羟基磷灰石复合材料的应用进展

方紫焱

(1.天津工业大学 省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室，天津 300387； 2.天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 300387)

羟基磷灰石(Hydroxyapatite，简称HA)是自然界中生物骨组织的构成要素，随着科技和医学的不断前行，人工合成的羟基磷灰石(HA)也变得越来越多，它可以凭借自身的生物相容性、生物活性、骨传导性在骨治疗上发挥重要的作用。过去的二十年中，羟基磷灰石在骨和牙齿植入、吸附重金属等领域均有报道[1-3]。但在实际应用中，不容忽视的是羟基磷灰石自身存在的机械性能不佳、使用中容易团聚、使用后回收困难等缺点，这些缺点极大的限制了它的广泛应用。所以，将羟基磷灰石纳米粒子与合适的载体进行复合，可以充分发挥羟基磷灰石的优势，弥补在应用过程中的不足。本文综述了羟基磷灰石复合材料在生物医学领域、力学领域、吸附分离以及新材料研发等方面的应用进展。

1 在生物医学领域的应用

骨科治疗中，由于疾病、创伤和损伤等原因，需要新的人工骨移植作为治疗手段，可植入性骨替代物在严重骨缺损中的应用越来越广泛，由聚合物作为基体，HA作为填充剂组成的复合材料被认为是同种异体移植物、致密陶瓷生物材料等这些传统材料的最具潜力的替代物[4]。Jackson等[5]通过不同聚氨酯和HA配比，制备出了聚氨酯/HA复合材料，经细胞测试表明该复合材料可促进体外细胞粘附，增殖以及成骨分化。Lian等[6]制备了一系列具有不同HA与明胶比例的新型HA纳米线/明胶复合膜，二者比例为7∶3时复合膜上的小鼠骨髓间充质干细胞的成骨分化优于其余膜，因此该比例的复合膜具有作为骨修复和再生的骨替代物的潜力。Zhang等[7]成功制备了新型超长羟基磷灰石微管(HMT)/壳聚糖(CHS)复合支架。通过使用硫酸庆大霉素(GS)作为模型药物，与CHS-羟基磷灰石纳米棒支架和纯壳聚糖支架相比，HMT-CHS复合支架具有较高的载药量，表现为持续的药物释放行为和高抗菌活性。Zou等[8]制备了HA增强的聚碳酸亚丙酯(PPC)复合材料，体外细胞培养表明该复合材料是细胞附着和生长的有利模板。通过兔股骨defects缺损的体内植入证实了HA/PPC复合材料具有良好的生物相容性和逐步生物降解性，可以引导骨再生。

2 在力学领域的应用

近年来，以HA作为增强体的复合材料得到了较快的发展。HA常用作添加剂与其他材料复合，进而改善复合材料的机械性能。Verma等[9]通过微波加工路线制造纳米HA增强的聚己内酯(PCL)复合泡沫。在PCL中添加5wt%至20wt%的纳米HA作为增强材料制备出了HA/PCL复合泡沫。通过测试表明力学性能得到了一定程度的提升，与纯PCL泡沫相比，使用20wt%HA的HA/PCL复合泡沫拉伸、硬度、挠曲强度分别高145.90%，52%和96%。利用微波能量制造复合材料是一种快速而新兴的制造途径。Verma等[10]利用微波能量制备了纳米HA增强的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料。研究表明，加入20wt%的纳米HA填料，UHMWPE/HA复合材料的杨氏模量，极限抗拉强度，挠曲强度和硬度的相对百分比增长分别为70.65%，35.52%，42.84%和39.24%。Okada等[11]将壳聚糖(CS)-NaH2PO4溶液在含钙离子的凝固浴中凝固得到单纤维，再用氢氧化钠溶液处理，在纤维基质中形成HA，制备CS/HA复合纤维。随着湿润剂磷酸二氢钠的增加直至0.03 mol，壳聚糖分子的取向以及CS与HA之间的相互作用发生了变化，机械性能得到改善。Chakravarty等[12]研究了用聚乳酸(PLA)和纳米HA增强的龙虾壳废壳几丁质在生物医学应用中具有潜在优越的机械性能。使用离子液体乙酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓盐([C2mim][OAc])作为溶剂制备了几丁质/PLA/纳米HA复合材料，研究发现添加纳米HA可将复合材料的强度提高至140%，断裂伸长率提高至465%。Ran等[13]采用原位沉淀方法合成壳聚糖-s蚕丝纤维蛋白/羟基磷灰石(CS-TSF/HA)水凝胶， 在不改变成分、形态、粗糙度和晶体结构的情况下，CS-TSF/HA复合材料的弹性模量和断裂强度等力学性能可以随着在甲醇中处理时间的变化而不断变化，CS-TSF/HA复合材料的弹性模量在250至400 MPa之间，而断裂强度在45至100 MPa之间。

3 在吸附领域的应用

HA由于其无毒无害和自身结构的优异性常用于吸附领域，但是在单独使用时不可避免团聚、吸附效率受限和吸附后不易回收等缺点，所以通常与较为理想的载体结合成复合材料。Dong等[14]采用原位沉淀法将HA与MnO2复合，得到HA/MnO2复合材料。实验过程中，通过考察溶液的pH、腐殖酸等共存物质和竞争阳离子(Ca2+、Mg2+)、初始溶质浓度、反应时间等因素发现溶液的pH值以及共存的Ca2+、Mg2+对Pb2+的去除没有明显影响，HA/MnO2复合材料是一种从水溶液中去除铅离子有效的吸附剂。Sun等[15]使HA纳米粒子原位形成于壳聚糖(CS)基体中制备了HA/CS复合膜。通过改变pH值、初始溶菌酶(LZ)浓度和吸附时间，研究了HA/CS复合膜对LZ的吸附行为。结果表明，复合膜具有较高的LZ吸附量，达到203.9 mg/g。并且此复合膜具有较高的解吸能力，在吸附和解吸的第四个循环中仍然保持了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绿色声化学途径合成了纤维素/HA纳米复合材料。使用血红蛋白(Hb)作为模型蛋白质，研究了纤维素/HA纳米复合材料的蛋白质吸附特性。在Hb初始浓度为4.0 mg时纤维素/HA纳米复合材料的蛋白质吸附量达到321.5 mg/g，且吸附平衡时吸附量达到343.2 mg/g，吸附百分比最高达到80.9%。Raghav等[17]以HA为原料合成了独特的立方型棒状生物高分子复合材料即新型果胶HA。由于其独特的形状可提供更大的表面积，与其他HA吸附剂相比，该复合材料对氟的吸附能力较强。综合研究表明，该复合材料可作为一种高效的吸附剂，用于饮用水和其他水源的氟去除。

4 在新材料研究领域的应用

在科技信息不断进步的今天，对新材料的开发及其相关领域应用方面的探究从未止步，人类对于研发新材料以满足不断提升的工业和生活方面的需求依旧十分强烈。Xue等[18]通过原位合成和乳化-交联工艺的协同作用制备了新型聚乙烯醇/羟基磷灰石(PVA/HA)的仿生复合微球，当掺入20wt%的HA时，制得的PVA/HA复合微球呈现平均粒径约为39.0 μm，具有高分散性和均匀的微观结构，此时也表现出最佳的药物释放行为。李全[19]采用乙酸钠为新模板剂，结合回流-水热法制备了新型纳米结构HA，在此基础上采用溶剂浇铸/真空挥发/粒子沥滤法，以二氧六环为溶剂，氯化钠为致孔剂，制备了HA/聚乳酸多孔复合材料。该复合材料具有两级孔隙结构，并且通过改变氯化钠的粒径大小和溶剂挥发温度可以对材料的两级孔径进行调控。朱开平等[20]首先使硼酸盐玻璃在磷酸盐溶液中的原位转化反应制备了多壳层介孔中空HA，再在HA表面包覆一层敏感型壳聚糖，合成了一种具有良好药物缓释和pH敏感型特性的新型复合药物载体材料。释药结果表明：中空HA在释药初期产生了突释现象，包覆壳聚糖后，复合载体的释药量和释药速率显著下降。Xue 等[21]在油包水乳液中，制备了聚乙烯醇/硅/羟基磷灰石(PVA/SiO2/HA)新型三元复合微球。SEM结果表明，PVA/SiO2/HA复合微球的球形规则，分散性好。与双组分微球(PVA/SiO2和PVA/HA复合微球)相比，PVA/SiO2/HA复合微球对盐酸万古霉素(VH)的负载能力和缓释能力均有增强。

5 结语

总之，羟基磷灰石复合材料在生物医学、力学、吸附分离以及新材料研发等领域的研究中已经显示出了广阔的应用前景。随着当代材料、生物、能源、信息与环境之间的相互影响以及深刻变化，以羟基磷灰石为基础，孜孜以求高性能、多功能、智能化新材料及其结构高效演化体系，以适应医学、工业、环保等高端领域是重要的发展趋势。