羟基磷灰石复合材料制备技术的研究进展

张 琦， 浦益琼， 王 冰*， 张 彤， 吴佩颖

（1.上海中医药大学，上海201203；2.上海杏灵科技药业股份有限公司，上海201703）

羟基磷灰石复合材料制备技术的研究进展

张 琦1， 浦益琼1， 王 冰1*， 张 彤1， 吴佩颖2*

（1.上海中医药大学，上海201203；2.上海杏灵科技药业股份有限公司，上海201703）

生物材料羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）是脊椎动物骨骼和牙齿的重要无机组分，具有优良的生物相容性、生物活性、骨传导性，化学性质稳定，可作为药物缓释载体和骨组织工程学的修复材料。但其单独使用时，存在脆性大、抗疲劳强度不高、易团聚等缺点，因此多与其他材料联用，以形成性质更加优良的复合材料。另外，在羟基磷灰石中，纳米羟基磷灰石 （nHA）由于具有高比表面积、高载药量、肿瘤抑制性等常规HA所不具有的性质，受到了更加广泛的关注。本文查阅近15年来国内外相关文献，从纳米羟基磷灰石复合材料的制备方法及其各自优势进行综述，以展示羟基磷灰石复合材料在制剂应用中的进展，对研究者开展相关研究提供文献基础。

羟基磷灰石；纳米羟基磷灰石；复合材料；制剂工艺

随着制药技术和材料科学的不断发展，新药品与新技术的不断研发，对那些科技含量高、环境负荷低、生物相容性好、载药量高、再分散性好、可生物降解且能定时定点定量释药的载体材料的需求正日益迫切。但是目前来看，对于单一成分的载体而言，很难同时具有上述性质，而复合材料的出现则解决了这一问题。复合材料是将两种或两种以上的材料通过物理或化学方法处理，制备出在性状外观及微观组成上具有新性能的复合材料。本文查阅近15年来国内外相关文献，将纳米羟基磷灰石复合材料的制备方法及其各自优势进行综述，以展示羟基磷灰石联用复合材料在制剂应用中的进展。

羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）又称羟磷灰石，是人体骨骼组织的主要无机组成成分，人的牙釉质中其含有量约为96 wt%，骨头中也占到69 wt%左右。自从20世纪50年代以来，随着人们对其认识的深入，HA受到了国内外材料学家和药学研究人员的广泛关注。而纳米羟基磷灰石 （nHA）是一种新型纳米生物材料，具有无毒、无刺激性、比表面积较大、载药量大、生物相容性优良、生物活性高、化学性质稳定等优点。但是，由于其单独使用时具有脆性大、抗疲劳强度不高、可塑性差、易团聚、释药时有突释效应等缺点，因此需要与其他材料联用，以改善这些缺点，获得更加优良的制剂材料性能。

1 纳米材料复合的目的

根据李凤生等［1］研究显示，对于纳米材料复合的目的可以分为两点：（1）改善纳米微粒的分散性。纳米微粒分散性差是由于其自身的性质所决定的，而使用其他材料在纳米微粒表面发生吸附、反应、包裹或成膜时能够降低表面能，防止团聚； （2）使得纳米微粒具有新的功能特性。材料经复合后能发挥其共同的优势，甚至可以具有新的物理、化学或生物功能来满足新的需求［2］。

2 nHA复合材料的制备方法

通常nHA可以与甲壳素、聚乳酸、聚氨酯、聚乙烯、聚乙二醇、胶原等成分及其衍生物结合，形成复合材料［3］。其常用的制备方法有机械混合法、表面包覆法、乳剂法、原位聚合法、表面聚合物枝接法。

2.1 机械混合法 机械混合法［1］是纳米材料联用的最基本方法之一，通过机械研磨、搅拌使多种材料均匀地混合在一起，形成新型材料。其中，常用的方法有超声、研磨、搅拌、熔融挤出以及静电纺丝等，但是由于单一的方法存在不足，因此常通过多种方法配合使用，以达到较好的效果。常与nHA结合形成复合材料的成分有聚乳酸、壳聚糖、聚氨酯以及其他纳米纤维。

李丽等［4］利用超声分散和研磨法合成了nHA/聚1，2-丙二醇-癸二酸-柠檬酸酯的复合材料，使得nHA的拉伸强度和弹性有所提升。刘爱红等［5］利用粒子沥滤法合成了纳米羟基磷灰石/羧甲基壳聚糖多孔生物复合材料，他们将一定比例的nHA与羧甲基壳聚糖置于球磨机中充分混合后，加入等量的对二氯苯 （造孔剂）研磨混合，超声振荡2 h后，加入16.7 wt%的柠檬酸溶液，混匀后注入模具，加压成型，于空气中放置4 h，再置于乙醇中超声振荡8 h，最后80℃下烘3 h即得，其中复合材料内的成分并无改变，依然是HA与羧甲基壳聚糖，但是羧甲基和胺基分别与HA的羟基和Ca2+发生了不同程度的作用，形成了比较稳固的界面结合，并且提高了材料的孔隙率以及抗压强度

（21 MPa）。Jiang等［6］通过搅拌、冻干的方法，将壳聚糖和羧甲基纤维素加入nHA悬浊液中，充分搅拌后加入冰醋酸，固化后于-30℃的环境下冷冻过夜，冻干后获得支架材料，其中各组成成分未发生改变，而壳聚糖的-NH3+与羧甲基纤维素的-COO-之间通过静电吸引形成网状结构，nHA填充于其中，形成稳定结构，其抗压强度好、孔隙率高、有良好的组织相容性。Cheng等［7］通过熔融-混合与注射成模工艺制备了聚丙烯/碳纳米纤维-羟基磷灰石纳米棒复合材料，先将各成分熔融混合，再挤出制粒，干燥后通过注射成模工艺制成复合材料，其抗形变能力、热稳定性以及生物相容性都有所提高。Adnan等［8］将胰岛素 （I）插接于nHA表面，然后使用聚乳酸（PLGA）通过静电纺丝法制备出PLGA/nHA-I复合纳米纤维，体外研究发现其对细胞黏附、增殖和分化的促进作用大于单一材料。Wu等［9］通过静电纺丝技术和仿生矿化制备出了I型胶原/聚己内酯/纳米羟基磷灰石支架，其具有优良的生物相容性和骨诱导性，可以作为一种牙周组织工程学的新型支架材料。Kolmas等［10］将nHA与前期制得的聚氨酯 （溶于二甲亚砜）和NaCl（致孔剂）混合，注入模具，洗涤干燥后制得多孔复合二磷酸盐给药材料，对二膦酸盐类药物有缓释作用，有较高的载药量和较好的机械性能。另外，孙康宁等［11］通过超声分散工艺制备出了较佳的碳纳米管/羟基磷灰石复合材料。

2.2 表面包覆法 表面包覆法是指在一定介质中，使所复合的材料通过物理方式均匀地包覆于另一材料表面，以优化材料性质的方法。它可以在包覆材料表面形成壳核结构，降低材料的表面能，使其具有良好的分散性以及缓释控释作用，并且根据所选材料不同，能赋予材料新的特性，如高弹性、抗压强度等。通常表面包覆法主要可以分为固相包覆法、液相包覆法、物理气相包覆法、微胶囊包覆法［1］。

由于nHA为纳米结构，不易进行固相、气相包覆，因此其复合材料的制备多用液相包覆法，而且以沉淀法和溶胶凝胶法为主。薄颖慧等［12］利用液相包覆法 （沉淀法）制备了聚乳酸/羟基磷灰石复合材料，向HA的丙酮悬浮液中加入相当于体积2%～3%的聚乳酸，充分搅拌后滴加等体积量的水，使聚乳酸沉积于nHA表面，所得粒子显示出良好的分散性。许凤兰等［13］通过溶液法 （溶胶凝胶法）首次将羟基磷灰石和聚乙烯醇 （PVA）溶液复合，制备出nHA/PVA复合水凝胶复合材料，能够降低nHA的表面能，有利于其分散，同时nHA/PVA复合材料兼具nHA的生物活性和PVA的高弹性、高含水性，并且制备技术简单，材料易于加工成型。庞桂花等［14］通过溶剂沉淀法，并利用聚乙二醇、聚乙烯醇、硬脂酸对nHA进行了物理包覆，其中以5%聚乙二醇/nHA的分散性最好。冯庆玲等［15］采用仿生法（沉淀法），将Ⅰ型胶原蛋白加入含nHA的HCl溶液中，稀释混匀后滴加KOH溶液，当pH=7.4时出现沉淀，离心、冻干后得到羟基磷灰石/胶原的复合材料，这是一种可以与骨组织形成界面化学键合的、具有生物降解性的生物活性材料。Uskokovic′等［16］利用超声辅助的连续沉淀法制备出了羟基磷灰石/壳聚糖纳米微粒，它能够明显地降低药物的突释效应，并且可以实现控释缓释。

2.3 乳剂法 王杨等［17］制备以羟基磷灰石为载药核心，以聚羟基丁酸酯-羟基戊酸酯共聚物/聚乙二醇（PHBV/ PEG）为外包物的nHA-PHBV/PEG-GM缓释小球，将含药的nHA冻干粉分散于含有PEG和PHBV的二氯甲烷溶液中作为内向，迅速倒入含0.4%甲基纤维素的外水相中，剧烈搅拌使二氯甲烷完全蒸发，即得缓释小球，其具有良好的组织相容性、载药量大并具缓释作用。Schlaubitz等［18］使用W/O乳剂法将nHA和多糖微粒复合，取75%支链淀粉和25%右旋糖酐溶于nHA的混悬液中，以NaCl为致孔剂，然后在搅拌下将混合物分散到菜籽油中，通过三偏磷酸钠使多糖小球发生交联 （50℃、20 min），所得的支链淀粉/右旋糖酐/nHA多孔复合小球用于填充骨缺损时，具有更好的骨形成性和矿化作用。李像等［19］采用单乳化溶剂挥发法 （S/O/W）制备聚乳酸/纳米羟基磷灰石—多西紫杉醇（PLGA/nHA-DTX），在溶有DTX的二氯甲烷（DCM）中加入nHA微粒，充分混匀后除去DCM，再将所得干粉加入含PLGA的DCM溶液中，高速搅拌形成S/O乳剂，迅速倒入含过量甲基纤维素的去离子水中，得到S/O/ W乳液，搅拌至DCM完全挥发后，静止、离心析出沉淀，冻干即得，所得的PLGA/nHA-DTX复合微球对药物有较强的吸附作用 （形成氢键），能提高药物的包封率和缓释作用。

2.4 原位聚合法 原位聚合法是指在一定条件下，将材料的合成与联用同时进行以形成复合材料的方法［20］，通常有共沉淀法、共滴定法、交替沉淀法、溶胶凝胶法。

吕彩霞等［21］通过共沉淀法直接制备纳米羟基磷灰石/壳聚糖/硫酸软骨素复合材料，将硫酸软骨素以去离子水溶解后，加入壳聚糖溶液中，混合均匀后加入硝酸钙溶液，在剧烈搅拌下滴入磷酸二氢钾溶液，所得沉淀即为该复合材料，其具有生物活性和相容性，有利于基质细胞的贴附和生长，能够作为骨修复材料使用。Reves等［22］采用共沉淀法，将壳聚糖溶液滴入混合溶液中形成壳聚糖/nHA小球，以其制成的骨支架材料具有良好的抗压强度和生物相容性。林晓艳等［23］通过共滴定法制备了纳米羟基磷灰石/胶原蛋白复合材料，与微米级的复合材料相比，其生物可降解性高、表面能更大、生物活性更高、生物相容性更良好。Jiang等［24］通过交替沉积法将nHA沉积于含PET+SF（聚对苯二甲酸乙二醇酯+丝素蛋白）的人工韧带上，将其浸于CaCl2溶液中，置于机械摇动器 （150 r/min、37℃、1 h）上，之后用滤纸吸干多余水分，置于Na2HPO4溶液中1h（Ca∶P为1.67），交替进行3次，洗净干燥后获得PET+SF+nHA人工韧带，它能够在骨形成过程中形成一个更加自然的微环境来增加其骨诱导性和骨传导性。杨晓庆等［25］利用溶胶-凝胶法，通过钛酸丁酯的水解和冰醋酸来控制反应速率，从而原位合成了医用羟基

磷灰石/二氧化钛纳米复合材料，实现了羟基磷灰石和二氧化钛在纳米级上的复合，使两者之间形成化学键，具有自清洁性、防尘杀菌性、生物相容性和活性。郭文豪等［26］利用羧甲基葡萄糖和Ca2+的相互作用，诱导羟基磷灰石成核生长，成功制备了羧甲基葡萄糖/羟基磷灰石纳米复合微粒，形貌为核壳结构，粒度分布均匀。

2.5 表面聚合物枝接法 表面聚合物枝接法指在纳米微粒表面通过聚合反应生成聚合物膜，形成核壳结构的纳米聚合物复合粉体［1］，由于纳米材料枝接后的表面性质由高分子结构决定，因此可以其具有的空间位阻效应或者静电排斥作用来提高材料的分散性。

表面聚合物枝接法用于nHA时，通常是利用其自身带有的羟基基团或Ca2+来进行的，有时还会利用偶联剂或交联剂。魏俊超等［27］先使用γ-氨基丙基三乙氧基硅烷对nHA进行表面处理，将其表面的羟基基团替换为活性氨基基团，引发γ-苄基-L-谷氨酸-N-羰基环内酸酐的开环聚合反应，获得表面枝接聚 （γ-苄基-L-谷氨酸）的羟基磷灰石，再以异丙醇为引发剂，辛酸亚锡为催化剂，引发丙交酯的开环聚合反应，制备出表面枝接聚 （γ-苄基-L-谷氨酸）的羟基磷灰石/聚乳酸纳米复合材料，其具有良好的生物相容性。Liao等［28］通过表面枝接法将聚γ-苄基-L-谷氨酸（PBLG）枝接于HA纳米微粒上形成PBLG-g-HA，然后经热致相分离法制得PBLG-g-HA/PLLA多孔支架，此复合材料能够用于骨组织愈合，可以诱导新骨生成并且抑制破骨细胞的繁殖。杨春莉等［29］首次采用十八烷基三氯硅烷 （OTS），通过硅烷化反应在HA颗粒的表面构建出共价键键合改性层，再与聚乳酸 （PLLA）复合形成了多孔材料，OTS的存在提高了PLLA和HA之间的界面相容性，同时不会改变细胞在复合材料上的黏附和生长状态。徐敏等［30］通过HA和γ-氨丙基三乙氧基硅烷反应，得到表面氨基化的羟基磷灰石（HAAPS），然后引发L-苯丙氨酸的N-羰基环内酸酐开环聚合，得到表面接枝L-聚苯丙氨酸的羟基磷灰石，该材料能够有效地防止HA的团聚作用，并且具有良好的生物相容性。Zeng等［31］应用酰溴（BIBB）对nHA的羟基基团进行取代，再利用甲基丙烯酸羟乙酯 （HEMA）对其进行取代形成HA-PHEMA，最后与ε-己内酯（ε-CL）通过开环聚合反应形成分子刷状的表面枝接物。Asefnejad等［32］利用溶胶凝胶法，将nHA加入预先配置好的聚氨酯溶液中，充分搅拌后迅速冻干，使溶剂蒸干，得到了聚氨酯/磷灰石纳米复合支架，其中nHA上的羟基基团与聚氨酯形成了稳定的化学键，此材料具有多孔性，并且孔径明显降低，其抗压强度、吸水性均有所提高。罗庆平等［33］通过熔化共混等工艺制备了羟基磷灰石粉末的磷酸单酯 （PL）偶联剂表面改性复合物，PL是一种高效偶联剂，与HA的反应活性高 （其亲水基团与HA的OH发生吸附，形成化学键），能与之形成稳定的键合，所得到的HA-PL具有良好的疏水性和稳定性，再与其他高聚物共混能够大大改善HA与高聚物的结合性能。廖建国等［34］采用硅烷偶联剂 （KH-560）对纳米羟基磷灰石进行处理，其中硅羟基 （Si-OH）与磷酸氢根（HPO4

2-）基团之间能够脱水形成稳定的Si-O-P化学键，此外硅羟基与HA表面的-OH间亦能够脱水形成化学键合，之后再与聚碳酸酯 （PC）复合，形成具有良好化学性能的HA/PC复合材料。

3 展望

纳米羟基磷灰石是一种无毒、无刺激性、有较高的比表面积、载药量大、有优良的生物相容性、较高生物活性以及稳定的化学性质的新型生物材料，羟基磷灰石以其独有的优势在当今受到了越来越多的重视。虽然在其单独使用时有诸如脆性大、抗疲劳强度不高、可塑性差、易团聚、释药时有突释效应等缺点，但是当nHA与其它材料联用后，这些问题都会得到解决或者改善。但是，仍有许多问题有待解决，如有些制剂口服给药的生物利用度较低，只能通过静脉注射等方法给药，患者依从性差，例如紫杉醇注射液［35］；另外，虽然通过实验室制备出了符合药用条件的制剂材料，但是其生产成本过高，不利于进行工业化生产，需要对制剂工艺进行优化改善。相信未来通过材料学、医学、物理学、生物化学等多个领域的合作，这些问题都会得到解决，获得更理想的纳米羟基磷灰石复合材料，充分发挥其应用价值。

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R944

A

1001-1528（2015）12-2722-04

10.3969/j.issn.1001-1528.2015.12.032

2014-12-29

国家自然科学基金 （81303233）；上海市卫生局项目 （20124074）

张 琦（1992—），男，硕士，研究方向为中药微粒给药系统。E-mail：Zhang645654@163.com

*通信作者：王 冰，女，副教授，从事中药纳米给药系统研究。E-mail：annabel_cn@163.com