羟基磷灰石纳米颗粒的合成及其复合材料的应用研究进展

胡 钦 曹海兵 安兴业，* 刘佳雯 马铭婧范春霖 祝 青 来明秀 刘洪斌，*

（1.天津科技大学轻工科学与工程学院，天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457；2.浙江景兴纸业股份有限公司，浙江嘉兴，314214）

1 概 述

磷酸钙盐是一类典型的生物矿物盐，是人和动物的骨骼及牙齿的主要无机成分。它们已被广泛应用于骨科和牙科等一系列医疗领域[1]。图1 为典型骨在不同长度尺度下的层次结构[2]。如图1 所示，骨和其他钙化组织由嵌入蛋白质基质的生物矿物、其他有机材料和水组成，可被视为天然各向异性复合材料[2]。生物矿物相是一种或多种类型的磷酸钙，有机相主要以胶原纤维形式存在。磷酸钙晶体主要由羟基磷灰石（HAP）、碳酸盐和磷灰石性磷酸钙组成。骨中的HAP晶体呈片状，长度150 nm，宽度80 nm，厚度5 nm，与其长轴紧密结合，几乎与胶原纤维轴平行[2-3]。

图1 典型骨在不同长度尺度下的层次结构[2]

由于人工合成的羟基磷灰石纳米颗粒（HAP⁃NPs）在化学成分上与骨组织的矿物相高度相似，它在医学上被称为优良的合成骨替代物，在热力学中属于最稳定的结晶相。满足化学计量Ca10(PO4)6(OH)2的HAP NPs是最常用的磷酸钙形式之一，该结构的特殊属性在于其具有良好的离子交换性能，同时具有被大量阴离子和阳离子取代基取代的能力，被应用于生物医学、吸附等不同领域[4-5]。例如，韦薇等人[6]报道了HAP在生物医学方面的应用，HAP NPs可作为表层功能梯度生物活性材料，其中的钙、磷离子可与生物体液中的钙、磷进行交换构成离子通道，多孔结构引导新生骨组织在空隙表面生长，从而有利于成骨细胞沉积，引导新骨的形成。除此以外，HAP NPs也可作为一种理想的除氟材料。朱丹琛等人[7]以β-环糊精∕聚乙二醇复合物为模板，采用仿生法制备刺球状HAP NPs。研究发现，在最佳条件下HAP NPs 对氟具有较高吸附效率和吸附容量。

天然纤维素作为植物原料的主要组分之一，具有分布广泛、储量较大、用途广泛的特点。天然纤维素是由很多β-D-吡喃葡萄糖基彼此以β-1,4 苷键连接而成的线型高分子[8-10]。而纳米纤维素来源于天然纤维素，是指在某一维度上具有纳米尺寸的新型高分子材料，具有独特的强度性能和光学性能，常被用作增强材料[11-12]。纳米纤维素因其具有生物可降解性、可再生性、环境友好性和无毒性等优点，已被广泛应用于生物医学材料、光电材料、纳米复合材料[13]。目前，纳米纤维素及其衍生物，例如纤维素纳米纤丝（cel⁃lulose nanofibers，CNFs）[14-15]、细菌纤维素 （bacterial cellulose,BC）[16]、羧甲基纤维素（carboxy methyl cellu⁃lose, CMC）[17]及醋酸纤维素（cellulose acetate, CA）[18-19]等，已被广泛用于HAP复合材料的制备。

过去几十年也有学者综述了HAP NPs 不同合成方法及其在催化和医学方面等领域的应用。但是最近几年，HAP 的合成路线不断被创新及优化。目前很少有学者对超长HAP 纳米线（HAP NW）的制备方法、合成机理及HAP NPs-纤维素基复合材料的制备及其在生物医学、吸附和造纸领域中比较前沿的应用进行综述介绍，所以有必要对上述系列问题进行归纳探讨，以更好地促进HAP NPs 在相关领域的研究，为相关科研工作人员提供指导和参考。本文首先简述了HAP 结构特性和近几年最常见的超长HAP NW 的合成方法，然后重点综述了近年来国内外HAP NPs∕纤维素基复合材料在生物医学、吸附、造纸领域的应用研究进展，并对HAP NPs∕纤维素基复合材料未来的应用进行展望。

2 HAP NPs的结构及人工合成机理

通过控制晶面的取向（c面或a面），改变HAP NPs 的形态，可产生不同形貌及不同性质的HAP。HAP的合成路线多种多样[20]，包括干燥法（固态合成法、机械化学法）、湿法（共沉淀法、溶胶-凝胶法、乳化法、水解法、水热法）、替代能量输入法（微波辅助法、声化学法、球磨法）等，目前研究最多的是水热合成法或水热合成与其他形式组合的方法。其人工合成机理为：HAP NPs在水热合成过程中，其晶化机理遵循溶解-重结晶模型，即溶解、扩散转移、结晶。从宏观上看，分子状态由分散态到凝聚态；微观上则是结构的变化，从无序→成核→有序生长成晶体的过程[21-23]。

图2 以化学计量的HAP晶体网络

2.1 HAP NPs的结构

在晶体体系中，HAP 晶体属于六方晶系，结晶参数分别为：a=9.418 Å，b=120 Å，c=6.881 Å[20,24]。图2所示为以化学计量的HAP晶体网络。

从图2可以看出，以化学计量的HAP结晶网络由四面体PO4基团紧密组装，其中P5+位于四面体的中心，顶部由4 个氧原子组成。每个PO4四面体由一列共享，并划分两种类型的未连接通道。如图2(a)为HAP 晶格网络的第一通道且直径为2.5 Å，被Ca2+包围，表示Ca(I)。它们与PO4四面体的氧原子配位，形成多面体。图2(b)表示第二种通道，它在磷灰石的性质中起着重要的作用。它的直径大于前一个通道（3～4.5 Å），并含有另外6 个 Ca2+，称为Ca(II)且位于通道的外围。这些离子位于单元格的两个维度，且单元格沿c轴并列形成等边三角形。它们的配位是7，被6 个氧原子包围，这些氧原子属于[XO4]和OH-。两个不同钙位点的性质特别引人注意，因为HAP 的性质可以通过对该位点的特定修饰来调节[25]。在图2(c)中，OH－中的氧原子位于钙离子形成的平面外0.4 Å处，OH－的氢原子位于1 Å 处，几乎在钙原子的三角形平面上。通道的尺寸大小赋予了这些离子一定的迁移率[26]。通常情况下，以化学计量形式的HAP的Ca∕P摩尔比为1.67，而非化学计量形式的HAP 的制备则可 通 过 公 式 Ca10-Z(HPO4)Z(PO4)6-Z(OH)2-Z； 0

2.2 HAP NW的人工合成机理

在近几年众多HAP 材料中，具有高长径比的HAP NW 受到广泛关注。Chen等人[27]首次采用油酸钙前驱体溶剂热法在室温下快速自动化合成高柔性、耐火、大尺寸、自组装的高度有序的超长HAP NW。HAP NW 形成机理如图4 所示。从图4 可以看出，在含有 CaCl2、NaOH、Na2HPO4·2H2O、油酸、水、甲醇的反应体系中，油酸分子通过羧基与钙离子相互作用，使烷基链暴露于混合溶剂中，吸附在超长HAP NW 表面。在无水乙醇中注入含有超长HAP NW 的溶剂热产物浆料时，溶剂热产物浆料中的水、甲醇和油酸的成分可扩散到乙醇中。由于油酸分子的烷基链与极性溶剂（乙醇、甲醇和水）不相容，所以从溶液中分离出超长链HAP NW。在溶剂扩散过程中，吸附在超长HAP NW表面的油酸分子可通过“醇-油酸”相互作用对超长HAP NW的自组装过程进行调制，将超长HAP NW排列形成对齐的HAP NW束。

图3 不同形貌的HAP NPs[2,27]

表1 不同形貌HAP NPs的尺寸范围及合成方法[2,27]

前驱体经溶解热处理后得到的HAP NW的直径约为10 nm，长度大于100 μm，且许多HAP NW 呈自然弯曲状态。实验结果表明，HAP NW 具有高柔韧性且纳米线束方向平行于HAP NW 的c轴方向。单根HAP NW 在结构上呈单晶结构，且择优生长方向是沿HAP的c轴方向生长。

针对上述反应体系制备的HAP NW 存在成本高、产物溶液偏黄色、后续清洗复杂繁琐等缺点，Li 等人[28]进行改进并发明了一种新的制备方法，他们利用油酸钠代替油酸，去除了有机溶剂油酸和醇，并采用环境友好的水作为唯一溶剂，成功地制备出网状结构超长HAP NW，且产物浆料白度高。该制备方法可大大降低制备成本，并且对环境友好。

2.3 HAP NPs∕纤维素基复合材料

在过去50 年，复合材料在现代科技中发挥着至关重要的作用。许多最新研究都是将新型复合材料应用于工程技术复合材料的前沿领域。复合材料（也称为组成材料）是由两种或多种具有显著不同物理或化学性质的材料在协同作用下所构成，当它们结合在一起时，构成一种与单个组分不同特性的新材料[8]。复合材料具有在强度、密度等方面优于常规材料的性能，在航空航天工业、汽车工业、制造业等领域得到广泛应用，并能够极大降低产品成本、提高产品性能，促进现有资源和能源的可持续发展[29-30]。而本文则主要综述了利用天然纤维素作为增强材料来制备HAP NPs∕纤维素基复合材料，及其在生物医学、催化吸附以及造纸等领域的相关研究。

3 HAP NPs/纤维素基复合材料的合成方法

传统HAP NPs 具有较多的优良特性，但HAP 的脆性较高、柔韧性差；而纳米纤维素具有良好的物理机械性能（如抗拉伸强度、高表面积）和生物可降解性、可再生性、环境友好性和无毒性等优点。鉴于两者的不足和优异特性，在过去十几年，许多研究学者利用不同的实验方法制备羟基磷灰石∕纳米纤维素复合材料。本节将主要综述HAP NPs∕纤维素基复合材料最常见的几种合成路线。

图4 超长HAP NW形成机理及其有序过程示意图[27]

3.1 生物矿化法

生物矿化法是一种利用模拟体液（SBF）模拟人体的生理环镜（SBF 溶液：pH 值7.4，温度37℃，且存在 Na+、Ca2+、K+、Na+、PO34-等无机离子），在静电作用下，带有负电性的位点首先形成成核位点，不断吸附溶液中的Ca2+、PO43-，最终形成不同结构及形貌的 HAP 复合材料[31-32]。例如，Rodríguez 等人[33]利用生物矿化法制备了新型HAP∕纳米纤维素基复合支架材料，重点研究了在模拟体液（SBF）中无机离子在纳米纤维素表面成核生长成具有生物活性的磷酸盐晶体的生长与纤维表面处理的关系。实验结果表明，纳米纤维素基材经SBF处理，其吸附钙离子的纳米纤维素表面与磷酸盐离子相互作用的成核位点大大增加，从而在纳米纤维素表面负载更多的Ca-P 晶体。为了使纳米纤维素在诱导HAP NPs 在其表面生长具有较高的生物活性，Li等人[34]对纳米纤维素进行了一定程度的磷酸化改性，且磷酸基团的取代度为0.28。扫描电子显微镜（SEM）图（见图5（a））表明，改性纳米纤维素成功负载具有一定厚度的HAP NPs，且经矿化后的HAP NPs∕纳米纤维素复合材料具有均匀的尺寸和形态，直径范围为1.79～3.19 μm。能谱仪（EDS）分析 （见图5(b)） 表明，HAP NPs 的 Ca∕P 摩尔比约为1.57，说明这些HAP NPs 属于缺钙型HAP。实验结果表明，磷酸化电纺纳米纤维素可提高HAP NPs 在其表面诱导生长的生物活性，使它们适用于HAP NPs∕纳米纤维素复合材料的仿生合成。

3.2 原位合成法

原位合成法是将HAP 前驱体以螯合键的方式与改性纳米纤维素分子链上的基团联合，由于该种化学键的结合方式能量较大，在机械作用下HAP NPs 很难从改性纳米纤维素上脱落。例如，Sarkar 等人[35]采用原位合成法以硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O)和磷酸二氢铵[(NH4)2HPO4]为前驱体，以羧甲基纤维素为基材，在氨水调节作用下，机械搅拌使其碱性化，最后在140℃条件下回流8 h后形成碳点共轭修饰的羧甲基纤维素（CMC）∕HAP 复合材料，合成机理如图6 所示。合成的纳米复合材料的尺寸小于100 nm。该复合材料被应用于抗癌药物的载体。

3.3 物理混合法

物理混合法是指经过静电吸附将HAP 和纳米纤维素结合的方法。优点在于操作简单、HAP 结晶度高、结构分散均匀[36]。Zhang 等人[37]首先采用简单的一步溶剂热法成功地制备了生物相容性、单分散、单晶HA 纳米微管。在室温下，采用简单的物理混合法将含有壳聚糖的乙酸溶液与HAP 纳米微管混合并机械搅拌成浆液，采用冷冻干燥与高温灼烧的方法，在不添加任何添加剂的情况下，成功制备出具有优良透气性和超低热导率的三维多孔网络结构的HAP 气凝胶。该气凝胶具有高热稳定性、低导热性和优异的力学性能，在各个领域中具有广阔的应用前景。

4 HAP NPs/纤维素基复合材料的应用研究

4.1 生物医学领域

在医学领域，由创伤、肿瘤、重建手术、先天性缺陷或牙周病引起的骨损失是世界范围内的一个主要健康问题。发展安全、有效的骨再生治疗技术来取代和促进骨再生是临床上重要的长期目标[38]。由于HAP与人体硬组织主要无机组分具有相同的化学组成，人工合成的HAP 复合材料已被广泛应用于生物医学领域，目前主要集中应用于促进骨组织工程、抗癌或作为释放载体等方面[39]。

骨组织工程是使用功能性组织工程替代物在关键临床条件下修复骨缺损的技术。生物材料在过去近20 年中被系统地用作骨缺损的填充材料、人工骨移植及作为假体支架材料[40-42]。因纳米纤维素具有独特的生物相容性、良好的机械强度、微孔性和生物降解性，其独特的表面化学特性使其非常适合于骨再生应用。学者们利用各种各样的纳米纤维素（包括壳聚糖、羧甲基纤维素、细菌纤维素、纤维素纳米晶体等）与HAP NPs 复合制备可生物降解的复合支架材料并应用于骨组织工程[43-45]。

图5 HAP在磷酸化电纺纳米纤维素上模拟生长的SEM图和EDS图[34]

图6 碳点共轭修饰CMC/HAP复合材料用于阿霉素递送的合成工艺原理图[35]

例如，Zhang 等人[46]采用丝素蛋白、羧甲基壳聚糖、纤维素纳米晶体和锶取代羟基磷灰石（Sr-HAP）制备了丝素蛋白∕羧甲基壳聚糖∕纤维素纳米晶体∕Sr-HAP 生物复合支架。与丝素蛋白∕羧甲基壳聚糖支架相比，添加Sr-HAP 和纤维素纳米晶体的支架具有更强的蛋白质吸附和骨诱导性，且支架的抗压强度显著提高。这表明丝素蛋白∕羧甲基壳聚糖∕纤维素纳米晶体∕Sr-HAP 支架在无负荷骨组织修复中具有潜在的应用前景。Niamsap 等人[47]采用纤维素纳米晶体原位合成细菌纳米纤维素∕HAP∕纤维素纳米晶体复合材料。首先采用原位合成法在60℃、pH 值为10 的条件下制备HAP∕纤维素纳米晶体复合材料，然后将HAP∕纤维素纳米晶体复合材料物理混合添加到不同比例的细菌纳米纤维素中，经超声波处理后进行接种孵育等一系列实验处理后，采用冷冻干燥法获得细菌纳米纤维素∕HAP∕纤维素纳米晶体复合材料，其微观形貌如图7 所示。实验结果表明，HAP NPs 以棒状的形式分散在纤维素纳米晶体上，直径和长度分别为30～40 nm和400 nm。细胞毒性证明，细菌纳米纤维素∕HAP∕纤维素纳米晶体复合材料的细胞活力高达（83.4±3.6）%，表明细菌纳米纤维素∕HAP∕纤维素纳米晶体复合材料无细胞毒性。该复合材料具有被应用于骨组织工程支架中的潜力。

4.2 吸附领域

废水中存在的重金属和湖泊中过量的磷都会对人类健康和环境技术产生不利影响[48-49]。有很多用于去除污染水源中的磷和硝酸盐、苯酚及其衍生物、重金属离子的技术，例如物理、化学、生物及其相互组合方法，这通常需要相当大的资本投资、基础设施、运营成本和维护成本[50-51]。吸附是一种有效且被广泛应用的分子纯化和分离技术，具有成本低、时间少和易于加工的优点，克服了传统分离和净化方法的基本局限性[52-53]。HAP 作为一种无毒可生物降解且具有较高化学活性和高吸附性能的多孔材料，可广泛应用于吸附领域。但由于HAP NPs 具有较差的强度、柔韧性和易自聚集等缺点，极大地限制了其应用范围。

由于纳米纤维素丰富的优异性能，人们考虑将HAP NPs与纳米纤维素相互作用形成新型具有优良力学性能的去除离子染料、有害气体和重金属离子的吸附剂[54-55]。Hokkanen 等人[56]探究了碳酸 HAP∕微纤化纤维素复合材料在水溶液中对Ni2+、Cd2+、和NO3-的吸附。在室温下采用原位合成法制备的碳酸HAP∕微纤化纤维素复合材料在160℃下吸附处理6 h，研究了pH 值、接触时间、金属浓度和再生效率对吸附的影响。实验结果表明，碳酸HAP∕微纤化纤维素吸附剂对 Ni2+、Cd2+、PO43-和NO3-的最大吸附能力分别为2.021、1.224、0.843 和 0.209 mmol∕g。吸附动力学结果表明，碳酸HAP∕微纤化纤维素吸附剂对所有离子具有很高的吸附速率。

图7 纤维素纳米晶体和HAP∕纤维素纳米晶体复合材料的TEM图以及HAP∕纤维素纳米晶体复合材料的EDS图

除此之外，HAP∕纳米纤维素复合材料作为吸附剂也被应用于生物技术。在天然骨被认为是一种由胶原纤维和HAP 矿物组成的纤维增强杂化材料的启发下，科学家引入了纳米纤维素和HAP 制备HAP∕纳米纤维素复合吸附材料。其中，人工合成的HAP 具有丰富的表面活性中心和可调控的多孔结构，有助于其对蛋白质和氨基酸等生物相关物质的吸附，纳米纤维素的添加改善了复合材料的力学性能和生物学性能[57-58]。例如，Du 等人[59]介绍了一种利用乳化技术制备固定化Cu2+纤维素∕MHAP杂化珠的新方法。其合成路线及吸附机理如图8所示。首先将四氧化三铁与N-（磷甲基）-亚氨基二乙酸(PM-IDA)混合，然后在水溶液中沉积吸附HAP 颗粒，将得到的磁性羟基磷灰石（MHAP）颗粒通过简单的物理混合法悬浮在纤维素溶液中，乳化成纤维素∕MHAP 杂化珠。最后，通过PO43-基团的氧原子在纤维素∕MHAP上螯合Cu2+，得到了固定化金属亲和吸附剂。吸附测试结果表明，纤维素∕MHAP 对牛血红蛋白具有较高的静态吸附能力（4533.1 mg∕g）。显然，高吸附容量归因于Cu2+螯合HAP 颗粒在球形纤维素载体中的小尺寸和良好分散，为蛋白质吸附提供了足够的比表面积和体积。上述结果表明，纤维素∕MHAP 吸附剂在富组氨酸蛋白纯化领域具有很大的潜力。

4.3 造纸领域

传统纸张的组成成分除纤维素外，还含有半纤维素、木质素和添加物(助留助滤剂、染料、颜料等)。传统纸张主要存在如下两点缺陷：①易燃。纸张燃点较低，很容易发生火灾，会导致纸质文物、书籍等重要资料被销毁。②返黄现象。纸张中的残余木素发生氧化反应而产生返黄现象，纤维素产生的酸性物质使纸张降解腐蚀[60]。随着人们对绿色环境的高度重视，纸及其衍生产品正发挥着越来越重要的作用。功能纸作为一种在传统纸张原有性能的基础上增添功能的一种新型纸，不仅解决了上述缺点，也被广泛应用卫生保健、国防科技、生物医学、阻燃材料、快速检测试纸等领域[61]。

图8 Cu2+纤维素∕MHAP杂化珠的合成路线及其对富含组氨酸蛋白的吸附机理[59]

以HAP NW∕纤维素基复合材料为基材的功能滤纸可被应用于各种有机污染物的废水处理中[62]。例如，Zhang 等人[63-64]先后研制了一种新型的以超长HAP NW∕纤维素纤维和纤维素纳米纤丝∕纤维素∕HAP NW 为原料的环保型滤纸。实验结果表明，所制备的HAP NW∕纤维素纤维滤纸对水中TiO2纳米粒子（>98.61%）和细菌（100%）的去除效果较好，该滤纸对甲基蓝（273.97 mg∕g）和Pb2+（508.16 mg∕g）也有较高的吸附能力；制备的纤维素纳米纤丝∕纤维素∕HAP NW 滤纸对染料的截留率在95%以上，且该滤纸对 Na2SO4（75.7%） 和 NaCl（65.8%） 的截留率较高。具有优良过滤和吸附性能的环保型HAP NW∕纤维素功能滤纸在高性能净水中有着广阔的应用前景，以解决世界范围内的缺水问题。

5 总结与展望

综上所述，羟基磷灰石纳米颗粒（HAP NPs）作为生物无机材料，虽然具有良好的生物相容性、生物活性、骨传导性、耐高温、阻燃性能，但由于单一HAP 组成的材料脆性高、机械性能较差、且难以塑造成生物医学、造纸、吸附催化等领域材料所需的特定形状，这将极大地限制了它的应用范围。纤维素及纳米纤维素优异的机械性能在一定程度上提高了HAP NPs 的稳定性和力学性能。大量的研究成果表明，HAP NPs∕纤维素基复合材料的合成研究已经取得较大进展，并在吸附、生物医学和造纸领域中有着广阔的研究和应用前景。然而，HAP NPs∕纤维素基复合材料的结构特性仍难以控制，并且不同HAP NPs∕纤维素基复合材料的制备方法、HAP 的合成方法、纳米纤维素的制备方法和性能等因素也会对合成的HAP∕纤维素纳米复合材料的产品性能产生很大的影响，并会进一步影响其应用性能和应用范围。鉴于此，下一步科学家必将对HAP NPs 的制备方法及HAP∕纤维素基复合材料的制备和性能研究进行更加深入和完善的思考和研究，以满足生产生活中对HAP NPs及其复合材料不断增长的需求。