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纳米羟基磷灰石生物材料研究进展 【摘要】： 哺乳动物骨和齿的主要无机成分是羟基磷灰石,而人工合成的纳米羟基磷灰石既有纳米材料的特性也具有羟基磷灰石的性质(良好的生物活性和生物相容性,且无毒副作用等),被广泛应用在骨修复和药物载体等领域。本文介绍了纳米羟基磷灰石的形貌特点、合成方法以及在生物医学材料领域的进展及应用。【关键词】： 纳米羟基磷灰石 生物材料 制备方法 进展1 前言纳米微粒的直径是十万分之一米，是处于原子团族和宏观物体交接区域内的微粒，由于具有大的比表面积，其表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加，表现出了小尺寸效应、表面效应及很强的吸附性和生物活性，一般比生物体内的细胞小，这就为生物医用材料研究提供了一个新的研究途径，即利用纳米微粒所具有的特性制成特殊药物、新型抗体或材料进行局部治疗羟基磷灰石因其化学成分和晶体结构与人体骨骼组织的主要无机矿物成分基本相同，引入人体后不会产生排异反应，故其作为骨修复替代材料在国内外的临床应用历史已有几十年。并已被动物实验及临床研究证实具有无毒、无刺激性、良好的生物活性、良好的生物相容性和骨传导性、较高的机械强度及化学性质稳定等特点，是较好的生物材料。但因羟基磷灰石的颗粒和脆性较大、缺乏可塑性、体内降解缓慢、生物力学强度和抗疲劳破坏强度较低，难于被机体完全替代、利用，使其临床应用受到限制。近年来，随着纳米知识与技术的不断发展，人们发现人体骨骼中的羟基磷灰石主要是纳米级针状单晶体结构。纳米级的羟基磷灰石与人体内组织成分更为相似，具有更好的生物学性能。所以，纳米羟基磷灰石生物材料的研究受到了越来越多的关注。2 正文1. nHA的特点和制备1.1 nHA的特点化学合成的普通HA是多晶体，其大小、形状、结构、成分类似人体内生物矿化生成的HA，但二者仍有所不同。人体内的HA晶体是不规则形状，平均宽度50runx25nm，厚度2一3run。从生物学角度讲，合成的HA晶体与人体内HA越相似，骨结合和骨诱导性越好。纳米微粒的大小为1一100nm，由于其尺寸小，比表面积(specifiCsul.ce，SSA)大，表面能高，因而具有很高活性。纳米材料与普通HA比在物理、化学、力学、扩散及烧结性能上都有显著变化。因此，纳米HA引起国内外学者的关注，不少研究致力于纳米HA的制备工作及探索与人体HA更为匹配的纳米HA合成条件。1.2 nHA的制备方法1.2.1溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶,然后使溶质聚合凝胶化,再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分,最后得到无机材料.其优点是在低黏度的液体状态下混合原料,实现原子或分子级的均质化.它能严格控制化学计量比、工艺简单、烧结温度低、产物粒径小且分布均匀.Kuriakose等在85时将pH 10.5的0.5 mol/ L Ca(NO3)24H2O乙醇溶液以5 mL/min的滴加速度加入到5 mol/ L (NH4)2HPO4水溶液中,同时在溶胶-凝胶里面加入Ca(OH)2溶液,保持体系pH值为10,快速搅拌反应4 h后,将产品放入到40烘箱中过夜,得到的凝胶依次在400、750、1 200烧结2h后得到半径为1.3 nm的纳米晶.邢瑞敏等以CaCl2和P2O5为原材料,按Ca/P = 1.67 (摩尔比)分别配置CaCl2和P2O5的乙醇溶液,然后把P2O5醇溶液缓缓滴加到CaCl2的醇溶液中并搅拌30 min,得到无色透明的溶胶,把所制AAO模板浸入该溶胶中60 min后取出,真空干燥24 h,将之放于马弗炉中缓慢升温至600,恒温5 h,自然冷却至室温,制备的羟基磷灰石纳米线直径约为50 nm、长度达20m.黄龙全等将0.25 mol CaO研磨成细小粉末过300目筛,加入到450 mL蒸馏水中,充分搅拌.将0.15 mol的H3PO4用50 mL蒸馏水稀释后用滴定管慢慢滴加到溶有CaO的烧杯中,边滴加边用磁力搅拌器搅拌,直到烧杯底部的CaO全部溶解,形成白色的HA溶胶.抽吸过滤后分别用蒸馏水、无水乙醇对所得胶体洗涤3次,然后在温度90下烘干得到粉体,最后在890温度下煅烧2.5 h得到羟基磷灰石粉体,颗粒直径为30 nm.1.2.2水热法水热法是在特制的密闭反应容器里,采用水溶液作为反应介质,在高温高压环境中,使得通常难溶或不溶的物质溶解后再重结晶的一种方法.它可直接得到结晶良好的粉体,无需做高温灼烧处理,避免了粉体的硬团聚和结构缺陷.Wang等将0.024 mol的K2HPO43H2O和0.024 mol的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)加入到100 mL去离子水中,加热到50溶解,加入1 mol/ L的KOH来调整体系pH值为12,搅拌2 h,同时,把60 mL 0.04 mol CaCl2的溶液慢慢加入到上述体系,搅拌后将悬浮液加到高压反应釜中分别在120和150温度下反应1224 h,得到长径比不同的纳米棒. Zhang等将2 mmol Ca(NO3)24H2O, 0.2 gCTAB,用适量去离子水溶解,并用一定量的HNO3(或氨水)调整体系pH值为4.09.0得到20 mL溶液1,另外又在15 mL去离子水中加入2 mmol柠檬酸钠和1.2 mmol (NH4)2HPO4得到溶液2,剧烈搅拌30min溶液1后,将溶液2加入进一步搅拌20 min,将得到的混合溶液转移到不锈钢高压釜中在180温度下反应24 h.结果显示在不同pH值条件下可以得到不同长径比的纳米棒或由纳米棒自组装成的微米颗粒.梁琼将0.281 0 g Ca(NO3)2和0.092 4 g (NH4)2HPO4混合于70 mL pH值为7.5(用氨水调节)的去离子水中;同时将等量的Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4混合于70 mL pH值为10.5的去离子水中,分别搅拌10min后离心分离.将pH值为7.5条件下所得沉淀物分散于pH值为10.5的水溶液中,再将重新混合后的悬浮液倒入100 mL高压反应釜中,于180条件下水热处理10 h.冷却至室温,离心分离,用去离子水将沉淀洗涤3次后于80条件下干燥10 h,制得的HA纳米棒的平均长径比最长(约为28).2 纳米羟基磷灰石研究进展2.1纳米复合羟基磷灰石在口腔治疗中的应用2.1.1纳米羟基磷灰石作为龋病再矿化材料应用于口腔内科有研究证实了纳米羟磷灰石抵抗人工龋模型中酸蚀的作用，但是其作用机制和抗龋能力尚待进一步研究。纳米羟磷灰石有明显的促进再矿化作用，再矿化能力与含氟1 000 mg/kg的氟化钠溶液相接近。再矿化作用机制与羟磷灰石晶体在脱矿表面孔穴中的机械沉积有关。纳米羟磷灰石氟化钠混合制剂作用与纳米羟磷灰石相当，其具体机制仍待进一步研究。纳米羟基磷灰石对人工龋有再矿化作用,能显著提高人工釉质龋的显微硬度。纳米羟基磷灰石对变形链球菌同时具有抗黏附和解黏附双重作用，预防早期龋病的发生.动物试验也结果表明,纳米羟基磷灰石有效地抑制了变形链球菌的致龋能力。2.1.2纳米复合羟基磷灰石作为根管充填材料应用于口腔内科根管系统充填要求材料应具备两方面的特点：一方面，消除炎症原发地和死腔，防止微生物的进入，阻断再感染的途径；另一方面，材料本身对病变有恢复作用，并促进根尖孔的钙化闭合。纳米羟基磷灰石具有良好的生物相容性和骨诱导性，并且羟基磷灰石能保持牙本质壁有一定湿度而不使根充后牙体组质变脆使根尖组织干燥，利于肉芽组织生长，也有用锌、加碘或其他抗生素等和纳米羟基磷灰石复合，可以提高抑菌和抗菌效果。单纯轻基磷灰石作为根管充填材料有明显的微渗漏，新型的纳米羟基磷灰石的根管封闭剂减少了微渗漏，有良好的根尖封闭性能。纳米羟基磷灰石成骨细胞的多形性更明显，碱性磷酸酶的活性更显著，有助于牙本质基质的分泌和矿化,还证明了类破骨细胞在纳米羟基磷灰石陶瓷的活性较强，能更快地促进骨吸收，加快骨组织的生成。新型纳米复合羟基磷灰石具有纳米结构材料的特性，又能进行有机物间的聚合反应,同时还克服了羟基磷灰石颗粒较大，充填后形成的整体脆性大，弹性模量与牙根牙本质不匹配等缺点,并且有抗菌性，有与人骨相似的理化性能、较高的钙磷比值、耐腐蚀性强，表面的孔隙结构适宜骨组织和软组织长入，具有良好的骨传导性，生物相容性好。另有实验也证实了新型纳米羟基磷灰石复合材料用于根管充填可获得理想的物理性封闭，且该材料的骨形成诱导性可使其超出根尖孔部分被骨组织替代，而降低材料本身对周围组织的刺激反应。纳米羟基磷灰石在体内外实验还发现具有X射线阻射、动物试验具有良好的生物相容性，对成骨细胞有较小的细胞毒性、对牙龈卟琳单胞菌、具核梭杆菌、中间普氏菌有较理想的抑菌性和一定的根尖封闭性，基本符合根充糊剂的要求，具有较好的临床应用前景。王艳玲等研究指出纳米羟基磷灰石根充材料作为一种新型的充填材料就其与根管壁密合度方面明显优于传统的根管充填材料氧化锌丁香油糊剂并具有良好的抑菌性，临床可以取代传统氧化锌丁香油糊剂。一些学者就纳米羟基磷灰石具有良好的生物相容，可加速病变愈合，根充不能被组织吸收，作为根管充填材料和根尖屏障作用的可行性，进行了临床探索，取得了良好的疗效。目前，常见的纳米羟基磷灰石根充材料是制成糊剂，属非吸收性生物医学材料，羟基磷灰石本身无成骨性，但能提供适应新骨沉积的生理基质，引导周围骨组织再生，以及牙骨质沉积、封闭根尖孔，目前，有报道特别适合年轻恒牙的根管充填。纳米羟基磷灰石作为根充材料目前还有待完善和进一步研究，但通过口腔科研人员不懈地努力对其进行改进，制作成复合材料，使复合纳米羟基磷灰石具有抑菌/抗菌性，成为治疗牙髓病根尖周病的理想根管充填材料。2.2纳米羟基磷灰石在骨修复中的应用2.2.1纳米羟基磷灰石在骨科的应用临床上骨移植等手术因为种种原因需要大量的能适合骨骼特性的生物学材料，这些特性不仅包含良好的力学性能更重要的是其必须具有优良的生物相容性。临床上比较常见的如纯钛、316L型不锈钢、NiTi合金等。Chen等先对纯钛表面进行V(硫酸)：V(30%双氧水)=11处理之后，采用乙酸酐溶剂体系内用电泳沉积的方法在纯钛表面沉积上纳米羟基磷灰石，进而考查其在较低烧结温度下材料的机械强度以及其生物相容性。结果显示这种方法所得到修饰后的钛其烧结致密化温度从1 000降低到800左右，X射线衍射观察也无纳米羟基磷灰石的脱落，而且因为通过氧化所得到的TiO2涂层具有一个介于纯钛和纳米羟基磷灰石之间的热膨胀系数而降低了材料的热应力，克服了因纯钛和纳米羟基磷灰石热膨胀系数之间的差异而导致的裂痕出现。用间充质干细胞所做的生物相容性实验也表明这种修饰能很好的促进间充质干细胞分化增殖，而对照组微米级的羟基磷灰石覆盖钛表面在促进细胞增殖方面却不是很明显。Zhang等也采用这种方法在钛表面沉积上羟基磷灰石，发现此方法所得到的纳米级羟基磷灰石比传统方法得到的涂覆层具有更好的抗腐蚀性能。种种现象表明这种复合物将可能很好的用到骨科和临床应用中。2.2.2 n-HA在人体骨修复临床中的应用试验陈滔等对5例颈椎骨折、5例胸椎骨折、12例腰椎骨折行前路减压,采用n-HA/PA66复合生物活性人工椎体植骨融合、钛板系统内固定。随访621个月的结果表明,植入体(34)个月产生骨融合,重建的椎体高度无降低,神经功能按Frankel分级均有不同程度提高。朱美忠等对脊髓型颈椎病、外伤性颈椎骨折脊髓损伤患者行前路椎体切除、椎管减压、n-HA/PA66复合人工椎体植骨内固定术。结果显示,所有病例的术前症状均得到改善,随访(610)个月无复发,所有病例均获植骨融合,颈椎生理曲度、椎间高度、颈椎的稳定性均维持良好,无下沉、塌陷发生。梁熙选用颗粒型n-HA/PA66填充骨肿瘤患者的瘤腔,伤口常规缝合,术后观察伤口愈合情况、局部炎性反应、排斥反应、全身毒性、瘤腔愈合和患肢功能的恢复情况。结果表明,术后仅1例伤口感染,其余例伤口期愈合,局部炎性反应轻微,无排斥反应和全身毒性反应,说明颗粒型n-HA/PA66可用于良性骨肿瘤骨缺损的修复。欧云生等将自行研制的纳米羟基磷灰石/聚酰胺66(n-HA/PA66)复合生物活性人工椎体支撑植骨治疗胸腰椎爆裂型骨折合并截瘫, n-HA/PA66复合生物活性人工椎体于术后(36)个月骨性融合,无感染、椎体移位和断钉等并发症。蒋电明等探讨了纳米羟基磷灰石/聚酰胺66(n-HA/PA66)复合生物活性支撑材料在恢复椎体结构和高度中的作用,结果显示,纳米羟基类磷灰石/聚酰胺66(n-HA/PA66)复合生物活性支撑材料可有效恢复椎体高度和结构,并能与椎体愈合,达到有效重建椎体结构的作用,可以临床推广使用。此外,蒋电明等还采用n-HA/PA66复合生物活性人工椎板治疗椎板切除术后椎板缺损, n-HA/PA66可以有效恢复爆裂、压缩椎体的高度和结构,并能与椎体愈合,起到有效重建椎体结构的作用。王群波等对纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合人工椎体治疗脊椎结核、胸腰椎椎体肿瘤、胸腰椎骨折进行了研究,结果显示,其植入融合率高,牢固可靠。2.3米羟基磷灰石及其复合生物材料的应用2.3.1纳米羟基磷灰石与胶原蛋白的复合。天然骨由无机物（纳米晶羟基磷灰石）和生物大分子（胶原蛋白及少量多糖）有机结合的复合体。因此制备仿天然骨的成分、结构和特性胶原/纳米羟基磷灰石复合生物材料是目前生物材料研究的热点之一。胶原蛋白或称胶原，是人体内含量最丰富的蛋白质,胶原蛋白在体内以胶原纤维的形式存在。它是一类优良的可用于引导组织再生的生物材料。具有无抗原性、生物相容性好,可参与组织愈合过程,在止血、促进伤口愈合、作为烧伤创面敷料、骨移植替代材料、组织再生诱导物方面得到广泛应用。韩长菊等以饱和氢氧化钙上清液、磷酸和胶原蛋白为原料，在3639，pH=89条件下，用共滴定法制备了纳米羟基磷灰石/胶原蛋白生物复合材料。通过用日本理学D/max2200型全自动X射线衍射仪和扫描电镜检测材料的晶相结构和结晶程度，显示复合材料中的纳米羟基磷灰石结晶度低，呈纳米级针状；胶原蛋白呈链状，二三个胶原蛋白相互交联成簇，纳米羟基磷灰石均匀沉积在胶原蛋白簇上；通过透视电镜可知纳米羟基磷灰石呈现以择优取向的方式镶嵌在胶原蛋白中；通过对复合物的红外光谱分析获知，纳米羟基磷灰石与胶原蛋白之间形成了紧密键合。马红梅等采用纳米羟基磷灰石/胶原/聚乳酸支架材料体外培养人成骨细胞观察其早期附着生长情况。结果显示，纳米羟基磷灰石/胶原/聚乳酸支架材料有利于人成骨细胞的早期黏附、生长，可以用作骨组织工程的支架材料。王程越等证实以纳米羟基磷灰石/胶原作为支架材料料可明显提高兔自体富血小板血浆诱导兔骨髓基质干细胞向成骨细胞分化的能力，纳米羟基磷灰石/胶原作为支架材料为骨髓基质干细胞提供了一个良好的静态立体培养条件.2.3.2纳米羟基磷灰石与骨形态发生蛋白的复合骨形态发生蛋白是一种存在于骨基质中的生物活性物质,为小分子酸性多肽类物质，具有高效骨诱导作用，并呈现非种属特异性诱导骨形成的生物学特性，可以诱导血管周围未分化的间充质细胞及骨髓细胞分化成软骨细胞和骨细胞。彭超将纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合骨形态发生蛋白制备纳米羟基磷灰石/壳聚糖-骨形态发生蛋白复合人工骨，并将此复合人工骨植入新西兰兔胫骨近段骨缺损模型中，发现：复合人工骨的成骨与血管化在早期随着材料降解而完成，两者呈直线正相关关系。2.4纳米羟基磷灰石在骨科的应用及其抗癌性能的研究进展纳米羟基磷灰石的抗癌性能体外细胞试验是了解物质与细胞相互作用机制，解释整体生物效应的有效手段。现在有很多关于纳米羟基磷灰石体外细胞试验的报道，通过这些研究，人们发现了纳米羟基磷灰石所特有的生物学特性抗癌活性，即纳米羟基磷灰石对成纤维细胞、成骨细胞等正常细胞的相容性较好，不会影响它们的增长繁殖，但却能使各种癌细胞坏死、凋亡，从而抑制癌细胞增殖。Liu等采用人肝癌细胞系BEL-7402进行培养并且采用不同浓度的纳米羟基磷灰石颗粒进行处理。MTT测试法观察细胞的生长变化，通过细胞免疫组织化学染色、TEM、FCM等方法观察细胞凋亡变化。结果发现粒子对细胞的生长显示了计量效应，半数抑制分化浓度（IC50）值为29.30 mg/L，采用50200 mg/L浓度的粒子处理48 h后BEL-7402伴随着细胞核染色质出现收缩破碎，细胞开始凋亡。在粒子浓度为50，75，100，150，200 mg/L时细胞死亡率分别是(20.352.23)%，(25.351.92)%，(29.344.61)%，(44.923.78)%和(53.643.49)%，均明显高于不加粒子的对照组(2.230.14)%，说明在细胞凋亡和粒子浓度之间存在一种计量效应。在其他的实验中也显示了纳米羟基磷灰石对于结肠癌、舌癌、卵巢癌等均具有很好的抑癌效应。3 结语纳米技术的研究是近年来所迅速发展起来的，时间比较短，许多理论不够成熟，需要不断地摸索合适的实验条件。纳米技术中存在许多问题，如纳米颗粒的易聚集倾向，纳米颗粒在有机物中的分散问题，以及纳米材料的长期临床评价，都需要进一步研究探讨。然而，纳米HA所具有的独特优势正显示出它作为生物材料的巨大潜力和广阔应用前景，这正引起越来越多的关注和研究。参考文献：1 李丽. 2009.纳米羟基磷灰石/可生物降解聚酯弹性体复合材料的研究D.北京化工大学.2 田家明,张波,李苏,闫清丽. 2009.纳米羟基磷灰石在生物医学领域中的应用研究J.辽宁化工. 3 袁媛,刘昌胜. 2005.生物医用纳米羟基磷灰石的研究进展J.硅酸盐通报.4 伍晓春. 2009.高效液相色谱法测定不同产地虎杖中白藜芦醇的含量J.生命科学仪器.7:40-42.5 王程越,李曦光.2004.纳米技术与口腔医学J.锦州医学报.25:68-706 崔阳,刘一 ,陈学思,等. 2007.改性羟基磷灰石骨修复纳米复合材料的制备及生物学评价J.中国组织工程研究与临床康复.11:5074-50777 方厂云,曹莹,夏宇,等. 2007.大鼠牙乳头细胞与纳米羟基磷灰石的