纳米羟基磷灰石的制备及在医学领域的应用.doc

纳米羟基磷灰石的制备及在医学领域的应用_24纳米羟基磷灰石的制备及其在医学领域的应用 漳 州 师 范 学 院化 学 与 环 境 科 学 系 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：Biological nanometer hydroxyapatite ceramics in nature to natural bone and tooth the inorganic mineral composition as the main form. Synthetic nano hydroxyapatite orbital implant material has and natural mineral similar structure、shape、composition、show good biocompatibility and biological activity，widely used in medical field. The paper discusses the nano hydroxyapatite in physical chemistry and its application in medical field of applied discussed in detail and prospected.Keywords: nano hydroxyapatite， medical field， synthesis method and application 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 1.641.65。微溶于纯水，呈弱碱性 (pH = 79)，易溶于酸而难溶于碱。HA是强离子交换剂，分子中Ca2 +易被Cd2 +、Hg2 +等有害金属离子和 Sr2 +、Ba2 +、Pd2 +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 1.671。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=0.943938 nm，c0=0.6880.686 nm，单位晶胞含有10个Ca2+、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Ca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Ca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。6个PO43-四配位体分别位于z=1/4和z=3/4的平面上，这些PO43-四面体的网络使得羟基磷灰石结构具有较好的稳定性，如图12。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个非常重要的课题，引起国内外学者的广泛关注4。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32.2 .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 : D SX290 型 ，杭州仪表电机 有限公司 ; 恒流泵 : Sxl23278 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/ ma x .2500 . PC 型 ，日本 Ri ga k u公司生产 ;红外光谱仪 : Pre sti ge221型 ，美国尼高丽公司 ; 冷冻干燥机 : D55053 型 ，美国西蒙公司 。2.2.3 n-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 . 25 mol/ 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200 mLC( H3PO4)= 0.3 mol/L的磷酸水溶液以1mL / min的速度滴入高速搅拌的 C Ca ( O H ) 2 = 0.25mol/L的500mL氢氧化钙/水悬浊液中，整个反应体系恒温在5055。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-50 的冷冻干燥机中冻干48 h，得到白色的 n-H A。反应方程式 : 10Ca(OH)2+6H3PO4=Ca10 ( PO4 ) 6 (OH) 2+18H2O2.3测试表征3X射线衍射(XRD)测试条件为:铜靶K射线(= 0.154 nm)，管压40 kV，管流 200 mA，扫描速5/ min ，测量范围为1060;傅立叶变换红外光谱:采用溴化钾压片法，分辨率 4cm-1，扫描范围为4004000cm- 1;扫描电镜电子显微镜:将n-HA 粉末喷金处理，在扫描电子显微镜进行观察并拍照。a=700r/minb=1000r/minc=2000r/min图2 不同搅拌熟虑下合成HA的FT-IR谱图图2为不同搅拌速率下合成的HA粉末的FT-IR谱图。3430cm-1处的吸收峰是由氢键缔合的OH-伸缩振动峰，566、604和 1040 cm-1处的强吸收峰源于 PO4 3 -基团振动引起的 ，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 876 cm- 1处的吸收峰是 PO42-造成的，1430 cm-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PO4 3 -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溶解，或发生化学变化而分解成较小的颗粒。这一特性有利于 CHA作为骨组织工程材料在临床上的应用。而在图2中这两个吸收峰非常微弱，表明提高搅拌速率，生成的产物比较纯净。图3 为不同搅拌速率下合成的 HA粉末的XRD谱图。由图3可知，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基本一致，与标准谱图(CPDS 0920432)对照表明生成的产物均为HA。不同搅拌速率下合成 HA 颗粒的平均结晶尺寸可用公式(1)计算 ，结果见表 2。由表2可知，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。2.4 最佳工艺条件下 n-HA的表怔反应温度控制在 5055，搅拌速率为2000 r/min时所得产品冷冻干燥后的 XRD和SEM结果见图4、图 5。图4 n-HA粉体的X射线衍射图从图 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5 n-HA粒子的 SEM 图由图5可以看出采用冷冻干燥法避免了高温煅烧，得到了分散性较好的 n2HA 粉末，直径为2025 nm，长度7580nm ，其分散均匀 ，没有严重的团聚现象。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的抗肿瘤机制纳米 HAP可以作用于细胞膜，可增加细胞液中Ca2+的浓度。当肿瘤细胞外存在 HAP等纳米粒子钙池时，其超强钙摄入能力可导致过多 Ca2+摄入，出现毒性，从而抑制其生长;还可诱导细胞周期阻滞和凋亡，HAP使Bel-7402人肝癌细胞增殖阻滞G1期，阻断细胞周期的进展，导致肿瘤细胞胀亡；对端粒酶活性也有影响，纳米HAP有抑制肿瘤细胞的端粒酶基因的表达，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36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100nm，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2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：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。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