陳 峰

(同濟大學(xué)附屬第十人民醫(yī)院，上海 200072)

1 前 言

生命體在適應(yīng)所處自然界環(huán)境的過程中，演變出了一系列復(fù)雜而高性能的結(jié)構(gòu)和組成，執(zhí)行保護、支撐和生命代謝等各種各樣的功能。這些結(jié)構(gòu)可認(rèn)為是天然的生物材料，其顯著的特征是利用自身所含最豐富和易得的元素、化合物或分子，實現(xiàn)遠遠超出原本非生命體來源同質(zhì)材料的綜合性能。骨、牙齒、貝殼、木頭、竹子等天然生物材料均具有優(yōu)秀的力學(xué)性能，是自然界中集強度、堅韌、輕質(zhì)等眾多優(yōu)點于一體的天然材料體系[1]。雖然部分生物來源的材料隨著人類科技的發(fā)展逐漸被高性能的合成材料取代，但是天然材料中復(fù)雜而高效的結(jié)構(gòu)特征仍然吸引著廣大研究者。通過現(xiàn)代表征手段在不同尺度上揭示天然生物來源材料的組成、結(jié)構(gòu)及其中包含的復(fù)雜相互作用，進而通過先進的技術(shù)實現(xiàn)仿生制備，已經(jīng)成為材料領(lǐng)域最重要的研究方向之一[2]。

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是仿生材料最重要的研究和應(yīng)用領(lǐng)域之一。通過仿生天然材料的組成和結(jié)構(gòu)，制備高性能生物醫(yī)用材料體系具有重要的研究意義。例如，因創(chuàng)傷、老齡化、腫瘤等疾病引起的硬組織缺損是臨床常見疾病，全世界每年有超過220萬人需要進行骨移植手術(shù)來修復(fù)缺損的骨組織[3]。但是，臨床使用的自體骨移植存在來源有限和造成二次創(chuàng)傷的弊端，而同種異體或異種來源骨植入體則存在生物相容性、免疫原性和傳播疾病的風(fēng)險。人工合成的羥基磷灰石(hydroxyapatite,HAP)類生物材料具有類似天然骨組織中無機組分的化學(xué)組成，被認(rèn)為具有較高的生物相容性、可降解性和生物活性，已經(jīng)被廣泛用于硬組織修復(fù)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[4]。目前，國外的Synthes GmbH、Medtronic、Berkeley Advanced Biomaterials等公司，以及國內(nèi)的瑞邦生物、華威生物等公司生產(chǎn)的自固化人工骨、活性陶瓷人工骨等系列產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了臨床應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)HAP基骨修復(fù)生物材料多以無序結(jié)構(gòu)粉體或陶瓷形式被使用，存在強度低、韌性差、不易成型等缺點，難以理想地滿足臨床應(yīng)用的高要求。

人工合成材料的強度和韌性往往難以兩全，高硬度材料往往具有較高的脆性，而韌性材料的強度通常較低[5]。但是包括牙釉質(zhì)、骨骼、貝殼等在內(nèi)的天然礦化組織，通過自身的進化較好地解決了材料高強度和高韌性難以同時實現(xiàn)的難題[1,6]。例如，脊柱動物硬組織(牙釉質(zhì)、骨骼)具有高強度的表面以抵抗磨損和/或穿透，同時還具有較好的韌性。硬組織的這一優(yōu)良力學(xué)特性歸功于在漫長的生物進化過程中形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括HAP納米晶和膠原的復(fù)合組成及有序化的結(jié)構(gòu)。因此，通過仿生硬組織的組成和結(jié)構(gòu)，從而解決現(xiàn)有HAP材料在力學(xué)性能上的不足，獲得滿足植入人體要求的高性能骨修復(fù)及替代材料，已成為材料學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的研究方向之一。經(jīng)過研究人員多年不斷努力，多種多樣的仿生有序結(jié)構(gòu)HAP已經(jīng)被制備出來。雖然尚未得到完全仿生的結(jié)構(gòu)和性能，但隨著制備新方法的發(fā)展和理論的不斷豐富完善，所制備的材料及其性能也日趨優(yōu)化。

本文主要綜述了仿生有序結(jié)構(gòu)HAP制備領(lǐng)域的最新研究進展，包括仿生結(jié)構(gòu)的特點、制備方法、調(diào)控機制等。首先，對HAP材料的發(fā)展做了總體的概述；隨后,對微觀和宏觀尺度上仿生有序結(jié)構(gòu)HAP的制備方法及機制進行了詳細(xì)的討論；最后，對其今后的發(fā)展方向進行了總結(jié)和展望。

2 天然和人工合成的羥基磷灰石

2.1 天然羥基磷灰石

磷灰石是分布極廣的一類天然礦物(圖1a)，其英文名稱“Apatite”，由德國礦物學(xué)家A.G.Werner于1788年正式發(fā)表出來[7]。1926年Bassett用X射線觀察牙齒和人骨時發(fā)現(xiàn)了其無機礦物成分和磷灰石非常相似，進而逐漸研究發(fā)現(xiàn)這些無機生物礦物組分為羥基磷灰石(HAP)。HAP是含有羥基的磷酸鈣鹽，其鈣磷摩爾比為1.67，是磷灰石家族中最重要的一員。HAP的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛地研究，其化學(xué)組成為Ca10(PO4)6(OH)2，晶體結(jié)構(gòu)為六方晶系,屬L6Pc對稱型和P63/m空間群，密度為3.14～3.16 g/cm3[8, 9](圖1b)。

HAP是包括人類在內(nèi)的脊椎動物體中最重要的生物礦物組分，就人體而言，其占據(jù)了骨干重的約70%，另外約30%為有機物(包括膠原蛋白、糖蛋白、蛋白多糖等)[10, 11]。骨中HAP一般為一維或板狀結(jié)構(gòu)，尺度上屬于納米級，其長寬高分別約為50,25和3 nm。這些納米結(jié)構(gòu)的HAP與膠原蛋白分子在骨組織環(huán)境中通過組裝形成復(fù)合體及滿足人體力學(xué)和代謝需求的各種三維結(jié)構(gòu)[12](圖1c)。人體骨組織主要可以分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨。皮質(zhì)骨分布在骨外周，成熟的皮質(zhì)骨由骨板構(gòu)成，包括：哈弗骨板、骨間板和內(nèi)/外環(huán)骨板。這些呈板層狀的骨板均是由HAP納米晶/膠原組裝體通過相互平行堆集或圍繞哈弗管作環(huán)形排列等有序的方式構(gòu)成。松質(zhì)骨則位于骨骼內(nèi)部，微觀上由HAP納米晶/膠原組裝體相互交織構(gòu)成的骨小梁按照骨承受的壓力和張力的方向排列而成。由此可見，無論是在皮質(zhì)骨還是松質(zhì)骨中，有序排列的HAP納米晶/膠原的組裝體均是其復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)成單元，從而來滿足機體對骨骼高力學(xué)性能的要求[13]。對骨組織中天然HAP納米結(jié)構(gòu)的生成過程及各項理化性質(zhì)的研究，將有助于理解骨組織生物礦化機制，從而設(shè)計理想的硬組織修復(fù)用生物材料。

2.2 人工合成的納米結(jié)構(gòu)羥基磷灰石

20世紀(jì)70年代，日本學(xué)者Aoki及其團隊使用合成的HAP燒結(jié)出HAP陶瓷，并證明其具有良好的生物相容性[14, 15]。隨后，HAP基生物材料相關(guān)的基礎(chǔ)和臨床應(yīng)用研究廣泛開展，并取得了令人矚目的成果。其中，納米尺度HAP材料可以較好地仿生天然骨組織中HAP納米晶的組分和結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的生物相容性、生物活性和可降解性，在植入體內(nèi)后不會發(fā)生免疫排斥反應(yīng)。因此，HAP納米結(jié)構(gòu)調(diào)控、制備新方法和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究已成為相關(guān)研究領(lǐng)域中最重要的方向之一。

根據(jù)反應(yīng)介質(zhì)的區(qū)別，納米材料合成方法通常可以分為固相、氣相和液相反應(yīng)。HAP在高溫下(大于800 ℃)容易失去羥基，因此包括共沉淀、溶膠-凝膠、微乳液、水熱/溶劑熱等反應(yīng)的液相策略成為合成HAP納米材料及其結(jié)構(gòu)調(diào)控的常見選擇。液相反應(yīng)易于引入調(diào)控劑，從而更容易控制HAP的成核、結(jié)晶和生長過程，實現(xiàn)HAP結(jié)構(gòu)和形貌的調(diào)控。無機離子、有機分子等對HAP的結(jié)構(gòu)具有較好的調(diào)控作用，已被廣泛用于HAP納米結(jié)構(gòu)的調(diào)控。鎂、鍶、稀土等的離子的摻雜可以改變HAP的結(jié)晶過程，從而對其結(jié)構(gòu)進行調(diào)控[16-18]。表面活性劑、DNA分子、氨基酸或蛋白等有機分子可以吸附在HAP的晶面上，從而限制特定晶面的生長，達到結(jié)構(gòu)調(diào)控的目的[19-22]。例如，Shiba等結(jié)合材料合成實驗和分子軌道理論計算，研究了表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)膠束對HAP納米晶體形成過程的影響。發(fā)現(xiàn)沒有添加CTAB合成的HAP納米晶體呈不規(guī)則形狀和聚集的納米晶體形態(tài)，而在CTAB存在條件下合成的HAP納米晶體為棒狀，CTAB膠束有效調(diào)控了HAP的成核和生長。分子軌道計算結(jié)果顯示，CTAB分子中N原子可以通過離子/共價鍵合與HAP晶體中a-平面中的鈣離子及c-平面中的羥基/磷酸基團發(fā)生強烈相互作用，從而對HAP的結(jié)構(gòu)進行調(diào)控[22]。

如圖2所示，多種多樣的HAP納米材料已經(jīng)通過濕化學(xué)合成手段被制備出來，包括：零維的納米球/顆粒[21, 23]，一維的納米棒[24]、納米/微米管[24-26]、納米帶/纖維[27-30]，二維的納米片[31]，以及由納米顆粒、納米片或納米棒組裝的多種三維結(jié)構(gòu)[32-40]。并且這些形貌豐富的HAP材料也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于蛋白吸附、藥物遞送、生物成像和硬組織修復(fù)等眾多生物醫(yī)學(xué)研究或應(yīng)用領(lǐng)域[41-43]。雖然濕化學(xué)反應(yīng)合成策略在實現(xiàn)HAP基納米材料的結(jié)構(gòu)控制方面取得了令人矚目的成就，但是其對特定仿生結(jié)構(gòu)的調(diào)控合成仍然存在困難。隨著納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用性能要求的不斷提高，探索HAP的仿生結(jié)構(gòu)和性能將越來越重要。例如，在骨組織修復(fù)基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用領(lǐng)域，對具有天然骨組織中HAP的組成和有序結(jié)構(gòu)的仿生骨修復(fù)材料進行研究，具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值，但是其合成方法仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

圖2 幾種人工合成的HAP納米結(jié)構(gòu)：(a) 納米棒[18],(b)納米顆粒[21],(c)納米/微米管[26],(d)納米線/纖維[30],(e)納米片組裝的空心微球[36],(f)納米顆粒組裝的微米管[37],(g)刷狀復(fù)合結(jié)構(gòu)[38],(h)納米結(jié)構(gòu)多孔空心橢球膠囊[39],(i)納米片組裝的微球[40]Fig.2 Several synthetic HAP nanostructures: (a) nanorods[18], (b) nanoparticles[21], (c) nano-/microtubes[26], (d) nanowires/fibers[30], (e) nanosheet assembled hollow microspheres[36], (f) nanoparticle-assembled microtubes[37], (g) brush-like composite structure[38], (h) nanostructured porous hollow ellipsoidal capsules[39], (i) nanosheet assembled microspheres[40]

3 微觀仿生有序及復(fù)合結(jié)構(gòu)羥基磷灰石

3.1 微觀仿生有序結(jié)構(gòu)羥基磷灰石

包括骨骼、牙本質(zhì)與牙釉質(zhì)在內(nèi)的硬組織是由HAP納米晶和膠原蛋白纖維構(gòu)成，其中HAP納米晶的排列具有極高的有序性，從而實現(xiàn)了其極好的力學(xué)性能。因此，為了仿生天然硬組織中HAP的有序結(jié)構(gòu)，生物礦化、生物材料等研究領(lǐng)域的眾多科學(xué)家已經(jīng)嘗試和探索出了一系列的合成方法，并取得了顯著的成就，包括：有機分子調(diào)控[24, 44, 45]、模板或襯底輔助[46-51]、膠原/絲素蛋白調(diào)控[52-54]、雙親性多肽分子調(diào)控[55]、人工聚合物調(diào)控[56]、冷凍鑄造[57]、磷酸氫鈣相轉(zhuǎn)變[58]等。關(guān)于利用模板合成法制備仿生有序結(jié)構(gòu)HAP已有一些研究報道。例如，Yang等采用多孔陽極氧化鋁(AAO)模板結(jié)合溶膠-凝膠合成方法，成功制備出高度有序的HAP納米線陣列，所獲HAP納米線的長度和直徑可以由所用AAO模板的孔徑和厚度決定[46]。Zhang等通過Nafion膜輔助的電沉積方法也在金屬(Ni)泡沫模板上制備出均勻條狀的HAP陣列[59]，Nafion膜具有優(yōu)異的質(zhì)子傳導(dǎo)性，影響陰極附近的羥基離子的分布，這有利于形成具有復(fù)雜形態(tài)和更高結(jié)晶度的復(fù)合HAP陣列。作者課題組利用DNA分子為結(jié)構(gòu)調(diào)控劑和軟模板，通過調(diào)控反應(yīng)的pH值合成了不同納米結(jié)構(gòu)的HAP。在pH為5的水溶液中，HAP納米片以一定取向自組裝形成微球；當(dāng)反應(yīng)溶液的pH值增加至10時，DNA分子形成具有單一方向的線性結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)HAP生長形成納米晶組裝的束狀有序結(jié)構(gòu)[20]。小分子在仿生有序結(jié)構(gòu)HAP的制備方面也發(fā)揮了重要作用。例如，通過乙酰丙酮鈣和磷酸肌酸二鈉在水和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶劑中、160 ℃下發(fā)生溶劑熱反應(yīng)，也可以制備出沿單一方向排列、有序的HAP納米結(jié)構(gòu)，其中小分子的磷酸肌酸充當(dāng)有機磷源和HAP取向的調(diào)控劑的作用[38]。

除此之外，研究者發(fā)現(xiàn)磷酸氫鈣(CaHPO4)可以在一定條件下轉(zhuǎn)化為HAP，并且同步控制生成的HAP的微觀結(jié)構(gòu)。作者等使用水、乙二醇(EG)和DMF的三元溶劑為反應(yīng)介質(zhì)，在不使用任何表面活性劑的條件下獲得了HAP納米線/納米管有序陣列[24]。結(jié)果表明，多元溶劑對產(chǎn)物的形態(tài)和晶相有明顯影響，并且發(fā)現(xiàn)HAP有序陣列是由反應(yīng)過程中生成的磷酸氫鈣前驅(qū)體轉(zhuǎn)化而來。Zou等研究和報道了一種不使用表面活性劑、有機溶劑，而使用三斜磷鈣石(磷酸氫鈣的一種物相)單晶作為模板和反應(yīng)物，通過直接的物相轉(zhuǎn)化構(gòu)建在納米至微米尺度上表現(xiàn)出類釉質(zhì)有序結(jié)構(gòu)的HAP[60]，如圖3所示。這些研究結(jié)果表明，磷酸氫鈣是制備微觀尺度上具有高度取向特征的HAP材料的良好模板。這一特點與磷酸氫鈣的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，其晶體結(jié)構(gòu)與HAP之間存在結(jié)構(gòu)上的相似性，而且具有快速轉(zhuǎn)化為HAP物相的性質(zhì)。

圖3 CaHPO4沿c軸和HAP沿b軸的晶體結(jié)構(gòu)(a);從CaHPO4到HAP的轉(zhuǎn)化過程示意圖(b)；將CaHPO4浸泡在1 mol/L的NaOH溶液中5 min后獲得的釉質(zhì)樣有序結(jié)構(gòu)HAP樣品的SEM照片[60] Fig.3 Crystal structure of CaHPO4 along c-axis and HAP along b-axis (a); (b) Schematic representation of the transformation from CaHPO4 to HAP; (c,d) SEM images of enamel-like HAP samples obtained after transformation of CaHPO4 in 1 mol/L NaOH solution for 5 min[60]

此外，油酸鈣也可以作為自犧牲模板用于HAP有序結(jié)構(gòu)的調(diào)控制備。Lu等使用宏觀尺度的油酸鈣前驅(qū)體實現(xiàn)了大尺寸(毫米級)HAP三維組裝材料的合成(圖4)[44]。油酸作為結(jié)構(gòu)調(diào)控劑，在水熱或溶劑熱反應(yīng)條件下容易調(diào)控制備得到一維納米結(jié)構(gòu)的HAP[61]。在一般的濕化學(xué)反應(yīng)過程中，油酸分子先與鈣離子在堿性條件下生成油酸鈣沉淀，再與磷酸根離子通過離子交換反應(yīng)生成一維結(jié)構(gòu)的HAP納米棒或納米線[62]。Lu等發(fā)現(xiàn)，將油酸鈣預(yù)先沉淀、干燥分離和壓制成片，再通過溶劑熱反應(yīng)轉(zhuǎn)化，能夠獲得區(qū)別于一般濕化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的有序結(jié)構(gòu)HAP三維組裝材料。宏觀尺度的固態(tài)油酸鈣作為自犧牲模板顯著改變了HAP產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，是仿生有序結(jié)構(gòu)HAP研究方面的重要進展，在仿生理論研究和硬組織修復(fù)應(yīng)用領(lǐng)域具有較好的前景。

國內(nèi)外的相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者在探索仿生有序結(jié)構(gòu)HAP的制備方法上做了諸多探索和努力，取得了顯著的成就。目前，已經(jīng)可以在納米、微米等微觀尺度上獲得仿生有序結(jié)構(gòu)HAP，向理想的仿生硬組織材料體系的構(gòu)建更進了一步。但是，在微觀尺度上仿生有序結(jié)構(gòu)的研究工作仍然存在不足之處。例如，硬模板法是制備有序結(jié)構(gòu)陣列常用的手段，但是通常存在模板昂貴和難以完全去除等問題，限制了其大范圍的推廣使用；有機溶劑或生物分子作為軟模板調(diào)控HAP的合成具有操作簡便的特點，但是往往難以獲得大面積的有序結(jié)構(gòu)。天然硬組織是由眾多微觀有序結(jié)構(gòu)組成的連續(xù)宏觀有序體，因此發(fā)展新型HAP材料的有序化制備方法，獲得在宏觀尺度下可控有序化的HAP材料將十分重要。

圖4 油酸鈣前驅(qū)體在含有NaH2PO4·2H2O、乙醇和去離子水的180 ℃溶液中通過溶劑熱反應(yīng)48 h生成的高度有序羥基磷灰石微米管陣列(HOAUHM)的光學(xué)顯微鏡照片(a)和SEM照片(b～d)，圖4d中的插圖是具有六邊形橫截面的典型微管的SEM照片[44]Fig.4 Characterization of the highly ordered arrays of ultralong HAP microtubes (HOAUHMs) synthesized by solvothermal transformation of calcium oleate precursor in a solution containing NaH2PO4·2H2O, ethanol, and deionized water at 180 ℃ for 48 h: (a) A optical photograph of the product; (b～d) SEM micrographs of the product, inset of Fig.4d is a SEM micrograph of a typical microtube with a hexagonal cross section[44]

3.2 仿生有序結(jié)構(gòu)羥基磷灰石復(fù)合材料

骨骼、牙齒、貝殼等天然材料的優(yōu)異力學(xué)性能與其成分和獨特的有序結(jié)構(gòu)相關(guān)。例如，骨骼等硬組織是由原本力學(xué)性能較弱的材料(如HAP和膠原蛋白)構(gòu)成，但是可以形成中等模量(10～20 GPa)、高強度(30～200 MPa)和高斷裂能(100～1000 J/m2)的天然高性能復(fù)合材料。硬組織的這一獨特力學(xué)性質(zhì)源于有機(膠原蛋白)和無機(HAP)成分的有序化整合，通過從納米級到宏觀水平的復(fù)雜有序結(jié)構(gòu)實現(xiàn)遠超其組成材料的力學(xué)性能[63]。天然生物復(fù)合材料的有序化結(jié)構(gòu)或?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)為研究者開發(fā)高性能的功能仿生材料提供了源源不斷的靈感[64-66]，并為模仿這種天然復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特征、開發(fā)具有優(yōu)異機械性能的新型結(jié)構(gòu)材料提供了新的途徑。在過去的數(shù)年中，已經(jīng)有多種仿生天然結(jié)構(gòu)的策略用于合成高性能HAP復(fù)合材料，包括冷凍鑄造[67]、真空輔助過濾[68]和仿生礦化[69, 70]等。

冷凍鑄造(freeze casting)，也稱冰模板，是近年來受到較多關(guān)注的制備仿生有序結(jié)構(gòu)的方法，可以實現(xiàn)納米顆粒、聚合物鏈、納米纖維、納米片等材料的有序化組裝，制造出具有層狀結(jié)構(gòu)的支架材料[71]。經(jīng)冷凍鑄造制備的有序化層狀結(jié)構(gòu)經(jīng)第二相的滲透和固化，可以進一步實現(xiàn)優(yōu)異的力學(xué)性能。例如，Deville等基于冷凍鑄造策略，精心設(shè)計了從微米到納米級的架構(gòu)，成功制備了多種有序片層復(fù)合材料[57]。通過對商業(yè)HAP粉末懸浮液進行冷凍，獲得了高度有序的多孔HAP層狀支架，其壓縮強度是傳統(tǒng)多孔HAP的4倍，具有與皮質(zhì)骨相匹配的力學(xué)性能，包括剛度(10 GPa)、強度(150 MPa)和斷裂能(220 J/m2)。這些支架具有明確的孔隙連通性以及足夠大小的、定向的、完全開放的孔隙，有助于骨修復(fù)相關(guān)細(xì)胞的向內(nèi)生長。并且，將具有生物降解性的有機相滲透至多孔HAP支架中，通過控制有機相的降解速率原位產(chǎn)生孔隙，可以進一步誘導(dǎo)細(xì)胞及新生骨向支架內(nèi)部生長。Ruan等設(shè)計了一種由殼聚糖和順式丁烯二酸(馬來酸，MAc)組成的復(fù)合有機基質(zhì)，并借助冷凍過程產(chǎn)生的有序冰模板將其制備成有序?qū)訝顝?fù)合物，進而作為模板控制了三斜磷鈣石晶體及其有序結(jié)構(gòu)的生成[72]。然后將層狀有序結(jié)構(gòu)的三斜磷鈣石-殼聚糖復(fù)合物作為前驅(qū)體，通過物相轉(zhuǎn)化過程進而合成出具有多尺度分層有序結(jié)構(gòu)的HAP復(fù)合材料(圖5)。在該有序復(fù)合材料體系中，一維結(jié)構(gòu)HAP晶體在納米、微米尺度上組裝成有序束狀結(jié)構(gòu)，并進一步由HAP束組裝成高度定向的板狀結(jié)構(gòu)。最后，這些取向的板結(jié)構(gòu)通過堆疊形成有序復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了接近天然骨的機械性能。

圖5 制備多級有序結(jié)構(gòu)的HAP基復(fù)合材料過程示意圖[72]Fig.5 Schematic representation of the pathway followed to fabricate multilevel organized HAP composite[72]

除冷凍鑄造技術(shù)外，真空抽濾輔助自組裝的方法也可用于層狀仿生有序結(jié)構(gòu)HAP材料的制備。例如，Li等使用淀粉樣蛋白纖維作為膠原蛋白替代品，以透鈣磷石(CaHPO4·2H2O，磷酸氫鈣的一種)作為前驅(qū)體，借助抽濾輔助自組裝的方法獲得了淀粉樣蛋白纖維-HAP復(fù)合仿生骨組織有序結(jié)構(gòu)[68]。淀粉樣蛋白原纖維是替代膠原蛋白的理想候選者，其豐富多樣的表面官能團和長的尺寸(高達10 μm)，在獲得有序組裝復(fù)合材料期間為HAP提供了必要的膠體穩(wěn)定性。與采用原位礦化等制備仿生骨組織復(fù)合材料相比，這項工作采用“自下而上”的設(shè)計使得復(fù)合材料除具有接近真實骨的無機/有機物比例外，還具有良好的有序分層結(jié)構(gòu)，其力學(xué)特性與天然松質(zhì)骨相匹配，并優(yōu)于臨床使用的骨水泥。一維淀粉樣蛋白纖維和HAP在真空過濾過程中充分復(fù)合形成的片狀分層排列是其出色力學(xué)性能的關(guān)鍵。

此外，將磷酸氫鈣作為制備HAP微觀有序結(jié)構(gòu)優(yōu)良的模板，也已經(jīng)用于宏觀尺度樣品的制備。Liu等利用磷酸氫鈣(CaHPO4, DCP)向HAP物相轉(zhuǎn)變時保持原來尺寸的特點，通過合成大尺寸的磷酸氫鈣樣品實現(xiàn)了HAP材料從微觀尺度有序樣品向宏觀尺度有序樣品的控制合成，獲得了有序結(jié)構(gòu)納米HAP組成的宏觀分層結(jié)構(gòu)(圖6)[58]。此外，通過真空滲透方法可以在該分層結(jié)構(gòu)中復(fù)合加入有機明膠組分，制備出多層次有序HAP/明膠復(fù)合材料。典型的HAP/明膠復(fù)合有序結(jié)構(gòu)的模量為(25.91±1.78) GPa、硬度為(0.90±0.10) GPa，與人皮質(zhì)骨完全匹配(模量(24.3±1.4) GPa、硬度(0.69±0.05) GPa)。這項工作突出了從磷酸氫鈣到HAP的拓?fù)湎嘧儗τ行蚪Y(jié)構(gòu)合成的重要性，為仿生天然結(jié)構(gòu)的制備帶來了新的途徑，有助于得到具有優(yōu)異力學(xué)性能的新型硬組織修復(fù)材料。

4 羥基磷灰石納米線基可控有序結(jié)構(gòu)

HAP納米線具有高的長徑比，與硬組織中礦化膠原、牙釉柱等微觀結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)上的相似性。因此，開展HAP納米線合成及其仿生結(jié)構(gòu)的制備研究具有重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景。目前為止，已有多種合成方法用于制備HAP納米線，包括溶劑/水熱法[21, 24, 73]、微波輔助合成法[74, 75]、多孔陽極氧化鋁硬模板法[46]、溶膠-凝膠法[76]和膠束模板法[77]等。雖然上述多種方法在HAP納米線合成中已經(jīng)取得了一定的進展，但是超長結(jié)構(gòu)(例如長度大于100 μm)和高長徑比的HAP納米線的合成仍然具有挑戰(zhàn)性。除此之外，將高長徑比的HAP納米線進行有序組裝，可以在一定程度上仿生天然硬組織的結(jié)構(gòu)，也是長久以來生物礦化和生物材料研究領(lǐng)域的難點。

圖6 (A)HAP/明膠雜化材料的多級有序化分層結(jié)構(gòu)的構(gòu)建步驟示意圖；(B)宏觀尺寸二水合磷酸氫鈣(macro dibasic calcium phosphate dehydrate, MDCPD)晶體和HAP產(chǎn)物的照片：(a，c)制備的不同MDCPD晶體的照片，(b，d)最終宏觀尺寸HAP(macro HAP crystals, MHAP)產(chǎn)物照片；(C)MHAP和HAP/明膠復(fù)合體橫截面的FESEM照片：(a，b)純無機MHAP的斷面，其中箭頭指出了HAP納米晶的排列方向，(c)沿c軸的HAP/明膠復(fù)合體(明膠8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，8次)的橫截面，箭頭表示在兩層之間凝聚的明膠; (d)垂直于c軸的橫截面，在插入圖中顯示相同區(qū)域的磷和碳元素的EDS元素面掃照片[58] Fig.6 Schematic illustration of the construction steps (A), showing the multilevel hierarchical structure for HAP/gelatin hybrid material. The photographes of MDCPD crystals and HAP products (B): (a, c) digital photographs of as obtained MDCPD crystals with different scales; (b, d) the corresponding final MHAP products of (a, c). FESEM images of fracture of MHAP and cross-sections of HAP/gelatin hybrids (C): (a,b) liquid nitrogen quenching fracture of pure inorganic MHAP substrate and details of a single 2nd level layer, the arrows show the main orientation direction of nHAP units; (c) cross-section of HAP/gelatin hybrids (gelatin 8 wt%, 8 times) along the c-axis, the arrows indicate gelatin that cohered between two 2nd level layers; (d) cross section perpendicular to the c-axis, EDS mapping of phosphorus and carbon elements at the same area is shown in the insert[58]

納米材料的大規(guī)模制備是納米技術(shù)和材料科學(xué)領(lǐng)域的普遍挑戰(zhàn)，尤其是其有序納米結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制備[78, 79]。如前文所述，將HAP納米材料有序化的方法已有多種，但是這些合成方法或產(chǎn)物仍然存在較多的局限性。例如，獲得的HAP有序結(jié)構(gòu)的尺寸一般較小(大部分在微米量級)，大尺寸高度有序的HAP材料(大于100 μm)難以制備；此外，有序結(jié)構(gòu)難以自主控制，往往受限于所依賴化學(xué)反應(yīng)的隨機性或模板的已有結(jié)構(gòu)，且去除使用的模板時可能會導(dǎo)致有序結(jié)構(gòu)的損壞。由此可見，常規(guī)的合成方法難以實現(xiàn)對HAP有序結(jié)構(gòu)尺寸和方向的精準(zhǔn)控制。最近，作者課題組報道了超長HAP納米線的大規(guī)模溶劑熱生產(chǎn)方法，并進一步提出通過表面小分子介導(dǎo)的液相自組裝獲得尺寸和方向均可控的有序結(jié)構(gòu)HAP的策略(圖7和圖8)[80]。首先，在油酸、醇和水的混合溶劑中，在180 ℃條件下通過溶劑熱反應(yīng)制備出具有良好分散性的HAP納米線漿料。該反應(yīng)的總體積達到了5 L，且可以使用工業(yè)化的大型反應(yīng)釜體系(10 L)。產(chǎn)物中的HAP納米線為單分散狀態(tài)，因此形成的漿料具有高度穩(wěn)定性，可以保持均勻的分散狀態(tài)6個月以上。然后將獲得的HAP漿料通過針頭注射的方法緩慢注射進入乙醇溶劑中，這些漿料中的納米線會通過自組裝形成宏觀線狀的HAP有序結(jié)構(gòu)。如圖7所示，HAP納米線表面的化學(xué)性質(zhì)是通過液相自組裝制備HAP有序結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。油酸分子的羧基可以吸附在所制備的超長HAP納米線的表面，同時其烷基鏈會暴露于混合溶劑中，使得產(chǎn)物漿料中的HAP具有良好的分散性。然而，當(dāng)HAP納米線漿料被注入無水乙醇中時，產(chǎn)物漿料中的水、甲醇和部分油酸會迅速擴散至乙醇中，但吸附在HAP納米線上的油酸分子的烷基鏈與乙醇不相容，從而導(dǎo)致超長HAP納米線從溶液中析出。在溶劑擴散過程中，吸附在HAP納米線表面的油酸分子通過“醇-油酸”相互作用力起始和調(diào)控了HAP納米線的自組裝，使得HAP納米線有序化。同時，由于HAP納米線具有高的長徑比，HAP納米線之間可以彼此連接和組裝在一起，形成連續(xù)排列的有序結(jié)構(gòu)，且其有序化方向平行于注射針的移動方向。因此，通過簡單地控制注射針的移動方向，就可以很好地控制超長HAP納米線的長程連續(xù)有序結(jié)構(gòu)的走向。圖7c中顯示了將HAP漿料注射至乙醇中2，10，20和30 s后的光學(xué)顯微鏡照片，說明了HAP漿料中溶劑的擴散和HAP納米線的自組裝過程。且可以發(fā)現(xiàn)，HAP納米線自組裝產(chǎn)物邊緣上和中間部分均可以快速生成連續(xù)排列的有序結(jié)構(gòu)。

圖7 HAP納米線及其可控有序結(jié)構(gòu)形成機理[80]：(a，b)HAP納米線的形成機理和HAP納米線有序化過程的示意圖；(c)在使用針頭內(nèi)徑為0.41 mm的注射器將含有HAP納米線的漿料原位注射到無水乙醇中2，10，20，30及30 s后的光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.7 Formation mechanism of ultralong HAP nanowires and self-assembled highly ordered ultralong HAP nanowires(SHOUNs)[80]： (a, b) Schematic illustration of the formation mechanism of ultralong HAP nanowires and ordering process of ultralong HAP nanowires; (c) Optical micrographs obtained under an optical microscope after in situ injecting the solvothermal product slurry containing ultralong HAP nanowires into absolute ethanol using a syringe with a needle with an inner diameter of 0.41 mm for different time of 2, 10, 20, 30 and more than 30 s

如圖8所示，該方法獲得的線狀HAP表面光滑，能夠獨立成線，從乙醇溶劑中拾取和卷起成束。該線狀HAP的寬度可以由注射針頭的內(nèi)徑控制，其長度與連續(xù)注射的HAP漿料的量相關(guān)，理論上不受限制。線狀HAP具有高度的柔韌性，并且容易將不同的線狀HAP擰在一起形成HAP納米繩。HAP的有序結(jié)構(gòu)在納米繩中得到了完全的保留，使得HAP納米繩具有較好的柔韌性和力學(xué)強度，并表現(xiàn)出類似于常見有機植物纖維一樣的性質(zhì)，如彎曲和打結(jié)。該種線狀HAP有序結(jié)構(gòu)的制備方法非常簡單和可控，可以用于制備柔韌HAP織物。由HAP納米線制成的HAP織物在濕態(tài)和干態(tài)情況下均顯示出與普通棉紗布相似的形態(tài)和良好的柔韌性，可以像普通的棉紡織品一樣折疊和卷起。此外，通過設(shè)計不同模型還可以構(gòu)建出HAP納米線組裝的特定的三維結(jié)構(gòu)，如中國結(jié)、多孔三維支架等。HAP納米線及其柔韌性織物是生物相容、環(huán)境友好的材料，其有序結(jié)構(gòu)使得HAP織物表現(xiàn)出與傳統(tǒng)HAP材料不同的力學(xué)性質(zhì)。這種新方法為宏觀尺度的HAP連續(xù)有序結(jié)構(gòu)的可控制備提供了一種簡單有效的策略，使得HAP納米線可以被設(shè)計成形態(tài)豐富的生物材料，在各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有廣闊前景。

圖8 室溫下將HAP納米線漿料注入無水乙醇中制備的線狀HAP有序結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性質(zhì)[80]：(a，b)大尺寸線狀HAP的照片；(c～e)線狀HAP的SEM顯微照片；(f)由單根及2、3和4根線狀HAP擰成的HAP納米繩的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(g)扭曲36根HAP有序結(jié)構(gòu)獲得的HAP納米繩可以承受500 g的重量，表現(xiàn)出高強度Fig.8 Characterization of the HAP wires prepared by simply injecting the solvothermal product slurry containing ultralong HAP nanowires into absolute ethanol at room temperature[80]: (a, b) Digital images showing the large-sized wire-like HAP; (c～e) SEM micrographs of the wire-like HAP; (f) Tensile stress-strain curves of the HAP nanoropes obtained by twisting 1， 2, 3, and 4 single wire-like HAP; (g) A combined HAP nanorope obtained by twisting 36 single wire-like HAP exhibits a high strength by withstanding a weight of 500 g

基于這種HAP有序結(jié)構(gòu)的制備新策略，Yang等將高分子聚丙烯酸鈉與HAP納米線漿料混合，通過針頭注射的方式獲得了HAP復(fù)合有序結(jié)構(gòu)[81]。Yu等也通過與樹脂復(fù)合的方法，“自下而上”地構(gòu)建了HAP仿生牙釉質(zhì)材料(EMSMs)[82]。如圖9所示，HAP納米線可以按順序組裝成高度有序的HAP納米線束，并進一步制造出具有任意尺寸的復(fù)雜形狀，從而模擬了牙釉質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)。通過復(fù)合樹脂，HAP納米線有序結(jié)構(gòu)仿生牙釉質(zhì)材料表現(xiàn)出了極高的力學(xué)性能，其壓縮楊氏模量達到2.80 GPa，是純樹脂的3.54倍，純HAP納米線樣品的28倍。這種高度有序結(jié)構(gòu)和增強的力學(xué)性能不僅在基礎(chǔ)研究上有助于理解HAP納米晶體在牙釉質(zhì)中的重要作用，而且這種構(gòu)建策略可以用于制造復(fù)雜的高度有序結(jié)構(gòu)，從而為高性能HAP材料的開發(fā)提供了可行的途徑。

圖9 牙釉質(zhì)和仿生牙釉質(zhì)之間結(jié)構(gòu)相似性的示意圖[82] Fig.9 Schematic illustration of the structure similarity between the dental enamel and biomimetic enamel[82]

此外，上述表面小分子介導(dǎo)的液相自組裝策略，也可用于三維仿生結(jié)構(gòu)的制備。例如，松質(zhì)骨是由骨質(zhì)組成的疏松狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有較高的孔隙率(40%～90%)[83, 84]。 松質(zhì)骨具有大比表面積和優(yōu)異的力學(xué)性能，其疏松結(jié)構(gòu)為細(xì)胞生長和營養(yǎng)物質(zhì)的存儲提供了相互連接的穩(wěn)定空間。然而，迄今為止，在結(jié)構(gòu)和組成上同步仿生松質(zhì)骨材料的研究報道仍然較少。Zhang等通過冷凍干燥結(jié)合表面小分子介導(dǎo)的液相自組裝策略，成功獲得了具有3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的仿生松質(zhì)骨HAP氣凝膠[85]，如圖10。具體的制備過程分為3步：首先，使用改進的溶劑熱策略，制備單分散HAP納米線組成的漿料；然后將所得漿料放入所需形狀的模具中并在-20 ℃下冷凍成型，再通過后續(xù)的冷凍干燥方法除去水分；最后，將干燥的樣品浸入乙醇中去除多余的油酸組分，并使得HAP納米線自組裝形成穩(wěn)定的3D氣凝膠。該方法中原位液相自組裝過程與前文所述的構(gòu)建有序結(jié)構(gòu)HAP納米線的工藝方法具有相同的機制。將冷凍干燥的樣品浸入乙醇中時，樣品中大部分的油酸分子會通過溶解和擴散作用去除，而HAP納米線表面仍然會殘留油酸分子層，其羧基和HAP中鈣離子有相互作用。此后，借助油酸的烷基鏈與乙醇不相容作用，使HAP納米線可以自組裝和相互纏結(jié)形成3D的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種新型HAP氣凝膠不僅具有高度多孔性(孔隙率約99.7%)，而且具備超輕、高彈性和高度絕熱(導(dǎo)熱性， 0.0387 W/(m·K))的特征。該冷凍干燥結(jié)合液相自組裝制備氣凝膠的方法環(huán)境友好、成本低，比常用的化學(xué)氣相沉積(CVD)和臨界點干燥等方法更容易實現(xiàn)大規(guī)模制備[86-91]。并且，通過構(gòu)建仿生天然松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)無機氣凝膠高脆性的缺點，而且不含有機溶劑、交聯(lián)劑，在空氣過濾、環(huán)境清潔、隔熱及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

圖10 松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)示意圖(a)；松質(zhì)骨中相互聯(lián)通的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的SEM照片(b)；仿生松質(zhì)骨HAP氣凝膠的照片(c)； HAP氣凝膠的相互聯(lián)通的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的SEM照片(d); HAP氣凝膠的制備過程示意圖(e)；HAP納米線的TEM照片、選區(qū)電子衍射圖譜和高分辨率TEM照片(f)； HAP納米線表面吸附油酸分子的示意圖(g)； HAP納米線自組裝示意圖(h)；用乙醇和水洗滌后的自組裝HAP納米線(HAP納米線束)的TEM照片(i)[85] Fig.10 Schematic illustration for the microstructure of cancellous bone (a); SEM micrographs of the interconnected meshwork of cancellous bone (b); Digital image of a HAP aerogel with biomimetic structure to cancellous bone (c); SEM micrographs of the interconnected meshwork structure of a HAP aerogel (d); Schematic illustration of the preparation process of HAP aerogel (e); TEM image of HAP nanowires, SAED pattern and high-resolution TEM (HRTEM) image of a single HAP nanowire (f); Schematic illustration of the surface structure of HAP nanowires adsorbed with oleate groups (g); Schematic illustration of the self-assembly of HAP nanowires during washing with ethanol and water (h); TEM image of self-assembled HAP nanowires (HAP nanowire bundles) after washing with ethanol and water (i)[85]

5 結(jié) 語

HAP是脊椎動物骨骼和牙齒的主要無機成分。因此，人工合成的HAP基生物材料被認(rèn)為具有極好的生物相容性、可降解性和生物活性，從而成為藥物遞送、口腔修復(fù)、骨修復(fù)/組織工程等各種生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用中理想的無機類功能材料之一。隨著納米加工理論和技術(shù)的進步，HAP類生物材料的合成及對其尺寸和結(jié)構(gòu)的控制方法也日趨完善，極大地豐富了人工合成HAP類生物材料的種類和性能。例如，納米顆粒、納米棒、納米線/纖維、納米/微米管及多種形態(tài)的三維組裝結(jié)構(gòu)的HAP材料已經(jīng)被制備出來，并用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究。然而，當(dāng)前廣泛被使用的人工合成HAP生物材料仍然多以粉體或多孔陶瓷等無序結(jié)構(gòu)的形態(tài)。因此，對HAP類生物材料結(jié)構(gòu)控制的研究，特別是可控仿生有序結(jié)構(gòu)的制備仍然是一項長期的挑戰(zhàn)。

在脊椎動物硬組織中，納米尺度的HAP晶體是由生物礦化過程產(chǎn)生，并通常按照人體硬組織受力分布情況呈可控的復(fù)雜有序結(jié)構(gòu)排列。這些復(fù)雜和定向的結(jié)構(gòu)賦予了天然硬組織卓越的力學(xué)性能，使其同時具有無機材料的硬度和有機基質(zhì)的韌性。其獨特的有序結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的性能為人工合成HAP的研究提供了靈感。近年來，為仿生天然硬組織中HAP的有序結(jié)構(gòu)，眾多研究者通過大量的嘗試提出了一系列的方案，取得了顯著的成果，包括：模板法、有機溶劑/小分子調(diào)控法、高分子/多肽誘導(dǎo)礦化法、表面小分子介導(dǎo)的液相自組裝法等。例如，磷酸氫鈣作為反應(yīng)前驅(qū)體和結(jié)構(gòu)調(diào)控模板，可以通過自身與HAP的結(jié)構(gòu)相似性，獲得仿生牙釉質(zhì)中HAP的有序結(jié)構(gòu)，并且可以實現(xiàn)從微觀尺度到宏觀尺度材料的制備；表面小分子介導(dǎo)的液相自組裝制備策略，成功實現(xiàn)了HAP納米線從納米尺度到微米尺度再到宏觀尺度的連續(xù)自組裝和有序化，通過對HAP納米線有序結(jié)構(gòu)的尺寸和方向的精準(zhǔn)控制，使得HAP材料具備柔韌性特征。盡管近年來仿生有序結(jié)構(gòu)HAP基生物材料領(lǐng)域的研究有了較大的發(fā)展，但目前仍存在一些急需解決的難題：① HAP仿生有序結(jié)構(gòu)的制備新理論和新方法探索仍然是一個長期的工作，特別是結(jié)合材料計算學(xué)和材料基因組學(xué)的概念和手段探索合成方法、結(jié)構(gòu)和性能間的聯(lián)系；② 雖然目前已經(jīng)獲得了多種多樣的HAP仿生有序結(jié)構(gòu)，但是仍沒有可以與天然硬組織力學(xué)性能相媲美的體系，難以在結(jié)構(gòu)可控仿生的同時實現(xiàn)高強度和韌性；③ 大部分HAP仿生有序結(jié)構(gòu)的研究停留在體外制備和細(xì)胞層面的安全性評價階段，缺乏系統(tǒng)的體內(nèi)生物安全性和生物學(xué)效應(yīng)的研究。

總之，HAP基生物材料是無機生物材料中最重要的成員之一，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。對仿生有序結(jié)構(gòu)的HAP基生物材料的控制合成、結(jié)構(gòu)調(diào)控及應(yīng)用研究，不僅有助于探索和理解硬組織生物礦化過程中的機制和理論，而且有望發(fā)展出新型高性能材料體系，為無機生物材料的研究及轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供新思路。