掺杂不同离子的羟基磷灰石涂层研究现状

周欢 杨蒙蒙 侯赛赛 邓林红 熊信柏 倪昕晔

213164常州大学生物医学工程与健康科学研究院（周欢、杨蒙蒙、侯赛赛、邓林红）；213164常州大学制药工程与生命科学学院（杨蒙蒙），材料科学与工程学院（侯赛赛）；518060深圳大学材料学院（熊信柏）；213003常州，南京医科大学附属常州第二人民医院放疗科（倪昕晔）

掺杂不同离子的羟基磷灰石涂层研究现状

周欢 杨蒙蒙 侯赛赛 邓林红 熊信柏 倪昕晔

213164常州大学生物医学工程与健康科学研究院（周欢、杨蒙蒙、侯赛赛、邓林红）；213164常州大学制药工程与生命科学学院（杨蒙蒙），材料科学与工程学院（侯赛赛）；518060深圳大学材料学院（熊信柏）；213003常州，南京医科大学附属常州第二人民医院放疗科（倪昕晔）

羟基磷灰石作为天然骨的无机组分，是良好的生物陶瓷材料，被广泛应用于惰性支架的表面改良。但在天然骨中，羟基磷灰石往往掺杂了众多离子，而这些离子对骨的新陈代谢起着一系列的作用。研究表明，离子掺杂可以有效地提高羟基磷灰石涂层的生物相容性与功能性，进而增强植入材料与骨的结合，促进周边骨组织的生长。概述了离子掺杂羟基磷灰石涂层的研究现状，并分别叙述了阳离子镁、锶、锌、锰、铜、银及阴离子硅酸根、碳酸根、氟的掺杂对于羟基磷灰石涂层的影响，对离子掺杂羟基磷灰石涂层的发展方向进行了展望。

羟基磷灰石； 离子掺杂； 涂层

Fund program：Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BK20151181);Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars(State Education Ministry(2014)1685)

0 引 言

不锈钢、钛合金、钴合金等金属植入物和氧化锆、氮化硅、碳质材料等陶瓷材料目前被广泛应用于临床骨植入支架[1-2]。但是这些惰性材料植入后与人骨之间只能形成简单的机械结合而非强度较好的化学结合，这会导致其被纤维组织包围，影响材料植入后的稳定性及周边骨组织的生长。自20世纪70年代起，受人体骨组织中主要无机成分为羟基磷灰石的启发，羟基磷灰石材料被用于构建这些惰性植入材料的表面涂层，通过其自身的生物活性、生物相容性及骨传导性，使支架材料与骨组织形成良好的结合并促进新生骨组织的形成[3]。涂层构建手段如等离子喷涂法、溶胶-凝胶法、仿生溶液法、电化学法及脉冲激光淀积等目前已被大量报道。在后续研究中，研究者发现骨组织中的无机组分并非单一纯粹的羟基磷灰石，其结构中往往掺杂了众多的微量元素（如镁、锶、锌、锰、氟等），从而自然骨与人工合成的羟基磷灰石在材料理化性能上存在着一定的差异性[4]。此外大量研究结果表明，这些微量元素对骨的新陈代谢有着深刻的影响[5-7]。基于此，研究者开始在羟基磷灰石涂层中尝试掺杂各类有益的第三方离子，并希望借此赋予磷酸钙涂层一些特殊的物化及生物功能，进而促进骨的再生与提高植入支架的长期稳定性。这些掺杂离子按照带电电荷的正负分为阳离子、阴离子掺杂；按照掺杂离子种类的数量分为单种离子、多种离子掺杂。

1 阳离子掺杂

1.1 镁离子

镁离子是人体组织中主要的阳离子之一，可调控骨骼的矿化和机械性能，有利于成骨细胞的生长分化，促进骨形成；镁离子可以进入羟基磷灰石的晶格，调控羟基磷灰石的降解速度和生物活性，但少量的镁离子不会影响羟基磷灰石的形貌[6]。倪昕晔等[8]用电磁感应法在碳/碳复合材料表面制备与人骨镁含量相当的羟基磷灰石涂层，镁占涂层的质量分数分别为0、0.28%、0.32%、0.49%。实验结果表明，镁离子能进入羟基磷灰石晶格内部降低羟基磷灰石的结晶度，且加强羟基磷灰石棒状晶体的集束化程度；当涂层的镁离子含量在人骨镁含量的范围内时，镁含量越高，体外大鼠成骨细胞的黏附、增殖以及分化能力越强。何福明等在成年兔股骨内分别植入具有掺镁羟基磷灰石和羟基磷灰石涂层的植入物，切片实验结果表明，术后第7～53天，掺镁羟基磷灰石实验组的骨沉积率、骨面积率均大于对照组；而术后第7天与第28天实验组的骨接触率显著高于对照组。因此掺镁涂层更有利于植入物的早期骨结合，由此推测与镁离子可促进成骨细胞在羟基磷灰石涂层表面吸附生长及提高涂层溶解性有关[9]。与此类似，Mróz等[10]在多孔钛支架表面使用脉冲激光沉积构建了掺镁羟基磷灰石涂层，并将其植入兔子股骨破损处。6个月后，含有掺镁羟基磷灰石涂层的实验组的骨生长显著高于多孔钛支架的对照组。

1.2 锶离子

锶离子在骨代谢过程中可促进体内胶原蛋白和非胶原蛋白的合成，有利于成骨细胞的增殖，且对破骨细胞的分裂增殖有一定抑制作用[5]。Yang等[11]使用等离子喷涂及微弧氧化技术分别构建了掺锶羟基磷灰石涂层，并比较了成骨细胞在掺锶羟基磷灰石涂层与羟基磷灰石涂层表面的生长情况，发现锶离子的存在不会改变涂层的形貌，但可以显著提高成骨细胞的生长与分化。Zhou等[12]则发现，锶离子可提高羟基磷灰石涂层表面成骨细胞胶原蛋白、碱性磷酸酶、骨钙素及骨桥蛋白相关基因的表达。Boanini等[13]报道了掺锶羟基磷灰石涂层可促进成骨细胞细胞外基质与碱性磷酸酶的生成，并抑制破骨细胞的生长；同时，掺锶羟基磷灰石涂层可与抗骨质疏松药物双磷酸盐协同使用，共同调控成骨细胞及破骨细胞的活性。

1.3 锌离子

锌是人体中最重要的微量元素之一，在细胞的生化反应过程中起着关键作用。目前，将掺杂锌离子植入羟基磷灰石主要基于两方面考虑：①锌离子通过合成各种细胞分裂依赖的酶刺激成骨细胞的增殖[14]。②锌离子具有抗菌作用[15]。Yang等[14]在多孔钛支架表面电沉积了掺锌羟基磷灰石，发现微量锌（Zn/（Ca+Zn）=1.04%）的掺杂可使羟基磷灰石的形貌由横截面为六边形的棒状晶体向不规则棒状晶体转变，并减小晶体的尺径；同时，锌离子的存在可显著提高细胞生长及碱性磷酸酶和骨钙蛋白的表达。在其后的动物实验中，术后4周及8周的实验结果表明，掺锌羟基磷灰石可以很好地促进新骨的生长，提高骨接触率及植入物与骨组织间的结合力，这些与锌离子促进骨诱导、骨整合及羟基磷灰石的降解相关[15]。Samani等[16]使用溶胶-凝胶法构建了掺锌羟基磷灰石涂层，发现锌离子的存在可导致煅烧后涂层中含有微量的β-磷酸三钙，并使涂层获得了一定的抗菌性能。

1.4 锰离子

锰离子可以调控骨钙素形成，进而促进羟基磷灰石与骨组织的整合[17]。Bracei等[17]使用仿生溶液法比较了锰离子、锶离子和镁离子的添加对所得羟基磷灰石涂层的影响。研究结果表明，锰离子的添加抑制了羟基磷灰石晶体的形成，其只能在基底表面获得一层稀薄的不定形磷酸钙层。与镁离子和锶离子相比，锰离子的存在并不能促进胶原的生长，但可显著提高骨钙素的表达，即在促进成骨细胞的分化与矿化中锰离子强于镁离子和锶离子。Huang等[18]电沉积了掺锰羟基磷灰石涂层，并报道锰离子的掺杂提高了羟基磷灰石涂层的致密性和生物相容性，但会相应减小羟基磷灰石棒状晶体的尺径。此外，在仿生溶液浸泡时他们注意到掺锰涂层表面羟基磷灰石沉积的速率显著提高，表明游离的锰离子与掺进羟基磷灰石的锰离子在诱导骨沉积方面存在明显的差异。

1.5 铜离子

研究结果表明，铜离子在低浓度时对细菌有较强的杀灭和抑制作用，但浓度过高会对细胞产生一定的毒性[19]。Huang等[20]使用电化学方法构建了铜离子质量比为0.8%的掺铜羟基磷灰石涂层。铜离子的掺杂可以引发羟基磷灰石晶胞的收缩，导致X衍射中羟基磷灰石主峰的偏移及羟基磷灰石晶体尺径的缩小；同时，该涂层可以起到很好的抗腐蚀、抗菌、促进骨结合与骨生长的作用。

1.6 银离子

银离子对细菌具有很好的抑制作用，被广泛应用于抗菌性功能材料的构建。Kose等[21]制备了具有掺银羟基磷灰石涂层的骨钉，并将其置入老鼠体内。研究表明，10周后银离子可以降低感染风险；同时，在2～10周的检测中银离子并没有在血液、肝、肾、脾等器官及骨钉周边骨组织中被发现，也没有诱发任何不良反应；值得注意的是，没有使用涂层的对照组却表现出较强的炎症反应。在Eto等[22]的动物实验中发现，银离子（质量占比3%）的存在可促进骨与植入物之间的结合，提高植入物的稳定性；但如果羟基磷灰石中银离子浓度过高（质量占比50%），会对细胞产生明显的毒性作用。

2 阴离子

2.1 硅酸根离子

自20世纪70年代研究者就发现缺硅会导致动物模型存在颅骨畸形、关节软骨和胶原数量减少及骨中矿物元素如钙、镁、锌、锰等含量降低等问题[23]。鉴于此，硅酸根替代磷酸根掺杂羟基磷灰石的相关研究一直是羟基磷灰石材料的研究热点。Tang等[24]使用等离子喷涂构建了掺杂硅酸根的羟基磷灰石涂层，发现硅酸根的掺杂提高了羟基磷灰石的热力学稳定性，增强了羟基磷灰石涂层对人成骨细胞的生物相容性和分化。此外，硅酸根离子的掺杂可导致羟基磷灰石内部分氢氧根基团的缺失，进而促进羟基磷灰石的降解；而羟基磷灰石降解的加快及由于硅酸根离子掺杂引起涂层表面负电荷的增多，都会显著提高羟基磷灰石涂层的生物活性，促进新骨矿物质的沉积及各类蛋白的吸附[7]。

2.2 碳酸根离子

羟基磷灰石中的氢氧根离子较易被碳酸根离子取代，其可以起到提高羟基磷灰石化学活性、调控降解速率的作用。Ni等[25]报道了碳酸根离子掺杂使得羟基磷灰石涂层体外成骨细胞的黏附、增殖、分化能力都有所增强。Hirota等[26]在氧化锆表面使用乙二胺四乙酸作为前体，构建了厚度＜1 μm的掺碳酸根羟基磷灰石涂层。研究结果表明，该涂层可提高新骨矿物质的沉积、植入物与骨的接触面积及骨的质量。

2.3 氟离子

氟离子总量的90%分布在牙齿与骨骼等硬组织中，可以起到提高羟基磷灰石的稳定性、促进成骨、增强骨骼强度及抗菌的作用。Xiong等[27]在碳/碳复合材料表面构建了掺氟羟基磷灰石涂层，与羟基磷灰石涂层相比，氟离子的添加提高了涂层与基底之间的作用力及涂层的稳定性。Hahn等[28]研究发现，掺氟羟基磷灰石涂层在氟离子取代了50%氢氧根的情况下，羟基磷灰石对成骨细胞具有最佳的刺激生长与分化作用。

3 多种离子共同掺杂羟基磷灰石涂层

越来越多的研究人员开始尝试将多种有益离子掺杂到羟基磷灰石中从而赋予羟基磷灰石多种功能，并通过不同离子间的协同作用来进一步促进骨再生。如Samani等[16]研究发现，掺杂了锌与银的羟基磷灰石比只掺杂了单一离子的羟基磷灰石具有更好的抗菌作用和生物相容性。Huang等[29]报道，掺杂了锌与氟的羟基磷灰石涂层，双离子的存在可提高涂层的稳定性及生物相容性。Rodríguezvalencia等[30]报道了含有硅、锶的羟基磷灰石涂层促进间充质干细胞向成骨细胞分化的生物学响应。但这些研究尚处于尝试阶段，目前对于理想的掺杂离子组合还没有定论。

4 结语

综上所述，掺杂不同元素的羟基磷灰石涂层呈现多样化的发展趋势，各种组合的报道层出不穷。随着对各种微量元素作用机制的深入研究，羟基磷灰石涂层的生物活性、生物相容性、骨传导性、抗菌性及骨诱导性会得到不断提高；同时我们也注意到，自然骨中各微量元素的比例一直随着骨的生长而变化。结合仿生原理，构建一种在不同时间段具有不同降解速率及释放不同比例微量元素离子的羟基磷灰石涂层有望在将来成为一个新的研究方向。

利益冲突 无

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Research progress of different ions doped hydroxyapatite coating

Zhou Huan,Yang Mengmeng,Hou Saisai, Deng Linhong,Xiong Xinbai,Ni Xinye

Institute of Biomedical Engineering and Health Science,Changzhou University,Changzhou 213164,China(Zhou H, Yang MM,Hou SS,Deng LH);School of Pharmaceutical Engineering and Life Science(Yang MM),School of Materials Science and Engineering(Hou SS),Changzhou University,Changzhou 213164,China;College of Materials Science and Engineering,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China(Xiong XB);Second People's Hospital of Changzhou, Nanjing Medical University,Changzhou 213003,China(Ni XY)

Ni Xinye，Email:nxy2000@aliyun.com

Hydroxyapatite,the inorganic mineral of bone,is a promising bioceramic for inert orthopedic implants surface modification.In nature bone,hydroxyapatite is doped with many kinds of functional ions,which might influence bone metabolism.Researches have proved that the biocompatibility and bio-functions of hydroxyapatite coating can be effectively improved by ionic doping,and thus strengthen the bonding between implants and bone and promote growth of surrounding bone tissues.This review summarizes the research progress of ionic doped hydroxyapatite coatings.In particular,the impacts of different cations(Mg2+,Sr2+,Zn2+,Mn2+,Cu2+,Ag2+) and anions(SiO32-,CO32-,F-)to hydroxyapatite coatings are presented.Future direction of ions doped hydroxyapatite coating is also discussed.

Hydroxyapatite;Ionic doping;Coating

倪昕晔，Email:nxy2000@aliyun.com

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．05．013

江苏省自然科学基金（BK20151181）；留学回国人员科研启动基金（教外司留（2014）1685）

2016-07-06）