羥基磷灰石復合材料的應用進展

方紫焱

(1.天津工業大學 省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室，天津 300387； 2.天津工業大學 材料科學與工程學院，天津 300387)

羥基磷灰石(Hydroxyapatite，簡稱HA)是自然界中生物骨組織的構成要素，隨著科技和醫學的不斷前行，人工合成的羥基磷灰石(HA)也變得越來越多，它可以憑借自身的生物相容性、生物活性、骨傳導性在骨治療上發揮重要的作用。過去的二十年中，羥基磷灰石在骨和牙齒植入、吸附重金屬等領域均有報道[1-3]。但在實際應用中，不容忽視的是羥基磷灰石自身存在的機械性能不佳、使用中容易團聚、使用后回收困難等缺點，這些缺點極大的限制了它的廣泛應用。所以，將羥基磷灰石納米粒子與合適的載體進行復合，可以充分發揮羥基磷灰石的優勢，彌補在應用過程中的不足。本文綜述了羥基磷灰石復合材料在生物醫學領域、力學領域、吸附分離以及新材料研發等方面的應用進展。

1 在生物醫學領域的應用

骨科治療中，由于疾病、創傷和損傷等原因，需要新的人工骨移植作為治療手段，可植入性骨替代物在嚴重骨缺損中的應用越來越廣泛，由聚合物作為基體，HA作為填充劑組成的復合材料被認為是同種異體移植物、致密陶瓷生物材料等這些傳統材料的最具潛力的替代物[4]。Jackson等[5]通過不同聚氨酯和HA配比，制備出了聚氨酯/HA復合材料，經細胞測試表明該復合材料可促進體外細胞粘附，增殖以及成骨分化。Lian等[6]制備了一系列具有不同HA與明膠比例的新型HA納米線/明膠復合膜，二者比例為7∶3時復合膜上的小鼠骨髓間充質干細胞的成骨分化優于其余膜，因此該比例的復合膜具有作為骨修復和再生的骨替代物的潛力。Zhang等[7]成功制備了新型超長羥基磷灰石微管(HMT)/殼聚糖(CHS)復合支架。通過使用硫酸慶大霉素(GS)作為模型藥物，與CHS-羥基磷灰石納米棒支架和純殼聚糖支架相比，HMT-CHS復合支架具有較高的載藥量，表現為持續的藥物釋放行為和高抗菌活性。Zou等[8]制備了HA增強的聚碳酸亞丙酯(PPC)復合材料，體外細胞培養表明該復合材料是細胞附著和生長的有利模板。通過兔股骨defects缺損的體內植入證實了HA/PPC復合材料具有良好的生物相容性和逐步生物降解性，可以引導骨再生。

2 在力學領域的應用

近年來，以HA作為增強體的復合材料得到了較快的發展。HA常用作添加劑與其他材料復合，進而改善復合材料的機械性能。Verma等[9]通過微波加工路線制造納米HA增強的聚己內酯(PCL)復合泡沫。在PCL中添加5wt%至20wt%的納米HA作為增強材料制備出了HA/PCL復合泡沫。通過測試表明力學性能得到了一定程度的提升，與純PCL泡沫相比，使用20wt%HA的HA/PCL復合泡沫拉伸、硬度、撓曲強度分別高145.90%，52%和96%。利用微波能量制造復合材料是一種快速而新興的制造途徑。Verma等[10]利用微波能量制備了納米HA增強的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)復合材料。研究表明，加入20wt%的納米HA填料，UHMWPE/HA復合材料的楊氏模量，極限抗拉強度，撓曲強度和硬度的相對百分比增長分別為70.65%，35.52%，42.84%和39.24%。Okada等[11]將殼聚糖(CS)-NaH2PO4溶液在含鈣離子的凝固浴中凝固得到單纖維，再用氫氧化鈉溶液處理，在纖維基質中形成HA，制備CS/HA復合纖維。隨著濕潤劑磷酸二氫鈉的增加直至0.03 mol，殼聚糖分子的取向以及CS與HA之間的相互作用發生了變化，機械性能得到改善。Chakravarty等[12]研究了用聚乳酸(PLA)和納米HA增強的龍蝦殼廢殼幾丁質在生物醫學應用中具有潛在優越的機械性能。使用離子液體乙酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓鹽([C2mim][OAc])作為溶劑制備了幾丁質/PLA/納米HA復合材料，研究發現添加納米HA可將復合材料的強度提高至140%，斷裂伸長率提高至465%。Ran等[13]采用原位沉淀方法合成殼聚糖-s蠶絲纖維蛋白/羥基磷灰石(CS-TSF/HA)水凝膠， 在不改變成分、形態、粗糙度和晶體結構的情況下，CS-TSF/HA復合材料的彈性模量和斷裂強度等力學性能可以隨著在甲醇中處理時間的變化而不斷變化，CS-TSF/HA復合材料的彈性模量在250至400 MPa之間，而斷裂強度在45至100 MPa之間。

3 在吸附領域的應用

HA由于其無毒無害和自身結構的優異性常用于吸附領域，但是在單獨使用時不可避免團聚、吸附效率受限和吸附后不易回收等缺點，所以通常與較為理想的載體結合成復合材料。Dong等[14]采用原位沉淀法將HA與MnO2復合，得到HA/MnO2復合材料。實驗過程中，通過考察溶液的pH、腐殖酸等共存物質和競爭陽離子(Ca2+、Mg2+)、初始溶質濃度、反應時間等因素發現溶液的pH值以及共存的Ca2+、Mg2+對Pb2+的去除沒有明顯影響，HA/MnO2復合材料是一種從水溶液中去除鉛離子有效的吸附劑。Sun等[15]使HA納米粒子原位形成于殼聚糖(CS)基體中制備了HA/CS復合膜。通過改變pH值、初始溶菌酶(LZ)濃度和吸附時間，研究了HA/CS復合膜對LZ的吸附行為。結果表明，復合膜具有較高的LZ吸附量，達到203.9 mg/g。并且此復合膜具有較高的解吸能力，在吸附和解吸的第四個循環中仍然保持了94%的吸附能力和93%的解吸能力。Fu等[16]在NaOH-尿素水溶液中采用便捷的綠色聲化學途徑合成了纖維素/HA納米復合材料。使用血紅蛋白(Hb)作為模型蛋白質，研究了纖維素/HA納米復合材料的蛋白質吸附特性。在Hb初始濃度為4.0 mg時纖維素/HA納米復合材料的蛋白質吸附量達到321.5 mg/g，且吸附平衡時吸附量達到343.2 mg/g，吸附百分比最高達到80.9%。Raghav等[17]以HA為原料合成了獨特的立方型棒狀生物高分子復合材料即新型果膠HA。由于其獨特的形狀可提供更大的表面積，與其他HA吸附劑相比，該復合材料對氟的吸附能力較強。綜合研究表明，該復合材料可作為一種高效的吸附劑，用于飲用水和其他水源的氟去除。

4 在新材料研究領域的應用

在科技信息不斷進步的今天，對新材料的開發及其相關領域應用方面的探究從未止步，人類對于研發新材料以滿足不斷提升的工業和生活方面的需求依舊十分強烈。Xue等[18]通過原位合成和乳化-交聯工藝的協同作用制備了新型聚乙烯醇/羥基磷灰石(PVA/HA)的仿生復合微球，當摻入20wt%的HA時，制得的PVA/HA復合微球呈現平均粒徑約為39.0 μm，具有高分散性和均勻的微觀結構，此時也表現出最佳的藥物釋放行為。李全[19]采用乙酸鈉為新模板劑，結合回流-水熱法制備了新型納米結構HA，在此基礎上采用溶劑澆鑄/真空揮發/粒子瀝濾法，以二氧六環為溶劑，氯化鈉為致孔劑，制備了HA/聚乳酸多孔復合材料。該復合材料具有兩級孔隙結構，并且通過改變氯化鈉的粒徑大小和溶劑揮發溫度可以對材料的兩級孔徑進行調控。朱開平等[20]首先使硼酸鹽玻璃在磷酸鹽溶液中的原位轉化反應制備了多殼層介孔中空HA，再在HA表面包覆一層敏感型殼聚糖，合成了一種具有良好藥物緩釋和pH敏感型特性的新型復合藥物載體材料。釋藥結果表明：中空HA在釋藥初期產生了突釋現象，包覆殼聚糖后，復合載體的釋藥量和釋藥速率顯著下降。Xue 等[21]在油包水乳液中，制備了聚乙烯醇/硅/羥基磷灰石(PVA/SiO2/HA)新型三元復合微球。SEM結果表明，PVA/SiO2/HA復合微球的球形規則，分散性好。與雙組分微球(PVA/SiO2和PVA/HA復合微球)相比，PVA/SiO2/HA復合微球對鹽酸萬古霉素(VH)的負載能力和緩釋能力均有增強。

5 結語

總之，羥基磷灰石復合材料在生物醫學、力學、吸附分離以及新材料研發等領域的研究中已經顯示出了廣闊的應用前景。隨著當代材料、生物、能源、信息與環境之間的相互影響以及深刻變化，以羥基磷灰石為基礎，孜孜以求高性能、多功能、智能化新材料及其結構高效演化體系，以適應醫學、工業、環保等高端領域是重要的發展趨勢。