磷酸鈣鹽與人類

摘 要：介紹了磷酸鈣鹽的組成、自然存在與工業用途，人體中磷酸鈣鹽的組成與結構，磷酸鈣生物陶瓷材料。

關鍵詞：磷酸鈣鹽；人體；生物陶瓷

文章編號：1005-6629(2007)02-0079-02

中圖分類號：G633．8

文獻標識碼：B

磷酸形成的鈣鹽，簡稱為磷酸鈣鹽。磷酸鈣鹽是所有脊椎動物特別是哺乳動物的骨骼與牙齒的基本“建筑材料”。人類也是一種哺乳動物，因此磷酸鈣鹽對人類健康起著重要的作用。

1 磷酸鈣鹽的組成、自然存在與工業用途

磷酸鈣鹽是地理、化學、生物、醫藥等學科中較為關注的一類化合物。所有的磷酸鈣鹽主要都是由三種化學元素組成：Ca(+2)、P(+5)、O(-2)，這三種元素在地球表面貯量豐富。鈣與磷的氧化物的各種組合(結合水或沒有結合水)形成了各種各樣的磷酸鈣鹽。磷酸鈣鹽可以根據磷酸根離子的種類進行區分：正磷酸根，PO₄^3-；偏磷酸根，PO₃^-；焦磷酸根，P₂O₇²；聚磷酸根，(PO₃)_n^n-。此外，還可以按照氫離子的數量來區分。例如，常用的磷酸鈣鹽包括：磷酸一鈣，Ca(H₂PO₄)₂；磷酸二鈣，C_aHPO₄；磷酸三鈣，Ca₃(PO₄)₂；磷酸四鈣，C_A2P₂O₇。很多純的磷酸鈣鹽是白色晶體，但自然存在的磷酸鈣鹽由于混合了鐵離子和其他的一些稀土元素而顯出各種顏色。大多數的磷酸鈣鹽難溶于水，但所有的磷酸鈣鹽都易溶于酸而不溶于堿。

最重要的磷酸鈣鹽是磷灰石，C_a5(PO₄)₃X。磷灰石按附加陰離子X的不同可分為：氟磷灰石(fluo-rapatite)，Ca₅(PO₄)₃F；氯磷灰石(chlorapatite)，C_a5(PO₄)₃Cl；羥磷灰石(hydroxylapatite)，C_a5(PO₄)₃(OH)，以氟磷灰石最為常見，通常所說的磷酸鈣鹽指的就是氟磷灰石。磷灰石是制磷酸和磷肥的最主要原料。制磷肥時，首先浮選天然礦石使其富集，然后在70℃～100℃的溫度下，用強酸(硫酸、磷酸或是硝酸)處理，就可以得到肥料(如過磷酸鈣或三過磷酸鈣)，或者得到磷酸，與氨氣中和得到磷酸銨鹽。另一種處理天然磷礦石的方法是在1000℃的高溫下將磷礦石的粉末與SiO₂、C混合燒結。這種方法成本較高。但可以得到化學純的產物P₄。P₄在氧氣中燃燒產生P₂O₅，繼而與水反應得到磷酸。

2C_a3(PO₄₂+6SiO₂+10C=6C_aSiO₃+P₄+10CO↑

2 人體中的磷酸鈣鹽

生物體的鈣化器官主要是脊椎動物的骨頭與牙齒，其主要的成分是磷酸鈣鹽。此外，一些軟體動物的殼也是由磷酸鈣鹽組成的，而不是碳酸鈣。這些生物磷酸鈣鹽稱為“生物磷灰石”，其結構與化學組成是千變萬化的。大量的研究證明生物磷灰石的組成是不確定的，其中的一部分Ca²⁺、PO₄^3-被其它的離子所取代，這也是生物磷灰石與礦物磷灰石的主要區別。例如，C₂₊₂₊可被S_r²⁺、Na⁺、Na⁺、K⁺取代；PO₄^2-可被CO₃^2-取代；OH^-可被F^-、Cl^-、CO₃^2-取代，這些現象的發生是由生物環境造成的。因此，生物磷灰石大致的化學計量組成表示如下：

(Ca，Mg，Na)10^-x(PO₄，HPO₄，CO_-)₆(OH，F，CO₃)_2-x(0＜X＜2)

骨是人體結構的支撐體，也是各種新陳代謝所需鈣、磷離子的主要儲存庫。骨是由一個致密的外層和疏松多孔的里層構成的，里層中充滿了凝膠狀的骨髓。多孔性是骨的一個重要特點，液體與細胞通過孔達到骨的各個部分。骨中的有機質包括膠原蛋白與非膠原蛋白。膠原分子以三重螺旋組裝成膠原纖維，磷灰石晶體以平行纖維的方式嵌入膠原纖維。膠原纖維通常成束有規律地排列，以此實現不同的功能，這就是骨最微觀水平的結構。骨中的磷灰石晶體都是板形的，在鈣化過程中，首先從膠原纖維附近的細胞中分泌含有磷酸鈣的納米結晶，由非膠原蛋白指導磷酸鈣結晶體沉積在膠原纖維的孔中：磷酸鈣晶體自然生長至孔徑大小，而不破壞膠原纖維。當然，骨骼并不是固定不變的。破骨細胞可以產生酸性環境去溶解生物磷灰石，同時造骨細胞可以使生物磷灰石不斷結晶，正是永無止盡的溶解與重結晶，才能保持身體血液中鈣、磷所必須的濃度。

除了骨，牙齒是人體中第二大鈣化器官。牙的結構比骨更為復雜。牙齒由外層的牙釉質和里層的牙本質組成，與骨骼一樣，基本礦物為磷灰石，但磷灰石含量不盡相同。牙釉質覆蓋在牙冠上，具有光澤，呈半透明，化學組成接近于純的羥磷灰石，不含膠原蛋白，幾乎沒有有機質，因而是人體中最堅硬的部分，其生物磷灰石晶體的長度比骨骼中的晶體要長。在牙釉質表面，磷灰石晶體中的一些OH^-可被F^-取代，得到氟磷灰石，一種最堅硬、最致密、最難溶的磷酸鈣鹽，從而使牙齒更加堅固。但牙釉質中整體含氟量較少，所以，我們使用含氟牙膏來促進氟磷灰石產生，從而抵御細菌產生的酸性環境對牙齒的溶解作用，防止齲齒的形成。牙本質的組成與骨相類似，但比較體骨，還包含著牙本質磷蛋白等其它的有機質，鈣化過程也有所不同。

3 生物陶瓷

陶瓷是指用天然或人工合成的粉狀化合物經過成型和高溫燒結制成的、由金屬和非金屬元素的無機化合物構成的多晶固體材料。生物陶瓷較為狹義的內涵是指通過植入人體或是與人體組織直接接觸，使機體功能得以恢復或增強的陶瓷。生物陶瓷材料比較于其它醫用材料生物相容性好、化學性能穩定、耐熱性好、硬度高，其主要的缺點是耐沖擊性差、脆性大。

根據與受體組織的反應程度，生物陶瓷可分為三類：生物惰性陶瓷，如氧化鋁、氧化鋯及氧化鈦陶瓷等；生物活性陶瓷，如致密羥基磷灰石陶瓷、生物活性微晶玻璃等；生物可降解性陶瓷，如熟石膏、磷酸三鈣及鋁酸鈣等。

磷酸鈣陶瓷是一類具有不同鈣磷比的陶瓷材料，其中對磷灰石研究最多，此外，還包括磷酸三鈣、磷酸四鈣等。磷灰石類陶瓷最常見的是羥基磷灰石(HAp)。其與骨組織的相容性已得到廣泛的證明，其植入體內不引起異物反應并能與骨組織產生直接結合的事實已得到公認。研究發現，HAp具有吸收、聚集體液中鈣離子的作用，參與體內鈣代謝，其作用與骨組織相似。由于HAp的脆性與生理環境中的疲勞破壞，使其不能用做承載力大的骨代替材料，主要用于口腔種植、耳小骨替換、脊椎骨等機械強度要求不高的替換部件。

磷酸三鈣具有可吸收性，可吸收性指的是將這種材料植入生物體內的損傷部位，當相鄰的組織在磷酸三鈣植入體內增生時，磷酸三鈣能夠被生物的新生骨質組織所代替，這個過程被稱為降解過程．這類材料也成為生物降解材料。磷酸三鈣材料的主要缺點是強度偏低，抗沖擊能力差。目前。磷酸三鈣常用于制成多孔陶瓷做骨骼填充劑。

此外，HA_p還可以作為金屬基體(如人工骨、關節骨柄、齒根)上的涂層材料，這樣就兼顧了HAp的生物相容性與金屬的高韌性的優點，可謂揚長而避短。HA_p與磷酸三鈣還可以用于研制成醫用復合材料，如羥基磷灰石一生物玻璃體系，羥基磷灰石一磷酸三鈣陶瓷體系，這就克服了單一相材料性能上的局限性。

磷酸鈣鹽在生物學、醫學上都有著非常重大的意義。磷酸鈣鹽，作為與人類健康息息相關的一類化合物，必將會受到越來越多的研究者的關注。