羥基磷灰石濕法制備技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展

曹娜娜，張萬(wàn)東，王永蘭

（1.天津大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系，天津 300072；2.天津醫(yī)科大學(xué)）

羥基磷灰石簡(jiǎn)稱HAP，結(jié)晶化學(xué)式為Ca10（PO4）6（OH）2，晶體為六方晶系，結(jié)構(gòu)為六角柱體。HAP是脊椎動(dòng)物骨和牙齒的主要成分，而人工合成的納米HAP無(wú)機(jī)化學(xué)組分和晶體結(jié)構(gòu)與天然HAP極為相似，是一種典型的生物活性材料，具有獨(dú)特的生物活性和生物相容性，是生物材料研究的熱點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于骨組織的修復(fù)與替代材料以及藥物緩釋等的醫(yī)用領(lǐng)域。HAP獨(dú)特的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)異的理化性能，它的離子交換性能使其在工業(yè)廢水治理、廢氣治理等方面也得到廣泛應(yīng)用。HAP是一種微溶于水的弱堿性磷酸的鈣鹽，采用不同的合成工藝可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)、尺寸和形貌的可控制備。筆者綜述了HAP的濕法制備技術(shù)和其在環(huán)境治理、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 HAP的濕法制備技術(shù)

1.1 水熱合成法

水熱合成法是在水熱反應(yīng)釜中以水為反應(yīng)介質(zhì)，使難溶或不溶的物質(zhì)溶解并重結(jié)晶的一種方法。該法可獲得純度高、有序度高、結(jié)晶度高的HAP多晶粉末，一般生成正常配比的HAP（Ca與P物質(zhì)的量比為1.67），且不需要高溫焙燒晶化，避免了團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生 。 Q.F.Zhao 等［1］以 Ca（NO3）2·4H2O 和（NH3）2HPO4作為鈣源和磷源，以 F127（EO106PO70EO106）和CTAB（十六烷基三甲基溴化銨）為共模板劑，在80℃下水熱合成24 h，制得直徑約30 nm、長(zhǎng)度為100～300 nm、排列規(guī)整的介孔 HAP。 X.F.Xiao 等［2］用聚苯乙烯磺酸鈉（PSS）為模板水熱法合成HAP，證明PSS的用量和水熱溫度均能對(duì)產(chǎn)物的形貌產(chǎn)生很大的影響。在反應(yīng)體系中，PO43-和OH-從不同的方向吸附在立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的PSS上，與Ca2+結(jié)合形成HAP的晶核，使粒子沿各個(gè)方向均勻生長(zhǎng)，阻止其沿某一特殊晶面的進(jìn)一步生長(zhǎng)，從而形成球狀產(chǎn)物。M.Salarian等［3］在 120℃的水熱條件下，以 CTAB 為模板劑，聚乙二醇作為助模板劑，合成了長(zhǎng)徑比在20左右、直徑在80～150 nm的單分散的蒲公英狀HAP。而A.Lak等［4］在使用水熱合成法制備HAP的過(guò)程中，未添加任何模板劑，只加入乙二胺四乙酸（EDTA）作為絡(luò)合劑，使HAP晶粒自組裝成直徑在200 nm左右的具有蒲公英三維立體結(jié)構(gòu)的納米顆粒。Y.Z.Zhao等［5］水熱合成精氨酸修飾和銪摻雜的納米HAP，結(jié)果表明HAP-Eu呈短柱狀，長(zhǎng)約100nm。

1.2 液相沉淀法

沉淀法是制備HAP最常見(jiàn)的方法。在溶液狀態(tài)下將磷源［如（NH3）2HPO4、H3PO4、K2HPO4、Na2HPO4、P2O5、（CH3O）3PO 等］物質(zhì)加入到鈣源［如 Ca（NO3）2、Ca（OH）2、CaCl2、CaO、Ca（OC2H5）2等］物質(zhì)中，生成不溶性沉淀，經(jīng)過(guò)濾、洗滌、焙燒得到不同形狀的HAP粉體。因其制備工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)物顆粒小、成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但其粒子純度低，粒徑均勻性差，容易發(fā)生團(tuán)聚。 樊國(guó)棟等［6］以 Ca（NO3）2·4H2O 和（NH3）2HPO4為原料，以三乙醇胺為分散劑，在反應(yīng)體系溫度為 70℃、（NH3）2HPO4滴加速度為 3.33mL/min、焙燒溫度為800℃時(shí)，得到粒徑為8～15 nm的高純度HAP納米材料，用正丁醇處理后團(tuán)聚現(xiàn)象得到明顯改善。其采用正丁醇與濕凝膠混合，利用丁氧基置換膠體表面的—OH，然后進(jìn)行共沸蒸餾，使膠體中多余水分以共沸物形式蒸餾出來(lái)，形成一個(gè)穩(wěn)定的HAP-正丁醇體系，從而防止在焙燒過(guò)程中形成硬團(tuán)聚。高波等［7］以固廢磷化渣和NaOH為原料制得Na3PO4，在超聲波輔助下將Na3PO4溶液滴加到Ca（OH）2溶液中，在Na3PO4滴加速度為0.3 mL/min時(shí)，采用乙醇洗滌沉淀物，可獲得質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)99.5%、粒徑約50 nm的高結(jié)晶度和高分散性的納米HAP。研究表明，用無(wú)水乙醇洗滌得到的粉體松散，分散均勻，煅燒后顆粒較細(xì)。用無(wú)水乙醇洗滌，顆粒表面的大部分—OH基團(tuán)被無(wú)極性的—OC2H5基團(tuán)取代，可以脫除部分吸附水并取而代之，阻止由于羥基架橋作用產(chǎn)生的團(tuán)聚。D.W.Kim等［8］將Ca（OH）2懸浮液和H3PO4溶液在25℃條件下直接混合反應(yīng)得到HAP顆粒。其首先生成中間體CaHPO4·2H2O，在中間體上異相成核轉(zhuǎn)換成HAP顆粒，完全轉(zhuǎn)換需要5 h。該方法不會(huì)在體系中引入雜離子。H.Ito等［9］通過(guò)改變磷酸氫鈣水解條件得到不同形狀的HAP。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH為9～10時(shí)制得較長(zhǎng)纖維狀的HAP，而當(dāng)pH為11～13時(shí)制得針狀束取向排列的HAP，表明pH對(duì)HAP最終形貌有較大影響。

1.3 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種制備無(wú)機(jī)材料的新型工藝，其原理是利用金屬無(wú)機(jī)鹽或金屬醇鹽在水或醇溶劑中發(fā)生水解或醇解反應(yīng)，形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，經(jīng)陳化、脫水形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，再經(jīng)熱處理得到產(chǎn)物。溶膠-凝膠法不僅使反應(yīng)組分在分子級(jí)水平均勻混合，形成高純度、高均勻性的HAP粉體，而且反應(yīng)條件、摻雜量易控制，燒結(jié)溫度較低、成本較低，因而適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，獲得較高生物活性的HAP粉體。王少洪等［10］以H3PO4為前軀體，用NH4OH調(diào)節(jié)pH，然后將 Ca（NO3）2·4H2O 溶液滴加到上述溶液中，反應(yīng)中要不斷補(bǔ)充NH4OH使溶液pH恒定在10，滴定結(jié)束后，將其陳化、烘干、洗滌、焙燒。研究發(fā)現(xiàn)，采用溶膠-凝膠法制備的HAP粉體粒徑分布均勻、呈球形、團(tuán)聚極少，隨著溫度升高顆粒尺寸和結(jié)晶度增大，600℃燒結(jié)2 h得到純度高、晶化好的HAP。M.N.Salimi等［11］以 Ca（NO3）2·4H2O 和 P2O5為原料，乙醇為溶劑，采用溶膠-凝膠法制備出納米HAP顆粒，并考察了攪拌速度和溫度對(duì)產(chǎn)品粒徑的影響，溫度對(duì)顆粒大小稍有影響，在低攪拌速率下獲得長(zhǎng)方體狀顆粒，在較高轉(zhuǎn)速時(shí)得到拉長(zhǎng)的顆粒。徐曉虹等［12］以Ca（NO3）2·4H2O 和 P2O5為原料，無(wú)水乙醇為溶劑，采用溶膠-凝膠法制備了含CO32-的HAP粉體。結(jié)果表明，采用溶膠-凝膠工藝，調(diào)控反應(yīng)體系pH、反應(yīng)溫度及前驅(qū)體的熱處理溫度是獲得純度高、分散性好的納米HAP粉體的關(guān)鍵。這應(yīng)歸功于溶膠-凝膠工藝中采用了低表面張力的有機(jī)溶劑乙醇，在凝膠轉(zhuǎn)化和凝膠干燥過(guò)程中，顆粒均被大量有機(jī)物所包圍，吸附在顆粒表面的有機(jī)物有降低表面能、“屏蔽”膠粒表面—OH、減少粒子間毛細(xì)管力引起的締結(jié)力的作用，進(jìn)而有效地避免了顆粒之間接觸形成硬團(tuán)聚。G.Velu 等［13］以 Ca（NO3）2·4H2O 和（NH3）2HPO4作為鈣源和磷源，以藻酸作為絡(luò)合劑，在80℃下干燥，得到干凝膠，在110℃下繼續(xù)干燥5 h，經(jīng)過(guò)300℃熱處理得到粒徑為50～100 nm的六角形HAP。

1.4 反相微乳液法

反相微乳液法是近十幾年發(fā)展起來(lái)的合成納米粒子的新途徑，其優(yōu)點(diǎn)在于所得粉體粒徑分布窄，并能阻止顆粒團(tuán)聚和控制粒子分散性。Y.X.Sun等［14］在水熱條件下采用TX-100（聚乙二醇單辛基苯基醚）/正丁醇/環(huán)己烷/水溶液反相微乳液體系合成了鑭系元素?fù)诫s的HAP發(fā)光材料。研究表明，合成的材料具有單一晶體、尺寸分布均勻、高純度、高結(jié)晶度等特點(diǎn)。 M.A.S.Sadjadi等［15］研究了以環(huán)己烷、水、陽(yáng)離子表面活性劑和共表面活性劑及聚丙烯酸鈉（PAA）復(fù)配成的微乳液體系制備HAP。結(jié)果表明，PAA的存在影響著HAP晶體的結(jié)晶度、粒徑和形貌。

2 HAP的應(yīng)用

2.1 HAP在環(huán)境治理方面的應(yīng)用

2.1.1 HAP在重金屬污水治理方面的應(yīng)用

近年來(lái)，中國(guó)自然生態(tài)環(huán)境污染嚴(yán)重，而廢水、污水及廢氣的治理仍是一個(gè)棘手的問(wèn)題，對(duì)于各種復(fù)雜污染物的處理使用傳統(tǒng)環(huán)保工藝和環(huán)保材料已不能滿足需求，因此尋求與環(huán)境相協(xié)調(diào)、綠色環(huán)保的污染治理與環(huán)境修復(fù)工藝和材料已成為研究的重點(diǎn)。HAP較強(qiáng)的離子交換能力和較強(qiáng)的吸附性能，在含重金屬?gòu)U水治理中得到了重視和應(yīng)用。董春華等［16］以廢棄蛋殼為原料，通過(guò)煅燒法合成了碳HAP。利用碳HAP吸附模擬廢水中的Ni2+，考察Ni2+初始濃度、pH、吸附時(shí)間、吸附劑用量以及溫度等因素對(duì)吸附效果的影響。結(jié)果表明，當(dāng)廢水中Ni2+初始質(zhì)量濃度為 30 mg/L、pH=7、吸附時(shí)間為10 min、吸附劑用量為 0.08 g（100 mL廢水）、溫度為 35℃時(shí)，HAP對(duì) Ni2+的去除率接近 100%。 A.Corami等［17］利用納米HAP（n-HAP）吸附水溶液中的銅離子。研究發(fā)現(xiàn)，銅離子遵循朗繆爾等溫吸附方程，吸附機(jī)理可解釋為Cu2+在n-HAP表面的特性吸附以及與n-HAP晶格中的Ca2+發(fā)生了離子交換作用。M.Vila等［18］研究了由生物高分子材料包裹的大孔HAP泡沫并將其應(yīng)用于模擬飲用水被鉛、鎘和銅污染后的處理。研究表明，此方法具有高效快速捕捉重金屬離子的能力，并且成本較低。S.E.Asri等［19］通過(guò)將天然大孔磷酸鹽礦石經(jīng)過(guò)溶解再結(jié)晶的方法制備了介孔HAP材料，并將其應(yīng)用于含Pb2+、Cu2+、Zn2+等廢水的處理。結(jié)果表明，處理后的介孔HAP材料比天然大孔磷酸鹽礦石具有更好的吸附性能。

2.1.2 HAP在煙氣脫硝催化劑方面的應(yīng)用

磷灰石所具有的特殊晶體結(jié)構(gòu)和元素組成，使其具備很強(qiáng)的離子交換和吸附能力，據(jù)此可制備高分散、高穩(wěn)定的多金屬摻雜的催化劑；利用其表面的酸堿可調(diào)性，通過(guò)不同制備工藝，可達(dá)到調(diào)節(jié)表面酸性的可能性。如果把磷灰石合成為納米尺寸，就具有了小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)。磷灰石具有天然的孔道結(jié)構(gòu)所形成的微孔，如果將其制成具有大表面積和三維孔道結(jié)構(gòu)的介孔材料，其在脫硝領(lǐng)域?qū)⒕哂蟹浅Ｖ匾难芯績(jī)r(jià)值?，F(xiàn)今，有研究者利用HAP作為載體進(jìn)行脫硝實(shí)驗(yàn)，但只處于初步研究階段。如T.Hassib等［20］通過(guò)共沉淀法制備了HAP載體，然后以Cu（NO3）2為前驅(qū)體，采用離子交換法制備了Cu/HAP催化劑，在很寬的活性窗口（100～500℃）具有較好的 NH3-SCR（NH3選擇性催化還原）活性，結(jié)果表明，高度分散的CuO是活性位點(diǎn)，NO的選擇性也很高，但超過(guò)300℃時(shí)N2O含量增加。在有2.5%（體積分?jǐn)?shù)）水蒸氣存在時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率明顯下降。K.P.Anil等［21］將Ag負(fù)載在HAP載體上，進(jìn)行了C3H6-SCR脫硝實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在250～500℃窗口內(nèi)，Ag/HAP （Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%）具有最高的催化活性，NO轉(zhuǎn)化率達(dá)到70%，N2的選擇性達(dá)到60%。但未考察SO2、H2O對(duì)催化活性的影響。A.Ono等［22］通過(guò)溶膠-凝膠法制備了磷灰石類氧化物型［La8A2Si6O26（A=Ca、Sr、Ba）］載體，并用浸漬法負(fù)載了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Pt催化劑（Pt/La8A2Si6O26）。當(dāng)用丙烯做還原劑、反應(yīng)溫度低于300℃、A=Ca、Sr、Ba時(shí)，NO的轉(zhuǎn)化率分別為37%、41%、50%。

2.2 HAP在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

2.2.1 HAP在藥物緩釋方面的應(yīng)用

近年來(lái)，納米粒子逐步被應(yīng)用于藥物輸送方面，新型載體材料的開(kāi)發(fā)得到了人們的廣泛關(guān)注。尤其隨著生物技術(shù)的發(fā)展，一些新型藥物的開(kāi)發(fā)需要控制釋放體系才能發(fā)揮效用，例如高分子藥物 （蛋白質(zhì)、多肽、核酸等）以及不溶性藥物（如抗癌藥）。載藥材料應(yīng)具有如下新的特性：良好的表面或界面效應(yīng)、保證給藥的同時(shí)減少藥劑量、減輕或避免毒副作用、體內(nèi)有固定降解途徑。載藥材料還可以建立新的給藥途徑，如體內(nèi)局部給藥、多肽類藥物的口服給藥、黏膜吸收給藥。因此，在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域，納米緩釋系統(tǒng)發(fā)揮重要的作用并有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。通過(guò)不同的制備方法可以制備出不同尺寸和形貌的HAP載體，以便利用其與藥物相互作用的可調(diào)性，達(dá)到調(diào)節(jié)藥物控釋量和控釋速度的效果。F.Ye等［23］采用表面活性劑P123和吐溫60為模板合成了系列HAP載體，以萬(wàn)古霉素作為模型藥的載藥實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在pH為7.4的磷酸緩沖鹽溶液中藥物的釋放速度非常緩慢，而在pH為5.4的弱酸溶液中釋放速度顯著提高。所以，棒狀多孔HAP通過(guò)控制pH可用于靶向給藥。 R.X.Sun等［24］制備的中空開(kāi)口的HAP微球，以胰島素作為模板藥物，在體外溶出實(shí)驗(yàn)中，以pH=7.4的磷酸緩沖鹽作為溶出介質(zhì)，載體對(duì)胰島素表現(xiàn)出緩釋特征，并且藥物的突釋現(xiàn)象也顯著減少。P.P.Yang等［25］用CTAB陽(yáng)離子表面活性劑作為模板制備出了銪摻雜的發(fā)光中空棒狀HAP，以布洛芬作為模型藥的載藥實(shí)驗(yàn)中，布洛芬在1 h內(nèi)累積釋放率達(dá)到50%，12 h釋放完全，說(shuō)明納米多孔HAP對(duì)難溶性藥物起到緩釋的效果。同時(shí)，C.M.Zhang等［26］用CTAB做模板制備的鍶摻雜的介孔棒狀HAP，在以布洛芬作為模型藥的載藥量測(cè)試中，也表現(xiàn)出顯著的緩釋特點(diǎn)。

2.2.2 HAP在生物支架材料方面的應(yīng)用

納米HAP具有良好的生物相容性、生物活性、骨誘導(dǎo)性及骨傳導(dǎo)性，其能夠與骨組織良好結(jié)合，誘導(dǎo)新骨生成并為之提供支架，而且再經(jīng)過(guò)體液作用，納米HAP會(huì)發(fā)生部分降解，游離出鈣和磷，人體組織吸收和利用后會(huì)長(zhǎng)出新組織。但由于其易發(fā)生脆性斷裂、機(jī)械強(qiáng)度低、在負(fù)重和受到扭轉(zhuǎn)力時(shí)易折斷或碎裂，因而限制了其臨床應(yīng)用。雖然HAP納米化后生物力學(xué)和可降解性得到改善，但仍距骨組織工程支架材料的要求相差甚遠(yuǎn)，為提高材料的力學(xué)性能及新骨形成速度，需采用不同性質(zhì)的材料進(jìn)行雜化以獲得具有新性能的雜化支架。H.R.Liu等［27］采用聲電沉積法制備新型HAP/多孔碳纖維復(fù)合支架材料，對(duì)其空隙率、密度及抗壓性能進(jìn)行了測(cè)試。新型HAP/多孔碳纖維復(fù)合材料的孔隙率接近83.5%，容積密度為（0.297±0.009）g/cm3?？紫冻叽绶植紡?200μm到500 μm，且孔隙之間相互貫通，利于細(xì)胞的流動(dòng)。支架的抗壓、抗折強(qiáng)度分別為（1.187±0.064）MPa和（0.607±0.268）MPa。通過(guò)細(xì)胞黏附和增殖試驗(yàn)表明，HAP/多孔碳纖維復(fù)合材料支架能夠顯著促進(jìn)成骨細(xì)胞如MG-63細(xì)胞的黏附與增殖，具有很強(qiáng)的臨床應(yīng)用價(jià)值。Z.H.Dong等［28］采用發(fā)泡法合成含30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）納米羥基磷灰石（n-HPA）和70%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）聚氨酯（PU）的新型多孔n-HAP/PU復(fù)合支架材料，納米羥基磷灰石均勻分散在聚氨酯基體上，支架的孔隙率和抗壓強(qiáng)度分別為80%和271 kPa。通過(guò)模擬體液浸泡實(shí)驗(yàn)，表明該支架材料無(wú)細(xì)胞毒性并且可降解。多孔結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)利于細(xì)胞黏附、生長(zhǎng)和增殖的微孔環(huán)境，n-HAP/PU支架材料可滿足組織工程的要求，并有應(yīng)用于人類膝關(guān)節(jié)半月板和關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)和替代的潛力。W.W.Thein-Han等［29］采用納米HAP和殼聚糖制備出三維殼聚糖納米HAP，比較了殼聚糖支架與三維殼聚糖納米HAP的生物學(xué)特性和理化性能。三維殼聚糖納米HAP具有更強(qiáng)的壓縮模量，降解速率慢減少水分吸收，有利于前成骨細(xì)胞生物反應(yīng)包括細(xì)胞的黏附和擴(kuò)散。

3 結(jié)論

HAP吸附重金屬離子過(guò)程比較復(fù)雜，至今沒(méi)有普遍適用的理論依據(jù)，一般HAP吸附重金屬離子的機(jī)理主要有表面吸附、離子交換、溶解沉淀作用等，而不同離子的吸附也有不同的作用機(jī)理，是一種機(jī)理在起作用還是幾種機(jī)理同時(shí)起作用，這是研究者以后面對(duì)的主要問(wèn)題。雖然HAP制備方法的研究已取得較快發(fā)展，但完全實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子粒徑及形貌的完全可控制備仍是今后研究重點(diǎn)，尤其是HAP的表面改性。如果從分子水平進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，賦予HAP生物材料表面良好的生物相容性和生物活性，以滿足生物醫(yī)學(xué)對(duì)HAP粉體的要求亦是未來(lái)研究的方向。

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