含鋅、硒羥基磷灰石的制備及其載藥性能研究

徐祥華，張萬東，王永蘭

（1.天津大學理學院化學系，天津300354；2.天津醫科大學口腔醫院）

含鋅、硒羥基磷灰石的制備及其載藥性能研究

徐祥華1，張萬東1，王永蘭2

（1.天津大學理學院化學系，天津300354；2.天津醫科大學口腔醫院）

通過共沉淀法制備了一系列Zn2+和SeO32-共同摻雜的羥基磷灰石（HAP），并研究了Zn2+的摻入對HAP微粒的形貌、化學組成、表面電荷的影響，對ZnSeHAP作為載體對牛血清白蛋白（BSA）的負載與釋放性能進行了研究。結果顯示：所制備的ZnSeHAP是顆粒長為60～80 nm、寬度為20～30 nm的納米棒，并且隨著鋅含量的增加，納米粒子逐漸減小。隨著鋅摻雜到HAP晶格內，其表面電勢逐漸變小，并且由正轉負。負載實驗表明：隨鋅摻雜量的增加，BSA的負載量逐漸減小，說明通過鋅摻雜可以調變HAP的表面電荷，以達到控制HAP吸附量的目的。

羥基磷灰石；共沉淀；負載；釋放

近年來，人工合成的納米羥基磷灰石［Ca10（PO4）6（OH）2，HAP］因其良好的生物相容性、生物活性及可生物降解性越來越受到人們的廣泛關注［1-2］。另外，由于HAP的化學組成及晶體結構與天然骨的無機部分相似，因此被作為載體用于藥物的負載與釋放［3］。不同合成方法制備的HAP具有不同的形貌，如棒狀、針狀、纖維狀、片狀和球狀等，而組成人體硬組織如骨骼和牙齒的“建筑模塊”呈棒狀或針狀，因此人工合成的棒狀和針狀的HAP受到更深入的研究［4］。目前，陰、陽離子摻雜HAP的制備和應用是生物材料研究的另一熱點。通過陰離子或陽離子的摻雜可以改變HAP的晶格參數，進而影響其形貌、熱穩定性、溶解性、表面電荷和其對藥物蛋白的吸附能力等。V.Aina等［5］研究了鎂和鍶陽離子共同摻雜HAP，結果表明共同摻雜制備的HAP要比單個元素摻雜制備的HAP更加穩定。N.Y.Mostafa等［6］制備了系列Na+、SiO44-、CO32-復合摻雜的HAP，結果表明HAP的熱穩定性和機械性能有了明顯的提高。硒是人體不可缺少的微量元素之一，盡管其在人體中的質量不足0.1%，但其在新陳代謝過程中起非常重要的作用。歐洲食物安全局建議人體每日硒的攝入量為55 μg。硒還可以降低癌癥的發病率，預防心血管病，治療肌肉紊亂等［7］。鋅也是人體中不可缺少的微量元素，它可以促進成骨細胞的增殖和分化［8］。歐洲食物安全局建議男女每日鋅的攝入量分別為7 mg和9.5 mg。鋅還可以提高人體免疫力、促進蛋白質消化和碳水化合物的新陳代謝。考慮到硒和鋅的獨特作用，筆者制備了系列Zn2+和SeO32-共同摻雜的HAP，并主要研究了隨鋅含量的增加，HAP的形貌、表面電荷和化學組成的變化，進而研究了將其作為藥物蛋白載體對牛血清白蛋白（BSA）吸附與釋放的影響。

1 實驗方法

1.1 ZnSeHAP的制備及表征

本實驗采用共沉淀法制備系列ZnSeHAP樣品。Ca（NO3）2·4H2O，（NH4）2HPO4，Zn（NO3）2·6H2O，Na2SeO3分別為鈣源、磷源、鋅源和硒源。各試劑的用量見表1，在保證（Ca+Zn）與（P+Se）的物質的量比等于1.67的前提下，將硒的質量分數固定為4.72%，鋅的質量分數分別為13.02%、6.51%、0.651%、0.065 1%、0.006 51%和 0%，并分別命名為 Zn0.2Se0.1HAP，Zn0.1Se0.1HAP，Zn0.01Se0.1HAP，Zn0.001Se0.1HAP，Zn0.0001Se0.1HAP和Zn0Se0.1HAP。在燒瓶中加入鈣鋅混合溶液，并恒溫在80℃；在劇烈攪拌下將（NH4）2HPO4和Na2SeO3的混合溶液慢慢滴加到上述混合液中，并用氨水調節混合液的pH＞10，混合液滴加完畢繼續恒溫攪拌2.5 h；然后，常溫下老化36 h，將所得沉淀物用去離子水多次洗滌，并在120℃下干燥36 h；最后將樣品在600℃下煅燒4 h后研磨備用。

用BD 3000 X射線衍射儀（XRD）分析樣品的物相，測試條件為：銅靶（λ=0.154 18 nm），管電壓為30 kV，管電流為30 mA；用Bruker ALPHA-E Fourier紅外光譜儀（FTIR）分析樣品組分；用JEM-2100F透射電鏡（TEM）觀察樣品的形貌；用S4 Pioneer射線熒光（XRF）測試樣品中的元素含量；用 Malvern Nano-ZS電位儀分析樣品的表面電荷。

1.2 蛋白質的負載與釋放

在pH為7.40的模擬體液（SBF）中制備ZnSeHAP系列載體對牛血清白蛋白（BSA）的負載樣品［9］。稱取0.2 g載體浸入20 mL用SBF配制的1 mL/mg的BSA溶液中，常溫下吸附6 h后，移取上清液用紫外分光光度計在280 nm處測量樣品的吸光度并根據上清液中蛋白濃度與初始蛋白濃度的差計算吸附于載體上的載藥量。重復實驗3次。載藥樣品真空干燥之后，精密稱量0.100 g的樣品并加入20 mL的釋放介質SBF溶液，置水浴恒溫搖床中（37℃），每隔一定時間移取4 mL上清液，并補充相同體積的SBF溶液，用紫外分光光度法測定取出液的吸光度，計算藥物釋放量。

表1 樣品配制的物質的量比

2 結果與討論

2.1 X射線衍射分析

圖1為系列ZnSeHAP樣品的XRD譜圖，與標準HAP（JCPDS 09-432）具有相同的衍射峰，沒有其他雜峰，只是隨著鋅含量的增加，ZnSeHAP的峰位微微向高角度偏移，Zn含量越多，偏移量越大，這是由于HAP晶體中Zn2+（0.074 nm）進入了HAP晶體的晶格內部，取代了Ca2+（0.099 nm），使晶間距減小，進而引起了晶格畸變，隨著摻入量的增大，取代越多，畸變也就越明顯［10］。

圖1 樣品的XRD譜圖

2.2 紅外光譜分析

圖2是ZnSeHAP晶體的紅外譜圖，系列樣品的主要官能團吸收峰基本相同。3 565、629 cm-1處吸收峰是OH-伸縮振動峰；3 425、1 643 cm-1附近的峰為吸附水的特征峰；1 418、1 465 cm-1附近為CO32-反對稱伸縮振動的雙分裂峰，此峰不同于碳酸鹽的紅外吸收譜在此波段的表達，表明在樣品制備過程中有CO32-取代了部分的 PO43-；963、1 036、1 104 cm-1是PO43-的伸縮振動峰，602、566 cm-1是PO43-的彎曲振動峰；869、775 cm-1是SeO32-的彎曲振動峰［11］。隨著鋅摻雜量的增加，PO43-的峰越來越寬。

圖2 樣品的紅外譜圖

2.3 顆粒形貌分析

圖3為合成的ZnSeHAP晶體的TEM照片。

圖3 樣品的TEM圖

由圖3可以看出，制備的ZnSeHAP均在納米范圍內，是一種單分散的棒狀晶體。合成的ZnSeHAP晶體長度約為60～80 nm，寬度在20～30 nm，形狀為棒狀，具有良好的結晶度，HAP隨Zn2+摻入量的增加，晶體顆粒尺寸逐漸減小，這是因為Zn離子取代部分Ca離子抑制了晶體的生長。區域電子衍射顯示衍射花樣為同心圓環，說明測試粉體為多晶材料，屬于多種晶形共存的晶體。G.S.Kumar等［12］研究鋅和二氧化碳復合摻雜的HAP也發現了類似的結果。

2.4 樣品的成分及表面Zeta電位分析

通過X射線熒光光譜（XRF）測出樣品中鈣、鋅及磷、硒的含量，并計算出（Ca+Zn）/（P+Se）的物質的量比，其值列于表2。所有樣品的鈣磷比都高于化學計量HAP的鈣磷比，這是因為部分PO43-被CO32-取代的結果，紅外譜圖亦給出了相同的結論。

Zeta電位是反映固體表面帶電性質和大小的指標，是固體粒子電行為的一個重要參數。本實驗通過Malvern Nano-ZS Zeta電位儀測量了系列ZnSeHAP樣品在BSA溶液中的表面電荷。表2列出了ZnSeHAP在模擬體液中的Zeta電位，其結果表明隨著Zn含量的增加，Zeta電位逐漸減小，并由表面帶正電變為表面帶負電，這主要是因為越來越多的Ca2+被Zn2+取代。

表2 樣品的XRF結果、Zeta電位值和BSA的負載量

2.5 系列ZnSeHAP樣品對BSA的吸附及其在模擬體液中的釋放行為

表2列出了系列ZnSeHAP載體對BSA的負載量，結果表明，隨著Zn含量的增加，載體對BSA的負載量逐漸減少，其主要原因是由于載體表面電荷的多少決定的，根據Zeta電勢的測試結果，在SBF溶液中，ZnSeHAP顆粒表面的電荷隨Zn含量的增加呈下降的趨勢，并且由正變負，而BSA在pH為7.40時顯負電性，因此通過電荷間的相互作用導致載體對BSA的負載量逐漸減少。

圖4為系列ZnSeHAP/BSA載藥樣品在模擬體液（SBF）中的累積釋放曲線圖。從圖4可以看出，系列ZnSeHAP載體對BSA均具有良好的緩釋作用。在初始的12 h內發生了藥物突釋現象，這是由于部分藥物通過物理吸附結合在ZnSeHAP納米顆粒表面，隨著釋放時間的增加，蛋白藥物釋放趨于平緩，這是由于載體與BSA蛋白間的靜電引力起到了主導作用。從圖4還可以觀察到，在相同的釋放時間上，隨著載體中Zn含量的增加，其累積釋放量同樣是增加的，這同樣是由于載體表面的電荷不同造成的，從Zeta電位的數據可以看出，Zn含量的增加導致載體表面的電荷減少，載體表面電荷的大小導致通過靜電引力吸附于其表面的蛋白藥物的多少。因此，在羥基磷灰石的制備過程中，通過摻雜不同的離子或含量不同的離子可以調控HAP表面的電荷，使其對不同的藥物蛋白有選擇性的吸附，以期達到對藥物的有效控釋。

圖4 系列ZnSeHAP/BSA載藥樣品在模擬體液中的累積釋放曲線圖

3 結論

本實驗以Ca（NO3）2·4H2O，（NH4）2HPO4，Zn（NO3）2· 6H2O，Na2SeO3為前驅體，通過共沉淀法制備了硒、鋅復合摻雜的HAP粉體，并應用XRD、FTIR、TEM、XRF和Zeta電位等技術對樣品進行了表征。結果表明Zn2+和SeO32-能成功地摻入HAP晶格中，并隨Zn含量的增加其納米粒子逐漸減小，其表面電勢逐漸變低。負載與釋放實驗表明：隨Zn的摻雜時增加，BSA的負載量逐漸減小，在釋放實驗中ZnSeHAP/ BSA表現出了良好的緩釋效果，說明通過Zn摻雜可以調變HAP的表面電荷，以達到控制HAP吸附量的目的。

［1］ 顧雪梅，安燕，楊雪艷，等.含鍶納米羥基磷灰石的制備及性能研究［J］.無機鹽工業，2015，47（1）：30-32.

［2］ 曹娜娜，張萬東，王永蘭.羥基磷灰石濕法制備技術及應用研究進展［J］.無機鹽工業，2012，44（12）：9-12.

［3］ Zhao Q F，Wang T Y，Wang J，et al.Template-directed hydrothermal synthesis of hydroxyapatite as a drug delivery system for the poorly water-soluble drug carvedilol［J］.Appl.Surf.Sci.，2011，257（23）：10126-10133.

［4］ Amer W，Abdelouahdi K，Ramananarivo H R，et al.Synthesis of mesoporous nano hydroxyapatite by using zwitterions surfactant［J］. Mater.Lett.，2013，107：189-193.

［5］ Aina V，Lusvardi G，Annaz B，et al.Magnesium-and strontium-cosubstituted hydroxyapatite：the effects of doped-ions on the structure and chemico-physical properties［J］.J.Mater.Sci.Mater.Med.，2012，23：2867-2879.

［6］ Mostafa N Y，Hassan H M，Mohamed F H.Sintering behavior and thermal stability of Na+，SiO44-and CO32-co-substituted hydroxyapatites［J］.J.Alloy.Comp.，2009，479：692-698.

［7］ Kongsri S，Janpradit K，Buapa K，et al.Nanocrystalline hydroxyapatite from fish scale waste：Preparation，characterization and application for selenium adsorption in aqueous solution［J］.Chem. Eng.J.，2013，215：522-532.

［8］ Ito A，Otsuka M，Kawamura H，et al.Zinc-containing tricalcium phosphate and related materials for promoting bone formation［J］.Curr. Appl.Phys.，2005，5：402-406.

［9］ Zhang W D，Chai Y M，Xu X H，et al.Rod-shaped hydroxyapatite with mesoporous structure as drug carriers for proteins［J］.Appl. Surf.Sci.，2014，322：71-77.

［10］ Tank K P，Sharma P，Kanchan D K，et al.FTIR，powder XRD，TEM and dielectric studies of pure and zinc doped nano-hydroxyapatite［J］.Cryst.Res.Technol.，2011，46（12）：1309-1316.

［11］ Zhang W D，Chai Y M，Cao N N，et al.Synthesis and characterization of selenium substituted hydroxyapatite via a hydrothermal procedure［J］.Mater.Lett.，2014，134：123-125.

［12］ Kumar G S，Thamizhavel A，Yokogawa Y，et al.Synthesis，charac

terization and in vitro studies of zinc and carbonate co-substituted nano-hydroxyapatite for biomedical applications［J］.Mater.Chem. Phys.，2012，134：1127-1135.

聯系方式：zhangwandong@tju.edu.cn

Preparation and drug loading properties of zinc and selenite co-substituted hydroxyapatite

Xu Xianghua1，Zhang Wandong1，Wang Yonglan2
（1.Department of Chemistry，School of Science，Tianjin University，Tianjin 300354，China；2.Stomatological Hospital，Tianjin Medical University）

Series of synthetic hydroxyapatites（HAP）containing both Zn2+and SeO32-were synthesized via co-precipitation method and the effects of the zinc ion doping concentrations on the morphology，surface charge，and chemical composition of the HAP were studied.The drug loading release properties of using the zinc and selenite co-substituted hydroxyapatite（ZnSeHAP）as drug carrier material and bovine serum albumin(BSA)as model drug were investigated.Results showed that the synthetic product exhibited an uniform rod-like morphology，with diameters of 20～30 nm and lengths of 60～80 nm，and the particles size decreased with increasing the content of Zn.An increase in Zn into the HAP lattice also led to a decrease in the surface charge when ZnSeHAP was suspended in simulated body fluid.In addition，the amount of loaded BSA decreased with increasing the zinc-doped content，which meant the surface charge of HAP could be adjusted by zinc doping，so as to achieve the purpose of controlling the adsorption amount of HAP.

hydroxyapatite；co-precipitations；loading；release

TQ132.41

A

1006-4990（2017）01-0025-04

2016-07-11

徐祥華（1989— ），男，碩士研究生，主要從事生物納米材料制備技術及應用研究。

張萬東