纳米羟基磷灰石的结构设计.doc

纳米羟基磷灰石的结构设计摘要 羟基磷灰石与人体硬组织的化学成分和晶体结构极为相似，具有独特的生物活性和生物相容性，是目前生物材料研究的热点。当尺寸在1100nm时，羟基磷灰石(HAP)纳米粒子有独特的生物学特性。此外羟基磷灰石粉体在吸附、催化、荧光、半导体、抗癌等领域也有广泛应用。关键词： 纳米材料 羟基磷灰石 结构设计 抗癌 NANO HYDROXYAPATITE STRUCTURE DESIGN ABSTRACTHydroxyapatite is the main inorganic components of bone tissues，has good biocompatibility and biological activity，which is the research hotspot of biologicalmaterialsHAP particles have unique biological properties when their size maintained in nano scale.In addition，HAP also has wide application in adsorption，catalysis，fluorescence，semiconductor,cancer areasKEYWORDS：nanometer materials hydroxyapatite physical design anticancer 1.1 纳米羟基磷灰石的特点nHA是一种粒径较一般细胞粒径小，粒径为1100 nm的超微粒子。当物质小到纳米级后，会具有表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点。这些特性导致其特有的热、磁、光敏感特性和表面稳定性，容易通过外场(电、磁、光)实现对其性能的控制，有利于实现靶向输送、控制释放、保护和稳定被输送物质。同时还具有不易被机体网状内皮细胞清除、有效避免脾滤过效应、通过增加渗透和滞留效应增强靶组织累积等优势。人体骨中无机结构的基本单元式针状和柱状的磷灰石晶体，呈高度有序的排列，其结晶学C轴平行于胶原纤维方向定向生长，这种结构是一种理想的等强度优化结构，具有优良的生物力学性能。人工合成的羟基磷灰石是一种优良的硬组织替代材料，具有良好的生物亲和性，生物相容性，生物活性和骨传导作用。依据“纳米效应”理论，纳米级的羟基磷灰石其粒子活性更高，更有利于骨组织的整合，骨传导性能，溶解性能和力学性能提高。 1.2 纳米磷灰石的基本特性 1.2.1 HAP粒子的晶体结构羟基磷灰石的理论组成为Ca10(P04)6(OH)2，为六方晶系，属于L6PC对称型和P63/m空间群，其结构为六角柱体，晶胞参数为a0=b0=0.9430.938nm，C0=0.6880.686nm，z=2, =900，=1200。晶胞含有l0个Ca2+、6个PO43-，和2个OH-，结构中Ca2+离子分别位于配位数为9的Ca()位置和配位数为7的Ca()位置，结构比较复杂，其在(0001)面上的投影如图1.1。图1.1 纳米磷灰石结构在（0001）面上的投影从HAP晶体结构在(0001)面的投影可见，Ca()位于上下两层的6个PO43-四面体之间，与6个PO43+ 四面体之中的9个角顶上的O2+相连接，配位数为9，这样连接的结果是在整个晶体结构中形成了平行于c轴的较大的通道，通道中的离子易被其他离子替代。附加OH-则与其上下两层的6个c矿组成OH-Ca6配位八面体，角顶的Ca2+则与其临近的4个PO43-中的6个角顶上的O2+ 及OH-相连接，其配位数为7。羟基磷灰石的晶体结构很好的阐明了它以六方柱的晶体出现的原因，如图1.2。 图1.2 磷灰石的晶型1.2.2 HAP粒子的表面特性HAP由很多六角柱状的单晶团聚而成，这种柱状晶体的横截面为六边形，平行予晶胞的(a,b)面，称为c表面；围绕柱体轴的六个侧面为矩形，分别平行于晶胞的(b，c)面和(a,c)面，称为a表面和b表面。TKawasaki提出HAP表面主要存在两种吸附位置：当OH一位置位于晶体a表面时，该位置连着两个Ca()离子。在水溶液中，这个表面的OH一位置至少在某一瞬间空缺，由于两个Ca()离子带正电，形成一个吸附位置，称为C位置，C位置能吸附PO43-、大分子上的磷酸根基团或羧基基团。当Ca(I)位置位于晶体的C表面时，一部分这种位置连着六个带负电荷的O原子，另一部分这种位置连着两个带负电荷的O原子，在水溶液中，表面的Ca(I)位置至少在某一瞬间空缺，连着六个O原子的Ca(I)位置就形成了一个较强的吸附位置，称为P位置，P位置能吸附Sr2+，K+等阳离子以及蛋白质分子上的显正电的基团；而连着两个O原子的Ca(I)位置则形成一个较弱的吸附位置。另一方面，研究表明：HAP的定势离子是它们的构晶离子及其与水的反应产物，其他的无机物、表面活性剂和聚合物也能影响其界面电荷，但这种二次影响主要足通过定势离子来决定的。当阳离子决定表面电位时，提高其浓度会使电位提高；反之，当阴离子决定表面电位时，提高其浓度会使电位下降。因此，Ca2+浓度上升可使HAP表面电位提高，带正电荷；PO43-浓度上升，可使表面电位下降，带负电荷；pH值上升，不仅OH一浓度的提高使表面电位下降，而且，水化产物中负离子活度上升，正离子活度下降，使表面电位下降。1.2.3纳米磷灰石的生物学特性大量的生物相容性检测表明纳米羟基磷灰石是一种无毒、无刺激、不致过敏性、无致癌作用、无副作用、不致溶血和具有良好生物相容性的生物活性材料，并具有良好的骨传导性能，有报道称其还具有一定的骨诱导性。目前，不少研究者发现纳米羟基磷灰石粒子对多种癌症均具有抑制作用，同时不影响正常细胞的活性。2.1 纳米磷灰石的制备方法目前，纳米羟基磷灰石的合成技术已相当成熟，不仅可以制备出高化学纯度和高化学计量比的纳米羟基磷灰石粉体，还可以制备不同晶体形貌的粉体满足不同的应用需求。裁备方法主要有水热法、溶胶一凝胶法、水解法、微乳液法等等。2.1.1 水热合成法水热法是最常常见的合成纳米HAP粉体的方法。其基本原理是在较高压力和温度下，将钙盐和磷酸盐在密闭容器的水溶液中反应合成HAP。此法制备纳米晶体有许多优点，如产物直接为晶态，无需煅烧晶化，可以减少在煅烧过程中的团聚，粒度均匀，形态比较规则。目前，比较流行将水热法和其他处理方法结合起来制备纳米HAP。2.1.2 溶胶凝胶法其基本原理是将金属醇盐或无机盐经水解，然后使溶质聚合胶化，再将凝胶干燥、焙烧，最后得到纳米HAP粒子。其技术路线如下：图 2.1 溶胶一凝胶法制备HAP的流程U.V。Natarajan等分别选择磷酸钙和醋酸钙作为前躯体和三磷酸反应制备纳米HAP粒子，结果表明利用硝酸钙可以制备球形HAP粒子，而利用醋酸钙可以制备纤维状HAP粒子。M.H.Fathi等用Ca(N03)24H20和P205制备HAP溶胶，然后在600下热处理2h得到粒径为2528nm的HAP粒子。2.1.3水解法水解法的基本原理和水热合成法相似。在水解法中，通常CaHP04在70 0C左右和pH=8.5的条件下使OH一加入晶格中生成HAP。2.1.4微乳液法微乳液法是一种较新的制备纳米HAP的方法，其原理是在水/油/表面活性剂的体系中，形成油包水型反相微乳液，油为连续相，直径范围5100nm的水滴分散在油相中，形成热力学稳定均匀透明的微乳液，其中的水滴可作为制备纳米材料的反应空间，使之保持均匀的尺寸和单分散的状态。Lim将CaCl2与(NH4)2HPO4分别制成微乳液，油相为环己醇，表面活性剂为HPS和NPS，将两种微乳液混合后放置一定的时间，将沉淀物用乙醇洗涤，可获得粒径为20-40nm的HAP粉体。2.1.5化学沉淀法化学沉淀法的基本原理是将含Ca和P的不同化合物在水溶液中发生反应，引入一定的离子，如OH-、C032-等，在一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或者盐类从溶液中析出，洗去溶液中的阴离子，经热解或者脱水得到纳米粉末，常用磷酸盐有(NH4)2HPO4，K2HP04，Na2HP04等。S.P.Li等用共沉淀法制备了纳米HAP溶胶，并讨论了影响其稳定的因素。化学沉淀法主要包括直接沉淀法、共沉淀法、均相沉淀法和水解沉淀法等。2.1.6电化学沉积法电化学沉积法是直接从Ca、P电解水溶液中制取纳米HAP涂层的方法。Zhu等采用水热电化学沉积工艺在碳/碳复合材料表面制备HAP涂层，所得涂层由针状纳米HAP组成，且与基体结合牢固。2.1.7 微波固相法该法是指高温通入水蒸汽，通过扩散传质机制固相反应制备HAP。利用水蒸汽的强介入来补给HAP中的OH一，用扩散补给Ca2+制备无晶格缺陷、正常配比、定量掺杂、结晶程度高的HAP单晶体。由于是固相反应，该法存在反应速度慢，反应时间长，生成产物粒径大，原料粉末需要长时间混磨，产物的活性差等缺点。除上述制备方法外，根据不同的要求，合成纳米HAP还有自燃烧法、等离子溅射法、自组装法、超声波合成法和机械化学法等等。另外，还可以将多种方法进行有机的组合，克服各自的缺点，形成新的更好的制备合成方法。3.0 纳米磷灰石的应用3.1 纳米磷灰石在医学方面的应用目前，纳米羟基磷灰石已被广泛的应用于生物医学领域，其研究主要集中在如下几个方面：3.1.1硬组织填充和修复材料随着制备方法的不断改善，很多研究者通过对纳米羟基磷灰石进行某方面的改性和处理，使其替代传统羟基磷灰石，应用于硬组织填充和修复领域。S.K.Nandi等利用水溶液燃烧法制备纳米HAP材料用于骨缺损的修复。动物实验中，将材料植入山羊体内，未发现明显的过敏反应和炎症反应，90天内，骨缺损逐渐被修复。W.M.Zhu等采用不同孔径的多孔纳米羟基磷灰石人工骨修复放射性损伤的骨缺损，8个星期时，患处形成良好的骨连接，12个星期时，新骨逐渐生成，患处基本愈合，而未经过填充的缺损位置12个星期时，骨完全断裂。Z.L.Shi等制备出粒径大小在20nm至80nm之间的纳米HAP粒子，发现人体成骨细胞能有效的黏附在纳米粒子表面，并能生长增殖。由于无机材料存在力学性能较差的缺点，国内外研究者都寻求将纳米HAP粒子与其他材料进行复合，模仿天然硬组织，制备出力学性能良好的骨组织修复材料。目前，比较常见的是两种无机/高分子复合材料：HAP/聚酰胺66和HAP/PLA复合材料。J.D.Li等将纳米HAP粉末和聚酰胺66的混合浆料溶于酒精中，煅烧两小时制备含HAP质量分数为40的复合材料，发现材料的抗弯强度比单一材料有明显的提高，并有利于细胞的粘附和分化。S.Gay等将纳米HAP粉末悬浮于PLLA溶液中，常温煅烧2小时制备复合材料，当HAP质量分数为50时，材料的杨琵模量和抗压强度达到最高。3.1.2 抗肿瘤活性纳米HAP材料要杀死癌细胞、并不伤害正常细胞必须具备两个条件：纳米粒子必须具有一定的尺度，在20100nm之闻：纳米HAP材料应具有良好的分散性。这样纳米粒子的尺寸比生物体内的细胞、红细胞小得多，能在血液中自由流动。武汉理工大学自1993年开始利用HAP纳米粒子及其改性后的纳米材料分别作用于人胃癌细胞MGC-803、鼻咽癌细胞KB、人结肠癌细胞HCT、入食道癌细胞Ec-109、人肝癌细胞Bel-7402、人骨肉瘤细胞Os-732、人慢性髓性白血病K562和肾癌等七种癌细胞和入正常肝细胞L-02、肺成纤维细胞MRC-5和角化细胞HAPCat等三种正常细胞。系统的研究了纳米羟基磷灰石对各种癌症细胞的抑制作用，发现其对多种肿瘤细胞的生长均有较好的抑制作用，同时对正常细胞影响轻微，并探讨了其抑制机理。日本青木秀希教授研究了HAP纳米粒子对白血病和HIV等细胞作用的体外实验结果。3.1.3 药物载体羟基磷灰石作为药物载体系统对研究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。第一，纳米羟基磷石具有很大的比表面，因而有很强的吸附和承载能力。第二，纳米羟基磷灰石作为药物载体十分安全，旦不为胃肠液所溶解，在释放药物后可降解吸收或全部随粪便排出。第三，纳米羟基磷灰石在生成过程中很容易引入放射性元素，可用于药物标记和抑制肿瘤细胞生长。WSChu等发现用PDLLA和纳米HAP复合制备药物载体能成功运送抗癌药物5-氟尿嘧啶，并发现在50天内药物的释放速率可由纳米HAP的含量控制，其关系呈现为双线性函数。SHZhang等研究发现通过乳化溶剂挥发法制备纳米HAP/聚己内酯复合支架，药物可以均匀分散在材料中，并能在90天内持续释放。3.2 环境功能材料环境问题一直是全人类普遍关注的问题，尤其是水源的问题，由于工业废水和生活污水的直接排放，导致水源污染严重甚至威胁到了人类的健康，但是现有的污水治理技术成本较高，不利于污水治理的进行。因此，开发低成本、高效率的环境功能材料刻不容缓。羟基磷灰石的晶体结构中的结构通道赋予了羟基磷灰石良好的离子交换性能，通过离子吸附可以回收利用水中过量的氟离子和工业废水中的重金属离子，有望成为新的环境功能材料。罗道成等人，于35下，用合成的碳羟基磷灰石吸附Zn2+，吸附70 min，去除率可达98以上，且吸附剂吸附Zn2+后经HCI洗脱，Ca(CH3COO)2再生后可多次重复使用。4.0 实验制备纳米磷灰石及结果分析4.1 实验纳米羟基磷灰石的制备选用Ca(N03)24H20和P205为溶质，无水乙醇为溶剂，按Ca/P摩尔比为1:67配制O.5mol/L的Ca(N03)2乙醇溶液和P205乙醇溶液，将P205乙醇溶液滴加到Ca(N03)2乙醇溶液中，电动搅拌20 min，之后放到水浴槽中加热，形成凝胶。水浴温度为40，60，80。并选择60的试样分成两份。一份不陈化，一份陈化70 h。将制得的凝胶放到烘箱中70干燥12 h，得到蓬松、白色的干凝胶。将其在玛瑙研钵中研磨后，在电阻炉中煅烧，选用不同的温度(200，300，400，600，800)，保温时间为l h。4.2 结果和分析4.2.1 不同水浴温度制备的粉体图l为不同水浴温度下合成粉体的XRD图谱。3个试样均不陈化并在600下煅烧。由图1中可以看出，经过热处理后3种粉体均为晶体但水浴温度高时所合成粉体要比温度低时合成粉体结晶的好。经过40和60水浴处理后，试样相成分为纯的HA,而在80水浴处理试样除了含有HA相之外还含有微量的TCP相。当水浴温度低时，延长了Ca(N03)24H20和P205水解和醇化，以及浓缩过程，有利于稳定的凝胶的形成。在较高水浴温度下，虽然加速了溶胶向凝胶的转化，但该凝胶为不稳定状态在粉体热处理时容易发生分解产生TCP相。图4.1 不同水浴温度下台成粉体的xRD图谱图2为水浴温度对合成粉体结晶度的影响。由图2可知，随着水浴温度的升高，结晶度近线性增加，说明高温水浴有利于溶胶的聚合，促进了分子的交联，煅烧后有利于结晶。图4.2 水浴温度对台成粉体结晶度的影响4.2.2 陈化对粉体的影响图3为经过水浴温度60，未陈化和陈化70h并在800煅烧后所得粉体的XRD图谱。由图4可知，粉体经过800煅烧后其成分中均含有HA相、CaO相和TCP相，因此该陈化时问对粉体的成分并无影响，但是经过陈化后粉体的结晶度提高了。表1为陈化对合成粉体结晶度的影响。由表l可知，未陈化粉体的结晶度为81.45，陈化70h粉体的结晶度为94.18。 图4.3 同陈化时间下所得粉体的XRD图谱 5.1 结论 1)用P2O5-Ca(NO3)2乙醇溶液体系获得溶胶一凝胶法可制得纳米羟基磷灰石粉体。2)水浴温度低，合成的粉体粒度小，颗粒均匀且具有良好的分散性但结晶度较低；随水浴温度升高，结晶度增加，但粉体团聚，在80制的粉体出现了TCP相。经历陈化后相成分不发生变化，粉体粒度变大，结晶度增加。3)在低温煅烧HA前驱体凝胶时，得到Ca(N03)2和一些非晶成分，随着煅烧温度的升高，结晶度增加，在600时可以得到纯净的羟基磷灰石粉体，温度再升高，羟基磷灰石又发生了分解形成HA，TCP与CaO的混合物。参考文献：1）于佳 俞建长等，一维纳米羟基磷灰石的制备与表征，中国陶瓷，2009，第10期，34-36.2）王芬 张玲，引氟量对含氟羟基磷灰石纳米晶结构的影响，材料科学与工艺，2008 , 16（4），559-561.3）徐光亮 聂轶霞等，水热合成羟基磷灰石纳米粉体的研究，无无机材料学报,2002,17(3),600-603.4）陈松等，微波法制备含碳酸根离子的纳米缺钙羟基磷灰石，稀有金属材料与工程，2008,37（1），94-97.5）魏娜 宫苹等，气电纺制备新型纳米材料及骨细胞相容性研究，稀有金属材料与工程，2007，36（2），34-36.6）胡茂从 钟顺和，TiO2羟基磷灰石的结构及其光催化降解醛类的性能，催化学报，2006,27（12）,1144-1148.7）林英光 杨卓如，溶胶凝胶结合超临界流体干燥法制备纳米掺锶羟基磷灰石的研究，高校化学工程学报，2007,21（3），454-456.8）吕宇鹏等，等离子喷涂羟基磷灰石涂层的晶化及其结构特征，无机化学学报，2002，第8期，844-846.9）吕宇鹏等，等离子体熔融钛与羟基磷灰石混合粉颗粒的形态和相组成，金属学报，2002,38（12），1292-1295.10）王易 张炅等，纳米级羟基磷灰石生物陶瓷涂层研究进展，国际骨科学杂志，2009，30（2），96-99.11）杨玲芳等，在类仿生溶液中电沉积羟基磷灰石涂层的性能，材料研究学报，2008,22（4）,444-447.12）李丽颖等，阴离子氨基酸表面活性剂调控下水热合成羟基磷灰石纳米片，物理化学学报，3009，25（11），2404-2408.13)吕宇鹏等，等离子喷涂羟基磷灰石涂层的相组成及其结构，材料科学与工艺，2007,15（4），493-495.14)彭文娟等，纳米羟基磷灰石聚乳酸复合纳米结构组织工程支架材料的制备与表征，材料导报，2008,22（1），163-165.15)韩珊珊等，羟基磷灰石及其复合多孔支架材料的研究概况，山东陶瓷，2011,34（2），28-30.16)周科朝等，纳米缺钙羟基磷灰石生物陶瓷涂层中相组成和显微结构的控制，稀有金属材料与工程，2003，32（7），486-489.17)冉旭等，超声合成纳米含碳酸根羟基磷灰石粉体，稀有金属材料与工程，2007,36（1），46-49.18)王新宇等，自燃烧法制备纳米羟基磷灰石粉的机理探讨及影响因素，硅酸盐学报，2002,25（5），564-567。19)吕莉等，羟基磷灰石生物陶瓷结构模拟与解析，硅酸盐学报，2004,32（2），176-179.20)王怀生等，羟基磷灰石纳米溶胶凝胶DNA修饰电极的制备与应用研究，南昌大学学报，2006,30，964-965.21)左奕，羟基磷灰石聚酰胺聚乙烯三元复合仿生材料研究，四川大学博士论文。22)刘秀林等，利用溶剂热压方法制备羟基磷灰石多孔纳米固体，物理化学学报，2004,20（6），608-611.23)Somasumdaran P Adsorpt Surf Chem Hydroxyapatite 1982 24)Tanaka H; Nuno Y; Irie S Adsorption mechanism of polylysine