六方

晶系，晶格参数为a=b=0.9421nm、c=0.6882nm。

密度为3.16g/cm3,性脆，折射率是1.64〜1.65。

微溶于纯水，呈弱碱性（pH=7~9），易溶于酸而难溶于碱。

HA是强离子交换剂，分子中Ca2+易被Cd

2"、Hg2+等有害金属离子和Sr2+、Ba27Pd2"等重金属置换，还可与含羧基（COOH）的氨基酸、蛋白质、有机酸等交换反应。

按照分子式计算

HA的理论Ca/P值为1.67[1]。

羟基磷灰石晶体为六方晶系，属L6PC

对称型和P63/m空间群，其结构为六角柱体，与C轴垂直的面是一个六

边形，a、b轴夹角120°,晶胞参数a0=O.943~938nm,c0=0.688~0.686nm,单位晶胞含有10个Ca+、6个PO43-和2个OH"。

其中OH"位于晶胞

的4个角上，10个Ca2+分别占据2种位置，4个Ca2+占据Cal位置，即z=0和z=1/2位置各2个，该位置处于6个O组成的Ca-O八面体的中心。

6个Ca2+处于Can位置，即z=1/4和z=3/4位置各有3个，位置处于3个O

组成的三配位体中心。

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羟基磷灰石（Hydroxyapatite,HA）是动物和人体骨骼的要无机矿物

成分具有良好的生物活性和生物相容性。

当羟基磷灰石的尺寸达到纳米级时将现出一系列的独特性能，如具有较高的降解和可吸收性。

研究表明：

超细羟基磷灰石颗粒对多种癌细胞的生长具有抑制作用，而对正常细胞无影

响。

因此纳米羟基磷灰石的制备方法及应用研究已成为生物医学领域中一

2.纳米羟基磷灰石的合成

2.1合成方法简介：

纳米羟基磷灰石的制备方法纳米羟基磷灰石的制备方法有许多种，通

常可分为湿法和干法。

湿法包括沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法、超声波合

成法及微乳液法等。

干法为固态反应法等［2］。

2.2纳米HA的制备［3］

2.2.1实验药品

磷酸：

北京化工厂；氢氧化钙：

上海凌峰化学试剂有限公司；溴化钾乙醇：

北京化工厂。

以上均为分析纯。

2.2.2实验仪器

数显电动搅拌机：

DSX290型，杭州仪表电机有限公司；恒流泵：

Sx123278型，金坛市金城国胜实验仪器厂；

透射电子显微镜：

HITACHI2800型，日本日立公司生产；

X射线衍射仪：

D/max.2500.PC型，日本Rigaku公司生产；

红外光谱仪：

Prestige221型，美国尼高丽公司；冷冻干燥机：

D55053型，美国西蒙公司。

2.2.3n-HA制备

称取一定量的Ca（OH）2加入到500mL蒸馏水中，用搅拌器强

烈搅拌使之混合均匀直至Ca（OH）2在蒸馏水中不团聚，而呈更细小颗粒分布，形成0.25mol/L石灰水悬浮液。

设定反应体系n（Ca）:

n（P）>1.67的情况下，用恒流泵将200mLC（H3PO4）=0.3

min的速度滴入高速搅拌的Cea（0H）2=0.

mol/L的磷酸水溶液以1mL/

25m01/L的500mL氢氧化钙冰悬浊液中，整个反应体系恒温在50~55C。

反应中控制加料速度以维持一定的pH值，待全部滴加完毕后再恒温

搅拌10h,然后将反应液的温度降至室温陈化12h。

将白色胶状沉淀过滤后用去离子水洗涤3次完全除去残留的可溶性杂质（PO43-和Ca2+等）,过滤后在-50C的冷冻干燥机中冻干48h,得到白色的n-HA。

反应方程式：

10Ca（OH）2+6H3PO4=C航（PO4）6（OH）2+18H2O

2.3测试表征「3]

X射线衍射（XRD）测试条件为：

铜靶Ka射线（入二0.154nm）,管压40

kV,管流200mA，扫描速5°/min，测量范围为10°〜60°;傅

显微镜进行观察并拍照。

振动引起的，而吸收峰的强度非常强。

1630和3640cm-1附近的吸收峰

归属于HA表面吸附的水引起的，这可能是由于纳米HA表面容易吸收空气中的水分。

值得注意的是，图2（a）（b）中876cm-1处的吸收峰是PO

42-造成的，1430cm-1附近出现了CO32「的吸收峰，表明CO32-进入了HA

晶格，取代了HA晶格中的PO43-基团，但含量很少天然骨中的无机组

分HA晶体是含有CO32-的碳酸盐磷灰石（CHA），这说明实验中制得的HA

纳米晶体与人骨的组分更为相似。

有研究发现晶格中CO32-离子对HA颗

粒具有加速生物降解的作用，使HA材料在人体生理环境下会发生物理化学

表明提高搅拌速率，生成的产物比较纯净。

知，不同搅拌速率合成的HA的衍

射图谱在衍射峰的位置和数量上

算，结果见表2。

由表2可知，搅拌速率V1000r/min时生成的HA粒子不是纳米粒

子，当搅拌速率＞1000r/min时，HA颗粒的结晶尺寸随搅拌速率的增大而

减小，表明晶体在较高的搅拌速度下成核速率快，核生长速度慢，晶核的粒度

小，结晶多。

反之，搅拌速率低，晶体的粒度变大。

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2.4最佳工艺条件下n—HA的表怔

反应温度控制在50〜55C，搅拌速率为2000r/min时所得产品冷冻干

燥后的XRD和SEM结果见图4、图5。

从图4可以看出各衍射峰已经基本没有重叠现象，衍射峰变得较为尖锐，峰形较强，也没有其它杂质的衍射峰出现。

这说明此时粉体的结晶程度

已经很高，晶型也很完善。

图5n-HA粒子

3.纳米羟基磷灰石的应用[4]

3.1纳米羟基磷灰石作为药物载体

HAP粒子有良好的组织相容性、无毒、无免疫原性比表面积大，生

物粘附性强且能结合和传递大分子药物吸附药物量大，具备了药物载体的

基本要求。

羟基磷灰石作为药物载体系统能提高药物在生物膜中的透过性有利于药物透皮吸收并发挥在细胞内的药效。

纳米羟基磷灰石作为药物载

体十分安全，因为其与人或动物的骨骼、牙齿成分相同，且不为胃肠液所解,在释放药物后可降解吸收或全部随粪便排出，此外，纳米羟基磷灰石在生成过程中很方便引入放射性元素，可用于癌细胞的灭活。

3.2纳米HAP的抗肿瘤机制

当肿瘤细

Ca2+

纳米HAP可以作用于细胞膜，可增加细胞液中Ca^的浓度。

胞外存在HAP等纳米粒子钙池时，其超强钙摄入能力可导致过多

的表达，下调端粒酶活性的作用。

3.3作为硬组织修复材料纳米

HAP—高分子复合材料通过对天然硬组织的模仿，成功地解决了常

规HAP生物陶瓷抗弯强度低、脆性大、在生理环境下抗疲劳性不好等临

床应用中遇到的问题，因此在硬组织修复领域有着广阔的应用前景。

3.4纳米羟基磷灰石与天然高分子材料的生物复合

纳米羟基磷灰石/天然高分子复合生物材料，包括纳米羟基磷灰石

与胶原、骨形态发生蛋白、多糖类材料进行的复合，因各天然高分子材料的特性不同，复合而成的生物材料也具有各自的特点。

黄永辉等指出纳米羟基磷灰石-胶原骨具有良好的生物相容性，是安全的新型骨缺损填充材料。

纳米人工骨材料植入骨缺损3〜6个月可形成骨性连接,6〜12个月骨结构塑形改建，且局部无不良反应。

3.5纳米羟基磷灰石与人工高分子材料的生物复合

纳米羟基磷灰石还可与多种人工高分子生物材料进行复合。

研究较多

的人工高分子生物材料有：

聚酰胺、聚酯、聚乙烯、丙烯酸酯类、聚乙烯醇、硅橡胶等。

结合非天然人工高分子生物材料的特点，使之与纳米羟基磷灰石的复合物具有更优良的性能与广泛的应用。

王群波探讨纳米羟基磷灰石-聚酰胺66（n-HA/PA66）复合人工椎体在

脊柱结核中的应用价值。

纳米羟基磷灰石复合人工椎体呈中空，可使用切除的肋骨或人工骨充填其内，无需自体髂骨取骨，避免了供骨部并发症的发生。

纳米羟基磷灰石复合人工椎体具有良好的生物相容性及生物安全性有骨引导和骨诱导作用，无细胞毒性，不存在受体与供体之间传播疾病,无免疫排斥反应；使用方便，椎体长度可按需截取，植入后融合率高，费用低廉，是一种比较理想的椎体植骨替代材料。

4纳米羟基磷灰石的单独应用

4.1物理性质方面应用[5]

纳米羟基磷灰石根据其物理性质主要在牙膏上的应用。

以纳米羟基磷灰石为基体掺入活性微量元素锶（Sr），其粒子尺寸小于lOOnm,具有纳米粒子所特有的小尺寸效应、表面或界面效应等。

由于掺入了锶元素，使纳米掺锶羟基磷灰石兼备纳米羟基磷灰石和锶的双重活性，将其应用于牙膏将比纳米羟基磷灰石具有更好的生物相容性和功效作用。

功效主要体现在:

（1）吸附及抑菌作用。

抑制牙菌斑，预防龋齿。

（2）双重脱敏作用，有效防止牙本质过敏。

（3）再矿化及美白作用，修复受损牙釉质，恢复牙齿自然光泽。

5.结论和展望⑵

纳米羟基磷灰石作为一种新型的生物医用材料，对其制备方法的研究

已取得较快的发展，但各种制备方法的工业化大生产还面临着许多困难，首

要解决的问题是如何在低成本下制备大批高质量的纳米粉体。

到目前为止要想获得“理想粉体”（即同时满足组分均匀、颗粒细、粒径分布窄、无团聚、比表面积大等苛刻条件）依然十分困难；更重要的是，虽然制备其中

某种特性或几种特性比较突出的高质量的纳米粉体并不太难，但其成本往

往比较高。

因此，工业化低成本制备设备的研发将是下一阶段的研究重点。

在此基础上，进一步研究制备过程中纳米粉体的形成、生长机制及各种条件的影响。

此外，为了解决该材料脆性大、强度低、力学性能差的问题,可通过以下两个途径：

①制备力学性能更佳的致密羟基磷灰石陶瓷及纳米羟基磷灰石复合材料。

②将纳米羟基磷灰石作为涂层材料使用，制备纳米羟基磷灰石涂层生物复合材料，例如羟基磷灰石涂层钛合金材料及羟基磷灰石涂层碳/碳复合材料等。

参考文献:

[1]、高辉、张光磊、任书霞《HA生物陶瓷的研究现状及其在医学工程中

[2卜李颖华、曹丽云、黄剑锋、曾燮榕生物《生物医用纳米羟基磷灰石

的性质及其制备》

中国组织工程研究与临床康复2008-10-07第12卷第

41期

征》

化工科技，2010,18（6）:

13~16

[4卜田家明、张波、李苏、闫清丽《纳米羟基磷灰石在生物医学领域

[5]、林英光、李伟、李毅苹、程江、杨卓如《纳米掺锶羟基磷灰石及

其在牙膏中的应用研究》牙膏工业2005年第4期