（应用化学专业论文）纳米羟基磷灰石及HAPPMMA聚苯乙烯复合材料的制备与性能研究.pdf

硕l 学f 沦殳 摘要 羟基磷灰石晶体( h a p ) 具有优良的生物活性和生物相容性，作为新型的骨修复 材料，有着十分广阔的应用前景和市场空间；随着研究的深入，羟基磷灰石晶体 的使用范围正在不断扩大，因而对其纯度、粒径和形貌提出了更高的要求。 研究工作采用溶胶凝胶水热法、水热法等化学方法合成纳米羟基磷灰石，分 别得到纯度较高的柱状和微孔状晶体。利用所制的纳米羟基磷灰石晶体，通过悬 浮聚合法制备珠状h a p p m m a 苯乙烯树脂，并考察了其对牛血清蛋白( b s a ) 的吸附性能。 ( 1 ) 以p 2 0 5 ，c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 为原料，无水乙醇为溶剂，通过调节p h 值控 制凝胶的形成，在低温下燃烧羟基磷灰石前驱体，然后水热处理制备柱状纳米羟 基磷灰石晶体。通过x r d 、f t i r 、t e m 、s e m 等手段对其结构、形貌和纯度进行 表征，并分析了柱状结构的形成原因。结果表明：p h 值、燃烧温度及水热处理过 程对羟基磷灰石的形貌及纯度有很大影响，得出最佳合成条件为p h = 1 1 5 ，燃烧 温度为5 0 0 时，经水热处理后得到纯度较高、晶粒尺寸、组分与人骨相似的羟基 磷灰石纳米晶体。该方法充分发挥了溶胶凝胶和水热法的优势，具有制备温度低、 反应速度快、制备效率高以及粉体的纯度高等特点。 ( 2 ) 在没有加入任何造孔剂或模板剂的条件下，在碱性介质中通过水热合成 制备了晶体发育完整，晶体表面孔洞分布均匀的六方柱状纳米羟基磷灰石晶体。 考察了水热温度、时问对晶体结构的影响，分析了孔状结构形成的原因。x r d 和 f t l r 分析结果表明，水热温度为1 2 0 时，得到的羟基磷灰石纯度较低，1 6 0 2 0 0 可得到纯度较高的羟基磷灰石晶体；t e m 结果表明，水热温度为1 6 0 ，溶剂 比为1 ：1 时可得到微孔六方柱状纳米羟基磷灰石晶体，孔径大约为1 2 n m ，孔密 度大约为3 1 0 9 个c m 2 ；溶剂为乙醇时，晶体表现为取向生长，产物为柱状。 ( 3 ) 采用悬浮聚合法制备珠状h a p p m m a 聚苯乙烯复合树脂，并对影响珠 状聚合的参数及其吸附性能进行研究。结果表明：表面活性剂对合格球收率有很 大影响，当表面活性剂的加入量1 时，合格球收率高达8 6 4 ；复合树脂粒径 随搅拌速度增大及羟基磷灰石的用量的增加而减小，随着m m a 用量的增加而增 加；复合树脂中羟基磷灰石的含量受其粒径的影响，粒径越小，羟基磷灰石的含 量越高。 ( 4 ) 通过静态吸附试验，考察h a p p m m a 聚苯乙烯复合树脂对牛血清蛋 白的吸附能力，结果表明：当h a p 的含量为3 0 时，h a p p m m a 一聚苯乙烯复 合树脂的最大吸附量q 。= 1 7 7 0 m g ，相对于未加h a p 时，单位质量的吸附容量 增加了3 6 5 m g 。 纳米羟幕磷灰石及h a p p m m a 聚苯乙烯复合材科的制斋j 件能研究 胶法 关键词：羟基磷灰石，生物材料，吸附树脂，复合材料，水热合成，溶胶凝 n a b s t r a c t h v d r o x y a p a t i t eh a v ew i d e i yf o r e g r o u n da n dm a r k e t a sn e w s t y l e b o n ? a n d d e n o a l 唧l a c e m e n tm a t e r i a ia w i n gt o i t se x c e l l e n tb i o a c t i v i t y ，b i o c o m p a t i b i l i t y w i h h e d e v e l o 岫e n ts c i e n c e a n dt e c h o n l o g y ， t h es e r v i c e a b l er a n g e i s b e i n ge x t e n d e d c o n t i n u a l l y ，h y d r o x y a p a t i t ew i t hh i g hp u r i t y ，s m a l ls i z e a n ds p e c i a lt o p o g r a p h y1 s u r g e n tn e e d i nt h i sp a p e f ，f o d h y d r o x y a p a t i t e a n dm i c r o p o r o u sh y d r o x y a p a t i t ec f y s t a l w a s s v n t h e s i z e dt h r o u g hs 0 1 g e l h y d r o t h e r m a l m e t h o da n dh y d r o t h e r m a lp r o c e s s r e s p e c t i v e l y ；h a p m m a p s tp o l y m e r i ca d s o r b e n t w a ss y n t h e s i z e dv i as u s p e n s l o n p o l y m e r i z a t i o na n ds t u d i e d t h 毛a b s o r b a b i l i t yt ob s a ( 1 ) u s i n gp 2 0 5 ，c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0a sc r u d e m a t e r i a l s ，a b s o l u t ea l c o h o ia ss o l v e n ，h e r e s u l t a n tg e lp r e c u r s o r sw a s0 b t a i n e d b ya d j u s t i n gp h h y d f o x y a p a t i t ew e r ep r e p a r e d b vs o l g e ls y n t h e s i sa n d h y d r o t h e 咖a lt r e a t m e n ta p p r o a c h t h ep h a s ec o m p o s l t l o n a n d m o r p h o l o g yo ft h ec o m b u s t i o np r o d u c t sa n dt h ep o w d e rb yh y d r o t h e f m a l s y n t h e s l s w e r ei n v e s t i g a t e db yx r d ，f t i r a n de l e c t r o nm i c r o s c o p y( s e m ，t e m ) t h e m e c h a n i s mo ft h ep h a s ec f y s t a lf o 珊i n gw a sa n a i y z e d r e s u l t ss h o w t h a t h ep ur i t ) ，a n d t o p o g r a p h y o fh y d r o x y a p a t i t e a r ee f f e c t e db yp h ， c o m b i l s t i o n2 e m p e r a 2 u e a n d h r d r o t h e r m a ip r o c e s s r o d h y d r o x y a p a t i t ew i t hh i g h p u r i t y w a so b t a i n e dt h f o u g 置- h y d r o t h e 咖a lp r o c e s sw h e n t h es a m p l ew h i c hw a ss y n t h e s i z e d a t p h = 1 1 5 a n d c o m b u s t e da t 5 0 0 t h es y n t h e s i sm e t h o di s o fa d v a n t a g e st oh i g hp u n y a n d e f f i c i e n c y ，a n dt h eg e lp r e c u r s o r sc a nc o m b u s ta t1 0 w e rt e m p e r a t u r e f a s t e r l y w h l c h t a k e sa d v a n t a g eo fs 0 1 g e la n d h y d r o t h e 册a lm e t h o df u l l y ( 2 ) m i c r o p o r o u sh y d r o x y a p a t i t ec r y s t a lh a sb e e ns y n t h e s i z e du s i n gc a i c l u m i l i t r a t e a n dp h o s p h o r u so x i d eb yh y d r o t h e 彻a lm e t h o dw i t h o u ta n yp o f e f o 咖i n g m a e n a ia n d t e m p l a t e t h ei n f l u e n c e so fs e v e f a ls y n t h e t i cp a r a m e t e r sh a v eb e e na n a l y z e d 1 no r d e f t oo b t a i nm i c r o p o r o u sm a t e r i a l sw i t hs u r f a c ea r e a sa n dp o r ed e n s i t y a sh l g ha sp o s s l b l e t h ec h a r a c t e f i z a t i o nr e s u l t sf r o mx r d ，f n r ，t g d t aa n dt e m i n d i c a t et h a tt h e p o w d e ra f t e rh y d r o t h e r m a lt r e a t m e n ta t1 6 0 f o t8 he x h i b i t ss i n g l cp h a s e o fh a p a n d s h o wt h a th y d r o x y a p a t i t ec f y s t a li st h eh e x a g o n a l _ d i p y r a m i d a lp h a s ew i t ht h ea v e r a g e d i a m e t e ro f6 0 n ma n d1 0 0 n mi nt h ea v e r a g el e n g t h t h e r ea r em a n ym l c r o p o r e s 【i 2 n m ) i nt h ec f y s t a ip l a n e sw i t h h o l ed e n s i t ya b o u t3 1 0 9 c m z w i t h l h er i s i n g 砸 e t h a n o l ，t h em o f p h o l o g yo fh a p h a sb e e nc h a n g e df r o mh e x a g o n a l - d i p y r a m l d a ls h a p e t o1 0 n gr o d 。 l h 纳米羟堆磷灰石及h a p p m m a 聚苯乙烯复合材料的制箭勺性能研究 ( 3 ) h a p p m m a - p s tp o l y m e r i c a d s o r b e n tw a s s y n t h e s i z e d v i a s u s p e n s i o n p o l y m e f i z a t i o na n dh a sa l s oa n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fs e v e r a ls y n t h e t i cp a r a m e t e r s ( r o t a t es p e e d ，m m ac o n t e n t r a t i o n ，h a pc o n t e n t ，s u r f a c t a n tc o n c e n t r a t i o n ) o np o l y m e r c o m p o s i t i e sa n ds i z e t h er e s u l t s h o w st h a tt h es u “a c t a n th a si n f l u e n c eo ns i z e d i s t r i b u t i o np r o m i n e n t l y ，t h ey i e l do fe l i g i b l eb a l li su pt o8 6 4 w h e nt h es u r f a c t e n ti s 1 ；t h eb a l ls i z eb e c o m el a r g e rw i t ht h ed e c r e a s eo fr o t a t es p e e da n dt h ea m o u n to f h y d r o x y a p a t i t e ，a n dj n c r e a s e sw i t ht h ea u g m e n to fm m a c o n c e n t r a t i o n s t h eb a l ls i z e e f f e c t st h ea m o u n to fh y d r o x y a p a t i t ei np o l y m e r i ca d s o r b e n t ，t h el e s so fb a l ls i z e ，t h e m o r et h ea m o u n t0 fh y d r o x y a p a t i t e ( 4 ) t h ea b s o r b a b i l i t yo fp o i y m e r i ca d s o r b e n tt ob s aw a ss t u d i e dt h r o u g hs t a t i c a d s o r p t i o n ，w h e nt h ec o n t e n to fh a p i s3 0 ，t h ea d s o r p t i o nq u a n t i t yq e = 1 7 7 0 m g ， t h ei n c r e a s i n ga d s o f p t i o nq u a n t i t yi s3 6 5 m g k e yw o f d s ：h a p ，b i o m a t e r i a l ，c o m p o u n dm a t e r i a l ，p o l y m e f i ca d s o r b e n t ，h y d r o t h e r m a l m e t h o d ，s o l g e l l v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得能 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：苏粤行只， 日期：2 0 0 7 年l o 月3 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 涨斯r 份惠 日期：2 0 0 7 年1 0 月3 0r 只期：2 0 0 7 年1 0 月3 0 日 硕 j 学位论文 土上j 一 刖吾 第一章绪论 骨组织缺损修复最理想的材料是天然骨，但因来源有限及存在感染问题，使 其应用受限。目前采用的人造骨材料的机械性能不同于天然骨，生物性能不佳， 修复效果不够理想。不锈钢、钴合金等能损伤与之接触的正常骨组织，其粗糙表 面及释放的有毒离子( 如n i ，c o 等) 能导致过敏和炎症；生物陶瓷尽管能直接与骨 组织接触，但脆性大；高分子生物降解材料，如聚乳酸、聚乙二酸等，虽能在人 体内被逐渐降解，但力学性能不佳【l l 。因此，近二十年来，研究接近或类似于自 然骨成份的无机生物医学材料极其活跃，其中特别值得重视的是与骨组织生物相 容性良好的羟基磷灰石( h y d f o x y a p a t i t e ，简称h a p ) 活性材料的研究和临床应用【引。 早在1 7 9 0 年，w e r n e r 用希腊文字将这种材料名为磷灰石。1 9 2 6 年，b a s s e l t 用 x 射线衍射方法对人骨和牙齿的矿物进行成分分析，认为其无机矿物成分很像磷 灰石；从1 9 3 7 年开始，m c c o n n e l l 发表了大量有关磷灰石复合物晶体化学方面的 文章。1 9 5 8 年，p o s n e r 和他的同事对羟基磷灰石的晶体结构进行了细致地分析。 6 0 年代，w f n e m a n 和m w n e u m a n 等大量报道了羟基磷灰石与钙化的关系。 1 9 6 7 1 9 7 5 年，m o “w a k i 和他的合作者对骨骼和牙釉质用x 射线衍射技术研究了 其中碳酸羟基磷灰石的结晶性和晶格变形。1 9 7 2 年，日本学者成功地合成了羟基 磷石并烧结成陶瓷。不久，美国学者j a r c h o 也成功烧制出羟基磷灰石陶瓷。 1 9 7 4 1 9 7 5 年，a o k i 等发现烧成的羟基磷灰石陶瓷具有很好的生物相容性 我国对羟基磷灰石的研究始于2 0 世纪8 0 年代，武汉工业大学、山东省工业 陶瓷研究设计院、航空航天部6 2 1 研究所、北京市口腔医学研究院、华南理工大 学、上海硅酸盐研究所等单位都成功的研制出羟基磷灰石陶瓷，并进行了许多i 临 床应用研究。 随着人们对羟基磷灰石的结构以及性质的深入了解，其应用领域也在不断的 扩大。人工合成的羟基磷灰石晶体还可以作为荧光材料、生物大分子的色谱分离 剂、催化剂和吸附剂或者制备用于抑制各种肿瘤细胞、病毒生长的药物载体等【3 i 。 1 1 羟基磷灰石晶体简介 人体中骨和牙是由无机材料和有机材料组成，其中无机材料主要是羟基磷灰 石晶体。在骨质中，羟基磷灰石晶体大约占6 0 ，它是一种长度为4 0 6 0 n m ， 直径为1 5 3 n m 的结晶体，主要的基本单元是针状和柱状的羟基磷灰石晶体， 纳米羟l 磷扶t i 及h a p p m m a 聚苯乙烯复、料的制矫1j 。陀能f i j f _ 究 它们或j 芒向卷曲排列，或相互缠结构成多种织构：1 j 州的彩 构形成了骨在纳米尺 i j i 的助能单位，如束状结构和团聚结构适合于承受高强度，而卷曲和疏状交织 结构蜞仃很好的韧性，有利于营养物的传递。爿：齿的的结构类似f 自然骨，但 _ e 【f j 的羟基磷狄笮6 体的含量高达9 7 。 人麓的研究表明【5 7 1 ，羟罐磷狄千滞 体具仃良好的乍! 助相容性和乍物活性，植 入人体厅，对组织无刺激和排斥作川，能。j 骨形成很曲j 的化学结合，在体液的作 j jf 、。，会发生部分降解，游离 钙离了和磷离了，j ：破人体组织吸l 恢和利用，! l kf ；新的组织，从而发挥骨传导作用，也r i j - j 作骨缺损的填允材料，为新骨的形 成提供支架，足理想的硬组织臀代材料。 1 1 1 羟基磷灰石晶体的结构 羟坫磷灰石品体为六方晶系，属p 6 3 m 空问群，j 结构为六方柑：体，与c 轴垂 冉的面足个六边形，a ，b 轴央角为1 2 0 。，晶胞常数a = b = 9 4 3 2 a ，c ：6 8 8 1 a 。单 位品胞含有10 个c a 2 十，6 个p 0 4 和2 个0 h 。，图1 1 是羟皋磷狄石品体结构示意图 【9 1 卜 1 + “t + j ：_ ，j “。1 一j ， f i g 1 2t h em i c r o p o r o u sc h a r a c t e ro fi h es l r u c t u r eo fh y d r o x y a p a l i t ec r y s i a l 糕9 9麓璩俄多一 ，誊。基冢每参 一。淹一麓弑秽，麓一 一蕊溅。糍袋冀娥。k 藏i妒，妒， 硕 ：学位论丈 从图1 1 中可看到0 h 位于晶胞的4 个角上，1 0 个c a 2 + 分别占据2 种位置，4 个c a 2 + 占据c a ( i ) 位置，即z = 0 和z = 1 2 ( 或o 5 ) 位置各2 个，该位置处于6 个o 组 成的c a o 八面体的中心；6 个c a 2 + 处于c a ( i i ) 位置，即z = 1 4 ( 或o 2 5 ) 和z = 3 4 ( 或 o 7 5 ) 位置各有3 个，位置处于3 个o 组成的三配位体中心；6 个p 0 4 四配位体分 别位于z = 1 4 ( 或o 2 5 ) 和z = 3 4 ( 或o 7 5 ) 的平面上，这种结构使得羟基磷灰石晶 体一般以六方柱的晶型出现，并且p o 四面体和c a o 八面体的网络沿六方轴向 形成如图1 2 所示的隧道结构【1 0 l ，使得羟基磷灰石结构具有较好的稳定性。 1 1 2 羟基磷灰石晶体的物理化学性质【1 1 】 ( 1 ) 物理性质 羟基磷灰石晶体的密度为3 1 6 c m 3 ，折射率为1 6 4 1 6 5 ，莫氏硬度为5 ， 热膨胀系数为1 5 1 0 巧k ；致密羟基磷灰石陶瓷的抗压强度约为6 5 0 m p a ，抗拉强 度约为2 5 0 m p a ； ( 2 ) 化学性质 微溶于水，呈弱碱性( p h = 7 9 ) ，易溶于酸，而难溶于碱；c a2 + 容易被c d 2 + 、 h 9 2 + 等有害金属离子和s r “、b a 2 + 重金属离子置换，也容易被f 置换，也可和含有 羟基的氨基酸、蛋白质、有机酸等反应。按照分子式计算羟基磷灰石的c a p 比等 于1 6 7 ，但实际上晶格存在缺陷，h + 、n a + 、m 9 2 + 、c 0 3 2 。等各种离子常嵌入其中， 形成复杂的成分组成。 1 1 3 羟基磷灰石晶体的离子交换及吸附性能 由于羟基磷灰石对金属离子和生物大分子都具有良好的吸附性，近年来，人 们对羟基磷灰石晶体吸附性能做了大量的研究，对其吸附机理的认识也在不断深 入。 1 ) 羟基磷灰石晶体的离子交换性能 羟基磷灰石晶体吸附无机物的机理可以根据其分子结构进行解释，k a w a s a k i t 1 1 2 l 提出羟基磷灰石微晶表面主要存在几种表面状态：当o h 位于晶体表面 时，o h 与2 个c a ( i i ) 离子相连，当羟基磷灰石晶体在水溶液中时，这个表面o h 位 置至少在某一瞬间空缺，由于2 个c a ( i i ) 离子带正电荷，形成了一个吸附位置，这 个位置能吸附p 0 4 或大分子上的磷酸根基团或羧基基团；当c a 离子位于晶体的 表面时，由于c a ( i ) 与6 个带负电荷的o 原子相连，c a ( i i ) 与3 个带负电荷的o 原 子相连，当羟基磷灰石晶体在水溶液中，表面的c a ( i ) 位置在某一瞬间空缺时，就 在c a ( i ) 位置形成较强的吸附位置，能吸附s r “、k + 等阳离子及蛋白质分子台勺基团， 而在c a ( i i ) 位置则形成一个较弱的吸附位置；p 0 4 孓位于晶体的表面时，h 2 0 通过 氢键与p 0 4 3 离子结合。 3 纳米羟桀磷灰z i 及h a p p m m a 聚苯乙烯复合村￥： 的制矫j 件能研究 ( 2 ) 羟基磷灰石晶体的吸附性能 自从羟基磷灰石晶体被t i s e l i u s 【1 3 】等人用于分离蛋白质以来，羟基磷灰石柱色 谱就被认为是生物大分子分离纯化最有效的技术之一，羟基磷灰石晶体和有机物 质的相互结合成为人们研究的热点。人们己经研究了羟基磷灰石晶体对短链有机 物、高分子聚合物1 1 4 1 、唾液蛋白1 15 1 、接触霉素【16 1 、溶解霉素【1 7 1 、蛋白质【1 8 l 等的 吸附。羟基磷灰石晶体与有机物质的作用主要通过表面吸附，k a n d o r i 【1 9 ，2 0 】系统的 研究了羟基磷灰石晶体对蛋白质的吸附，他认为羟基磷灰石晶体对蛋白质的吸附 是一个物理过程，属于伪朗哥缪尔型，吸附过程中静电效应起到重要的作用，吸 附量随着p h 的减小、钙离子浓度的增大和磷酸根离子浓度的降低而增大。而羟基 磷灰石对有些蛋白质( 如人体血清蛋白) 的吸附，是在吸附质和吸附剂都带负电荷 的情况下进行的，此时吸附过程的推动力不再是静电引力，而是嫡，因此蛋白质 的结构重排、水化条件的改变以及电解质的共吸附现象都对吸附产生着重要的作 用。m k r e s a k 【2 1 l 认为，羟基磷灰石晶体吸附小分子有机物时，通过分子末端的官 能团与羟基磷灰石晶体表面的吸附位置结合，分子轴垂直于固体表面；而羟基磷 灰石晶体吸附大分子有机物时，通过侧链官能团与羟基磷灰石晶体表面结合，分 子轴横在羟基磷灰石晶体表面上。如羟基磷灰石晶体吸附鸡蛋白酶时，虽然鸡蛋 白酶带正电荷，羟基磷灰石晶体带负电荷，吸附剂和吸附质的表面电荷相反，但 是当羟基磷灰石晶体表面负电荷减小时，其吸附量和吸附常数都增加，可见静电 力所起的作用很小，吸附由羟基磷灰石晶体表面某种特殊的吸附位置所控制。这 种吸附位置与羟基磷灰石晶体的比表面积及表面结构有关。根据以上大量的实验 研究，得出羟基磷灰石晶体吸附有机物的机理主要有以下几点：物理吸附：羟基 磷灰石晶体表面和吸附质之间主要通过静电相互作用；化学吸附：羟基磷灰石 晶体表面和吸附质之间通过化学键而结合；通过c a “的吸附：c a 2 + 在同样带负电 荷的羟基磷灰石晶体和生物大分子之问起到了桥梁的作用；通过氢键的结合：吸 附质与羟基磷灰石晶格中的p 0 4 3 。或o h 。形成氢键；通过表面反应形成多层结构： 特别是当蛋白质与羟基磷灰石晶体表面反应时。 羟基磷灰石晶体和生物有机物质的作用是个较复杂的过程，但是，为了羟基 磷灰石晶体在医药研和生产，吸收色谱的使用，生物技术以及细胞科学的研究， 传感器和诊断仪器的开发上得到更广阔的应用，人们对这个过程开展了大量的研 究，取得了显著的成果。 1 1 4 羟基磷灰石晶体的生物学性质 ( 1 ) 生物降解性 有关研究表明，羟基磷灰石晶体几乎不溶于水；但是研究发现它有缓慢的降 解性，主要由以下几个原因引起：物理化学的原因：物理化学溶解取决于材料 4 硕 j 学位论文 的溶解产物及所处的p h 环境；随晶界的变化而分解成小颗粒：在人体生理环境 下，多孔羟基磷灰石晶体会发生物理化学溶解，或在晶界等活性较高的区域发生 化学变化而分解成较小的颗粒：生理因素：如晶粒的表面积增大、结晶度的下 降、晶粒尺寸的减小及c 0 2 + 、m 9 2 + 、s r 2 + 等杂质离子的存在都可以加速多孔羟基 磷灰石晶体的降解速度。 有两种细胞也可能参与羟基磷灰石陶瓷的生物降解，即破骨细胞与吞噬细胞。 破骨细胞为体内对活骨组织进行吸收的细胞。其骨吸收过程为【2 2 l ：破骨细胞首先粘 附于骨表面形成个封闭吸收区，细胞内代谢产生c 0 2 ，溶于水中形成h 2 c 0 3 ，电 解后再形成h + 和h c 0 3 。细胞内的h + 通过细胞膜上耗能质子泵( h + k + a t p 酶) 转 移至细胞外封闭的吸收区，形成局部酸性环境，由于h + 的活化作用，c a 2 + 与p 0 4 3 。 的牢固结合被解离。另一方面，体内巨噬细胞的细胞内降解和细胞外降解也对生 物降解产生很大的作用。羟基磷灰石晶体材料降解后释放的钙离子和磷酸根离子 可参与植入区新骨形成，被成骨细胞摄取，构成新骨基质中的无机成分。同时， 释放的钙离子和磷酸根离子还可刺激局部新骨形成，发挥成骨作用。 ( 2 ) 羟基磷灰石晶体的诱导成骨特性 。 羟基磷灰石陶瓷的骨传导性能己经被普遍认可，它的骨诱导性能直到最近才 有实验验证【2 3 2 4 l ，将试样植入体内能够生成骨形成蛋白并且伴随骨髓新骨组织出 现。对羟基磷灰石晶体的生物活性机理，g r o s s ，d u c h e y n e 和j a r c h o l 2 5 2 9 】等曾作过 讨论，认为羟基磷灰石晶体植入机体与邻近骨和体液作用，发生钙、磷等离子交 换，这种交换维持动态平衡，在羟基磷灰石晶体与骨界面产生新的羟基磷灰石晶 体。羟基磷灰石晶体中弥散出钙和磷离子，体液中的钙和磷离子也向羟基磷灰石 晶体表面聚集，在羟基磷灰石晶体表面形成钙、磷离子层并与骨细胞中的蛋白质 分子结合，这样羟基磷灰石晶体与骨就紧密地集合为一个整体。离子交换的不断 进行，影响细胞的增生分化，引起羟基磷灰石晶体表面的骨生长1 3 0 ，3 。 1 2 羟基磷灰石晶体研究现状及发展趋势 羟基磷灰石晶体的研究历史很长，但直到2 0 世纪七十年代，m o r i w a k i 和他的 合作者对骨骼和牙釉质用x 射线衍射技术研究了其中碳酸羟基磷灰石结晶性和晶 格变形之后，世界各国才对羟基磷灰石材料进行广泛的基础研究和临床应用研究 1 2 1 骨生物材料 目前有关羟基磷灰石陶瓷的研究虽然已经取得了很大进步，但是单一组元的 羟基磷灰石粉末由于烧结性能差，导致以单一的羟基磷灰石晶体作为种植体材料 时，仍存在脆性大、力学性能差等缺点，其断裂韧性值( k i c ) 不超过1 0 m p a m “2 ( 天， 然骨为2 1 2m p a m l 2 ) ，在液体环境中其韦伯莫量很低( n = 5 1 2 ) 使它不能用于 5 纳米弪桀磷灰彳i 及h a p p m m a 聚苯乙烯复合材料的制蒉j 件能研究 负重部位长干骨的缺损。为了提高羟基磷灰石晶体的综合力学性能和和可靠性， 人们进行了大量的研究，发展了h a p 陶瓷复合材料、h a p 高分子复合材料、h a p 生物玻璃复合材料、h a p 涂层材料等。 1 2 2 吸附材料 羟基磷灰石晶体是目前分离各类生物分子最常用的液相色谱介质之一1 3 2 l ，在 分离过程中，待分离分子以多种方式吸附于羟基磷灰石晶体表面，即分子以不同 的局部面向羟基磷灰石晶体表面，并以不同方向排列。根据统计力学定律，在这 些不同的吸附配置之间遵从b o l t z m a n n 分布，且能量最稳定状态配置的几率最高， 酸性分子( p i 7 ) 主要吸附于p 位点3 j 。由于 羟基磷灰石晶面具有规则的立体化学结构，可以分辨被吸附分子表面上原子几何 排列的微小差别。因此，羟基磷灰石晶体在d n a 、核苷酸、多肽以及多种蛋白质 的分离中得到广泛的应用。 1 2 3 医药载体 传统的基因传递系统分为病毒载体介导系统和非病毒载体介导系统。病毒载 体介导系统是迄今为止最有效的基因传递工具，但也有能诱导宿主免疫反应、潜 在的致瘤性、装载容量有限、代价高等缺点，其应用受到很大限制；因此，非病 毒型载体的应用受到越来越多重视。大量的生物相容性研究证明：羟基磷灰石晶 体无毒、无刺激、不致过敏反应、不致突变、不致溶血、不破坏生物组织，并且 吸附性强，生物活性好。a ok i l 3 4 l 等人将羟基磷灰石纳米微晶用做药物载体，对其 吸附和释放药物的性能进行了细致的研究。体外动物细胞培养实验证明，粒子大 小为4 0 n m 1 5 n m 1 0 n m 的纳米羟基磷灰石溶液对阿霉素的最大吸附量为 o 1 2 1 m g ；阿霉素和阿霉素羟基磷灰石对癌细胞均有抑制作用，但阿霉素羟基 磷灰石的抑制作用明显优于阿霉素。裹于纳米羟基磷灰石晶粒中获得了具有缓释 功能的药物释放体系。l j n t e m ak 【”j 等将蛋白类药物b s a 包裹于纳米羟基磷灰石 晶粒中获得了具有缓释功能的药物释放体系。 1 3 羟基磷灰石晶体的制备方法 纳米羟基磷灰石晶体的制备方法主要有水热反应法、溶胶凝胶法、燃烧法、 微乳液法、快速共沉淀法、微波固相合成法、气溶胶法、电化学沉积法等。有关 这些方法的文献报道很多，本文只对几种常用的制备方法作以简单介绍。 1 3 1 水热反应法 水热热法是在特制的密闭反应容器中( 聚四氟乙烯反应釜) ，采用水溶液作为反 应介质，在高温高压环境中，使原来难溶或不溶的物质溶解并重结晶的方法。水 6 硕i j 学位论文 热法制备的粉体不仅具有晶粒发育完整、粒度小、分布均匀、颗粒团聚较轻、原 材料便宜及易得到合适的化学计量比和晶型的优点，而且制备的粉体不需锻烧处 理，从而避免引起烧结程中的晶粒长大、缺陷形成及杂质产生，因此，所制得的 粉体具有较高的烧结活性。这种方法通常采用可溶性硝酸钙和磷酸盐为原料，在 碱性介质中，在一定的温度下反应制备。y 曲a ol 等1 3 6 l 采用水热合成工艺在1 4 0 、 o 1 3 m p a 下得到了形态、尺寸、组织和结构上与人骨中无机成分十分相似的纳米 磷灰石晶体；m i n ks 等1 3 7j 以c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 和( n h 4 ) 2 h p 0 4 为原料，采用水热法合 成了平均粒径小于5 0 n m 的羟基磷灰石晶体；李浩莹等1 3 8j 研究发现水热温度1 5 0 、陈化2 0 h 可以获得结晶良好的羟基磷灰石；a n d r e s v e r g e sm 等【3 9 l 利用 c a ( e d t a ) 2 缓慢水解生成沉淀的特性，以c a ( n 0 3 ) 2 ，( n h 4 ) 2 h p 0 4 ，n a 2 e d t a 等为 原料，制备针状纳米羟基磷灰石晶体i 李玉宝等【4 0 l 以二甲基甲酰胺为溶剂，c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 和( n h 4 ) 3 p 0 4 在常压、1 4 0 1 4 5 下处理2 h 可合成平均1 2 n m 9 7 n m 的 羟基磷灰石针状晶体，合成的羟基磷灰石晶体比高压水热法制备的羟基磷灰石晶 体在尺寸、形态上更接近于入骨磷灰石晶体，而且植入后更易降解。 1 3 2 溶胶一凝胶法 溶胶凝胶法是近些年才发展起来的制备羟基磷灰石晶体的新方法，并引起广 泛的关注。与常规制备方法相比，溶胶凝胶技术具有高纯度、高均匀性以及低的 合成温度等优点，可以在分子水平上混合使溶液有高度的化学均匀性，可以得到 无定形、尺寸较小的羟基磷灰石晶体，这些粉体具有粒度小、粒径分布范围窄和 烧结活性高等特点。溶胶凝胶法的基本原理是将起始原料一般为金属无机盐或金 属醇盐( 称为前驱物) ，溶于溶剂( 水或醇) 中形成均匀的溶液，溶质与溶剂发生水解 或醇解反应，生成物聚集成1 n m 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、纤维或薄膜的化学方法。主要 包括水解反应和缩聚反应： m ( o r ) n + x h 2 0 m ( o h ) x ( o r ) n x + x r o h ( 1 ) m o h + o h m m o m + h 2 0 ( 2 ) m - o r + o h - m m - o m + r o h ( 3 ) 溶胶凝胶法制备纳米羟基磷灰石晶体一般以亚磷酸三乙醋或亚磷酸三甲醋 作为磷的前驱体，水解后的亚磷酸醋与钙的前驱体( 一般为硝酸钙、二乙醇钙或醋 酸钙) 缓慢反应形成含c a p 化合键的共聚物。但由于磷酸醋的水解需要较长的时 间，如完全水解则需要几天的时间，目前多以硝酸钙和五氧化二磷以及硝酸钙和 磷酸为前驱体，溶胶凝胶法制备纳米羟基磷灰石晶体。w w e n 4 1 j 等以错酸钙， 五氧化二磷为原料，在碱性条件下得到羟基磷灰石前驱体，5 0 0 下煅烧，得到纳 米级的羟基磷灰石晶体；1 1 s e o kk i m l 4 2 】等以四水硝酸钙，五氧化二磷为原料，氨 7 纳米羟甚磷灰石及h a p p m m a 聚苯乙烯复合材料的制备j 件能研究 水调节p h 值，得到羟基磷灰石前驱体，在9 0 0 热处理1 2 h ，得到粒径为5 0 1 5 0 n m 的纳米羟基磷灰石晶体，工艺流程如图1 3 。 图1 3 溶胶一凝胶法制备纳米羟基磷灰年i 晶体的一i ：艺流程图 f i g 1 3s c h e m a t i cf l o wc h a r ts h o w i n gt h es o l g e lp r o c e d u r ef o l l o w e df o rs y n t h e s i z i n gh a p 1 3 3 自燃烧法 自然烧法是以溶胶一凝胶法为基础，将溶胶凝胶湿化学合成法和自蔓延燃烧 合成法结合合成初级粉末的一种方法，充分发挥了溶胶凝胶工艺各元素在分子级 别混合，凝胶离子活性大等优点，利用硝酸盐与羧酸反应，在低温下可实现原位 氧化，自发燃烧，避免了溶胶凝胶工艺需高温煅烧且煅烧过程中易产生硬团聚而 降低粉末烧结活性的缺点1 4 3 ，“】。更重要的是，反应时原子只需经过短程扩散或重 排即可进入晶格位点，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。因此，自然烧法是一种兼具二者优点、方便适用的超细粉末合成技术，具 有实验操作简单易行、实验周期短、污染少、产物颗粒团聚少等优点。 有研究者【4 5 l 利用推进剂热化学概念，用一种简单的方法计算混合体系的氧化 还原剂的比例，即分别计算两者的总还原价和总氧化价，以此来确定它们的比例。 理论计算中假设硝酸盐分解为n 2 ( 氧化价为0 ) 例如c 为+ 4 价，h 为+ l 价，o 为 2 价，各反应物的总价可以根据上述规则计算。 图1 4 自燃烧法制备羟基磷灰石晶体l ：艺流程图 f i g 1 4t h ef l o w c h a r to fs y n t h e s i z i n gh y d r o x y a p a t i t eb yc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y 8 硕r 学位论文 韩颖超，王欣宇【4 6 ，4 7 1 等人首次采用自然烧法研究了纳米级羟基磷灰石晶体的 制备，合成了分布比较均匀，平均粒径为8 5 n m 的羟基磷灰石晶体，工艺流程如图 1 4 ；并进一步对自然烧法制备纳米羟基磷灰石晶体的机理进行了初步探讨，以 及对影响该工艺的主要因素( 溶液中的水含量、溶液的p h 值、柠檬酸的量及加热 和烧成温度) 做了讨论。他们认为，自然烧法制备纳米羟基磷灰石晶体的反应原 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，氧化还原反应机理是在粉末生成过程中起作用。试样经差热和热重分析，整 个过程可能主要发生了以下反应： c 6 h 8 0 7 + c a z + = c 6 h 6 0 7 c a + 2 h + ( 络合机理) 5 c 6 h 6 0 7 c a + 1 8 n o 。+ 1 8 h + = 3 0 c 0 2 + 9 n 2 + 2 4 h 2 0 + 5 c a o ( 氧化还原机理) 9 c a ( n 0 3 ) 2 + 5 c 6 h 8 0 7 = 3 0 c 0 2 + 9 n 2 + 2 0 h 2 0 + 9 c a o ( 氧化还原机理) 。 3 9 0 2 ( n h 4 ) 2 h p 0 4 ，卜4 n h 3 + p 2 0 5 + 3 h 2 0 3 9 0 2 c a o + p 2 0 5 - i 卜b c a 2 p 2 0 7 4 5 0 8 - c a 2 p 2 0 7 _ i 卜丫- c a 2 p 2 0 7 4 5 0 2 丫- c a 2 p 2 0 7 + 2 c 6 h 6 0 7 c a j i - c a h 2 p 2 0 7 + 4 c 2 c a + 4 c 0 2 + 4 h 2 0 + 0 2 4 c 2 c a + 0 2 嗥2 c a c 0 3 2 c 0 24 c 2 c a + 0 2 2 c a c 0 3 + 2 c 0 2 7 5 0 c a o + 3 c a h 2 p 2 0 7 - 卜c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 + 2 h 2 0 1 3 4 微乳液法 图1 5 微乳液颗粒示意图 f i g - l 5t h ep a r l i c l e0 fm i c r o e m u l s i o n 微乳液法通常是由表面活性剂、助表面活性剂(