多孔磷灰石材料研究进展

王刚，官叶斌，张群

(安庆师范大学化学化工学院，安徽安庆246011)

多孔磷灰石材料研究进展

王刚，官叶斌，张群

(安庆师范大学化学化工学院，安徽安庆246011)

磷灰石类材料因其具有良好的生物活性、生物相容性和较高的表面吸附性能而被成功应用于生物医学、环境污染治理等领域。本文综述了多孔磷灰石类材料的制备方法和应用领域，展望了多孔磷灰石的应用前景。

磷灰石；多孔材料；生物材料

磷灰石类材料是具有相同结构的无机磷酸钙类材料的总称。通常情况下磷灰石被加工成粉末状、致密状、多孔状和复合材料[1]等4种不同的形态。到目前为止，研究最多的多孔型磷灰石材料主要包括以下3类：（1）羟基磷灰石材料（HA）。HA除了具有优异的生物活性以外，还有很强的离子交换能力，可发生不同类型的离子替换[2]。HA钙离子的位置可被各种不同类型、不同半径和不同电价的金属离子进入结构而被替换，因此可应用于硬组织支架制备和重金属离子的吸附脱除。（2）磷酸三钙，包括β-磷酸三钙（β-TCP）和α-磷酸三钙（α-TCP）。β-TCP常被用于骨组织移植，与HA相比，β-TCP有较高的降解性，能很好地应用到骨移植技术中。α-TCP粉末是生物活性粘结剂的主要成分，常被用作骨填充物[3]，α-TCP的溶解度比β-TCP大，降解性能更好，因此更适用于骨移植与再生等医用领域。（3）无定形磷酸钙（ACP）。ACP是磷灰石材料中最不稳定的一类，是一种短程有序的介稳相，通常在过饱和钙离子和磷酸根离子反应初期阶段形成。ACP有良好的生物降解性，能够提高成骨细胞的粘结性和传导性。此外，ACP因具有较大的表面积、较高的药物负载能力和较好的控制药物释放能力，通常被用在药物传递系统中[4]。

1 多孔磷灰石的应用领域

1.1 在细胞负载上的应用

不同的细胞产品包括激素、酶类、疫苗、核酸等在医学治疗上具有重大意义，它们能够提高人体疾病的诊断和治疗技术。哺乳动物细胞可以在体外生长增殖，但是需要固态基质，多孔HA就可以充当此类基质用于细胞培养生长。多孔HA由于具有较大的表面积、良好的机械性能、稳定的化学性质和热力学稳定性，因此能很好地满足微载体培养技术的要求。Ning等[5]首先合成了多孔胶原蛋白—羟基磷灰石复合材料，并利用该材料作为培养基用于小鼠胚胎细胞和人体牙周韧带细胞培养，发现该材料对这两类细胞都具有优异的附着性，能够很好地促进细胞的增殖。Huang[6]等通过氨水滴定法以葡甘聚糖—胶原蛋白—HA复合材料为原料制备了纳米多孔复合骨架材料，并用于野兔骨髓间质干细胞培养，研究发现，该材料对野兔骨髓间质干细胞具有较好生物相容性，且有利于细胞的增殖生长。

1.2 在药物传递系统中的应用

在药物传递系统中，药物能够缓慢、局部、持续释放时将有利于疾病的治疗，多孔磷酸钙是控制药物传递很好的选择之一[7]。药物传递系统中通过使用生物活性基质材料(如磷酸钙类材料)原位释放药物产生抗感染作用。例如，慢性病或局部外科手术依赖于一个持续局部药物释放系统，需要多孔HA胶囊以特定的速率释放药物[8]。

目前已有众多多孔磷酸钙被制备出用于药物传递。Jiseol等[9]利用改进的水热法制备的多孔HA用于抗癌药物氟二氧嘧啶的负载实验，研究表明，负载体上载药率高，释放效果好。Guan等[4]制备了多孔球形ACP并应用到抗癌药物多烯紫杉醇的负载上面，在模拟体液中改变pH值来测试该材料的药物负载性能，研究表明，所制备的多孔球形ACP材料药物负载能力高，且有较好的pH响应药物释放能力，能够有效杀死癌细胞。Baradari等[10]制备多孔HA和β-TCP小球，并分别应用于抗炎药物布洛芬的负载与释放性能研究，结果表明，多孔HA小球比多孔β-TCP小球具有更高的药物吸附量。体外实验表明，多孔HA和β-TCP小球对抗炎药物都能够100%释放。

1.3 在硬组织支架制备上的应用

多孔磷灰石已被广泛应用于哺乳动物骨骼的替代物。尽管骨组织自身表现出优秀的骨再生能力，但是对于比较大的骨缺陷或骨愈合困难时，骨移植是十分必要的。基于这点，制备的多孔骨磷灰石支架必须有适当的孔尺寸、孔连通性、生物相容性、骨传导性、一定的机械强度和生物降解性等特性。

多孔磷酸钙骨支架最早在1983年就被报道，并在20世纪90年代就投入到实际应用当中[11]。为了克服该类材料在制备硬组织支架时机械强度差的缺点，常将多孔磷酸钙材料进行改性。朱立新等[12]将HA与壳聚糖的复合材料用于兔股骨髁骨缺损，发现该复合材料相比单一的壳聚糖具有更好的成骨能力和力学性能，是一种很有应用前景的组织工程材料。Guan[13]将胶原蛋白添加到HA材料中形成复合材料，有效地提高了该类材料的弹性模量和抗压性能，另外该复合材料还可以增强细胞的粘附力和增殖能力，大大提升了此类多孔磷酸钙复合材料的应用前景。

1.4 在重金属离子吸附上的应用

多孔HA材料在吸附重金属离子上也有广泛应用。Lei[14]利用复合多孔壳聚糖—HA材料用于水溶液中铅离子吸附研究发现，利用壳聚糖作吸附剂时铅离子的吸附量为5.67mg/g，而利用羟基磷灰石复合材料制备时，铅离子的吸附量达到264.42mg/g，由此可见，HA材料对铅离子具有极强的吸附能力。Jiang等[15]利用水溶性生物聚合物聚天冬氨酸作为模板，在180℃的水热条件下合成了具有三维结构的多孔HA微球，对不同重金属离子进行的吸附试验表明，该类HA多孔微球对Cr，Cu，Pb等重金属离子具有较好的吸附性能。

2 多孔磷灰石的制备方法

2.1 高温除去致孔剂法

高温除去致孔剂法是将不同种类的致孔剂，包括石蜡、碳粉、淀粉、过氧化氢或合成高分子材料，与HA粉体或浆料进行混合，压模成型后，经过高温烧结除去有机物来制备多孔材料的一种方法。这一方法能直接控制孔特征，因为能通过改变添加相的性质、类型和数量来控制孔径尺寸、空隙大小和孔的体积分数。官叶斌等[16]以沉淀法制得的羟基磷灰石粉末为原材料，以聚乙烯醇溶液作为粘结剂兼致孔剂，将其均匀混合后高温烧结除去有机物，制备出了具有多孔结构的羟基磷灰石材料。实验结果表明，该多孔材料孔隙分布均匀，孔径分布在200~400nm之间。董盼盼等[17]利用聚乙烯醇和NaCl颗粒作为造孔剂，经过模压，在800℃下烧结得到了孔径分布在100~600μm之间的多孔HA材料。这种制备多孔磷灰石的方法关键是致孔剂的选择，致孔剂颗粒的形状、大小、性质等直接影响最终多孔材料气孔的形状和大小。如只添加聚乙烯醇时获得的多孔材料孔径分布最大只有400 nm，而另外添加氯化钠这种颗粒较大的造孔剂后，材料孔径最大达600μm，所以应用高温去致孔剂法，通过选择不同类型造孔剂能够制备不同孔径的多孔HA材料，以满足不同的实际应用需求。该方法的缺点是高温处理过程中容易出现收缩或产生微裂纹。

2.2 生物材料转变法

某些动物的骨骼可被用于制备多孔羟基磷灰石材料，Niakan等[18]利用牛骨在750℃条件下烧结，得到了空隙均匀，平均孔尺寸为152 nm的纯相羟基磷灰石多孔材料。Himanshu等[19]利用鸡蛋壳和磷酸作为原料，通过高温烧结的方法制备出了纯相、钙磷比为1.7~2.4之间的多孔羟基磷灰石材料。该方法能够充分利用日常生活中的废弃材料进行再次利用，实现“变废为宝”。但是，通过该类方法制备的多孔材料孔尺寸范围相当有限，而且孔的强度较低，孔径不可控，在需要一定应力的应用上则无法满足需求。

2.3 发泡致孔技术

这一技术利用有机或无机物发生化学反应产生气泡使磷酸钙悬浮液发泡或膨胀来合成多孔材料。将发泡剂添加到磷酸钙浆料中，通过搅拌方法使浆料发泡，经过聚合、烧结，最终得到多孔材料[20]。Yu等[21]利用间苯二酚—甲醛树脂球和HA粉体作为原材料，以莰烯作为发泡剂制备出了多孔HA微球，结果表明，多孔材料的孔径尺寸与添加剂间苯二酚—甲醛树脂球尺寸类似，且孔洞连通性较好。巩梦安等[22]利用化学沉淀法制备出氟化羟基磷灰石粉体，利用NH4HCO3为发泡剂、聚甲基丙烯酸甲酯为造孔剂，并通过烘干和烧结氟化羟基磷灰石粉体制备出孔洞分布均匀且相互贯通、坯体致密的多孔HA支架。由于该方法是内部致孔，所以得到的多孔材料孔结构大多是密闭的。但因发泡剂的发泡程度受到温度等条件的影响，制备的多孔材料也将受温度的影响，所以多孔材料的孔径大小以及孔隙率可控性差。

2.4 超声微波辅助处理法

近些年来，超声微波辅助合成纳米材料得到了广泛的关注，该技术具有反应速度快，效率高、副产物少等优点，常用于制备多孔磷酸钙材料。Guan[8]等使用氯化钙作钙源，三磷酸腺苷二钠作磷源，在嵌段聚合物聚-乙二醇共聚己内酯的条件下，利用微波水热技术制备出了多孔球形ACP材料，表面积为232.9m2/g，平均孔尺寸为9.9 nm。李湘南等[23]利用超声辅助复乳法以Span-80作为表面活性剂，制备出了直径分布在50~200 nm之间、尺寸均一且疏松多孔的多孔HA微球。虽然该方法得到的多孔材料令人满意，但是需要特定的设备，需要满足的条件较为苛刻，而且能耗较大，尚未实现批量生产。

3 展望

多孔磷灰石材料具有良好的生物活性、比表面积大且化学成分类似于骨，利用多孔HA制备的人造关节、人造骨骼、人造牙等已成功应用于临床实验。为解决单一磷灰石材料的脆性以及机械强度上的局限，人们将多孔HA与聚乳酸等可降解材料、骨胶原、骨蛋白等的复合，成为热点研究方向。随着该类材料研究的不断深入，多孔磷灰石的制备方法将越来越多，复合多孔磷灰石材料也将受到科学工作者更多重视。届时，多孔磷灰石的各方面性能也将大大加强，多孔磷灰石材料的应用范围将会更广泛，为人类的生产生活提供更大的便利。

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Research Progressof Porous ApatiteMaterials

WANG Gang，GUAN Ye-bin，ZHANG Qun
(School of Chemistry and Chemical Engineering，Anqing Normal University，Anqing，Anhui246011，China)

Apatitematerial has been successfully used inmany fields such as biomedical and environmental governance because of its excellent biological activity,biocompatibility and good surface adsorption performance.The preparation methods and application fields of porous apatite materials are reviewed,and the application prospects of the porous apatite are also summarized.

hydroxyapatite；porousmaterial；biomaterial

TB333

A

1007-4260(2016)04-0077-04

时间：2017-1-3 17:19

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20170103.1719.020.html

2016-05-06

国家自然科学基金（41402037）。

王刚，男，安徽安庆人，安庆师范大学化学化工学院硕士研究生，研究方向为仿生矿化。E-mail：842774196@qq.com

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.04.020