纳米羟基磷灰石: 制备+应用, 一文看懂!

发布日期：2026-07-22 08:12 点击次数：178

在自然界中，存在许多性能优异的生物矿物，这些生物矿物大多数组成简单，但具有高度的结构组织性，以及良好的强度，硬度。其中作为人体硬组织的主要无机成分的羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA或HAP），以其优良的生物相容性，生物活性，生物传导性等受到生物医学领域的广泛关注。

纳米羟基磷灰石概述

羟基磷灰石是一种磷酸钙化合物，分子式为Ca10(PO4)6(OH)2，钙磷比为1.67，具有良好生物相容性和生物活性。纳米羟基磷灰石（nHA）尺寸范围一般在1-100nm，nHA因较大的比表面积和较小的尺寸增强了其水合作用，从而使其具有更好的物理和化学特性[1]。

研究发现，纳米级HA比微米级HA在机械性能、生物活性以及表面特性等方面都具有明显的优势。纳米级HA的形貌结构又分为多种，包括细针状、棒状、球状以及片状，且不同形貌特征的HA晶体可应用于不同的领域。如具有纳米细针状特征的HA晶体与人体骨矿物质结构相似，可作为骨组织损伤替换材料；具有中空微纳结构的HA微球和由纳米片状组装而成微纳球状的HA因具有比表面积大及孔数量多等优点，在药物输送领域发挥重要的作用[2]。

纳米羟基磷灰石的制备[3]

纳米HA制备方法众多，并且合成所需的各种原材料也廉价易得，采用不同方法制备所获得的HA具有不同的化学结构与功能。随着科学技术的快速发展，羟基磷灰石的制备工艺得到了显著的改进，目前制备HA的方法主要包括干法和湿法[4-5]两种合成方案。干法合成方法通常能够获取到化学计量和结晶相对良好的产品，但具有需要相对较高的反应温度以及较长的反应时间等缺陷。该方法还必须通过研磨才能进一步获得纳米粒子。相较于干法合成方法，湿法合成方法所需求的反应温度相对较低也更为容易产生纳米颗粒，其不足是该法所制备的产品具有相对较低的结晶度和Ca/P比率。不同的制备工艺制备的HA在形态结构上存在一定差异。

干法合成法

干法合成法又称固相反应法，是以既定的比例将3种固体原料[Ca(OH)2、Ca3(PO4)2、NaOH]相混合，并分散均匀，通过控制水蒸气的温度在1000℃以上，促使一系列反应于相界面上得以发生，从而使固体混合物HA析出并获得其粉体。

1.固态合成法

固态合成法[6]是一种利用高温煅烧的方式以各种研磨后的磷酸盐为原料来获得HA，常用于HA粉末的合成，这种制备工艺比较简单，但这种在固态条件下合成的HA粉末具有扩散系数较小的特点，以及粒子的组成具有不均匀性。该制备方法具体流程为利用粗制的HA（微米级）为原料，在硫酸钾（K2SO4）的助熔条件下，多次尝试改变反应过程中的各类条件（包括温度、时间、反应物比例等），最终于1080～1200℃得到了呈现出纳米晶须结构的HA。

2.机械球磨法

机械球磨法[7]主要用于合成各种纳米陶瓷和塑料合金，通过机械磨球与塑料磨球之间，磨球与热塑料罐两者之间的强力碰撞，使纳米粉末材料发生快速变形、破碎。这些被破碎的粉末在随后的球磨过程中又再次发生冷却熔焊和融合，再次被球磨破碎，致使晶粒不断细化，可以迅速达到一个纳米数量级。机械球磨法的研磨时间和速率对HA的晶态有不可忽略的影响。

3.湿法合成法[8]

干法制得HA样品颗粒较大，与干法相比，通常用湿法来制备特定形貌和尺寸的HA，根据文献研究，湿法制备是通过调节反应参数，直接控制产物的生长条件，在现有的研究中，大多采用湿法控制HA形貌。例如改变溶剂、加入添加剂或采用不同的前驱体在不同的装置内进行，也可以在室温或高温、常压或高压环境中反应。尽管如此，在制备过程中也可能会出现晶相不纯，其他磷酸盐存在于HAP中的现象，而且在溶液中的反应也有引入其他离子产生杂质的可能。

水热法[9]

水热法是实验室中制备HA颗粒的常用方法之一，其原理是将含有钙盐与磷酸盐的混合水溶液在高温高压的密闭容器（水热反应釜）中反应得到HA晶体颗粒。这种方法制备出的HA颗粒为粒径均匀、形貌规整的晶态颗粒，无需进行后续的高温烧结使颗粒结晶化，这不但节约能源还能够避免烧结过程中造成的颗粒团聚现象。水热法还可以通过控制反应温度与反应时间等条件对产物的形貌及尺寸等进行调节，最终得到形貌与尺寸皆不同的反应产物。

溶胶－凝胶法

溶胶-凝胶法通常用于纳米级粒子的制备。首先要选择合适的溶剂，并将反应原料溶解于其中，形成均匀分散的溶液，然后加入催化剂等其他组分，反应原料在其作用下发生水解与聚合形成均匀分散的溶胶，在进一步的陈化过程中，溶胶中的胶粒发生聚合得到具有一定空间结构的凝胶，最后通过干燥及热处理过程得到纳米粒子[9]。

沉淀法

沉淀法制备HA的操作相对简单，对实验设备的要求也较低，反应简单易控，适合制备粒度较小的粉体[9-10]。采用沉淀法制备HA一般有两种常用的沉淀方式，一种是化学沉淀法，一种是酸碱反应沉淀法。化学沉淀法是将提供磷源的试剂溶液加入到提供钙源的试剂溶液中搅拌、调节pH，再经过陈化、洗涤、干燥等流程得到HA粉末。酸碱反应沉淀法则是用酸碱中和的原理进行反应生成HA。

微乳液法

微乳液法[11]是指以含钙和磷酸盐为原料的反应体系中添加表面活性剂（增加反应体系的分散性），利用水和有机助溶剂的相互作用而形成乳液，进而沉淀析出羟基磷灰石。该方法具有工艺简单，粒径可控（一般分布在10～100nm）等优势，但该方法收率较低，需要使用大量的有机溶剂，一方面具有较大风险会对人体和环境造成危害，另一方面是其制作成本较其他方法更高。

水解法

水解法[12]是一种综合反应法，先制备固体前驱体CaHPO4，随后设定相应的水解条件（温度70℃）以及酸碱度（pH=8.5）以达到在晶格中加入氢氧根离子的目的，从而得到不同形貌的纳米颗粒。此方法的基本原理是利用水解反应（固体气相液体表面与未溶解的离子），具有可控性好的优点。

纳米羟基磷灰石的生物医学应用

HA具有许多的优异性能，如生物活性、高度的生物相容性、骨传导性、骨诱导性以及骨整合，是生物应用材料热点之一，因此对其开发以及研究是具有重要意义的。目前，nHA在生物医学方面的应用，主要集中在硬组织修复材料、生物涂层材料以及药物传递系统等方面。

纳米羟基磷灰石在硬组织修复材料的应用[13]

HA占人牙釉质成分的95%以上，具有良好的生物相容性和可降解性，被广泛应用在骨组织工程和齿科修复中。由于nHA的溶解性较高，因此能极大地提高Ca2+、PO43-离子的浓度，对于牙釉质再矿化有较大的促进作用。人体骨骼由70％的无机材料（磷灰石）和30％的有机物质（胶原蛋白和骨髓细胞等）构成，与HA的成分类似，因此HA成为了骨修复的首选材料。目前，将高分子材料与HA结合，制备成骨组织工程复合支架材料，来模仿天然骨的成分，得到的复合材料可以模仿细胞外基质，诱导组织再生。

纳米羟基磷灰石在生物涂层材料的应用[14]

nHA的机械性能较差，使得其被限制只能作为非承重材料。而传统的金属植入材料如钛及钛合金虽然具有良好的韧性、强度以及加工性能，能够用作承重材料（种植牙、骨固定材料等），但其通常是惰性的、生物相容性较差并且长期使用会造成其磨损，导致发炎、植入物松动等问题。由nHA结构组成的涂层，使金属植入体具有更好的生物相容性，将不利因素降至最低，并还能减少金属移植物中金属离子的迁移，防止金属表面被体液腐蚀。另外nHA能够促进成骨细胞附着、增殖，并最终使得损伤的硬组织更快修复。

纳米羟基磷灰石在不稳定药物递送中的应用[3]

作为可在人体内应用的药物递送载体，需要具备良好的生物相容性和可降解性，良好的理化和生物稳定性，极低的毒性，以及更高的药物负载能力。不同形状的nHA具有极高的比表面积以及载药空隙，因此在纳米级制剂载体中，药物负载能力较强，这也是nHA被选作药物递送系统的必要条件。由目前的文献报道来看，nHA及其复合物是一种具备高载药能力，高保护能力和高转染性能的无机纳米材料。因此，其在未来基因药物及抗肿瘤药物的体内递送方面极具发展潜能。

结语

自纳米羟基磷灰石被应用于骨组织工程以来，研究者们采用了很多方法来制备nHA，已达到获取不同微观形貌的纳米羟基磷灰石的目的。不同的制备方式使得nHA具有不同的微观形态，这些不同的微观形态在材料中体现出了不同的材料学性能，使其应用于各自不同的领域。nHA因其优良的生物活性和生物相容性、更高的载药量以及比普通HA更有利于细胞附着的特性而在生物医药领域受到广泛关注与研究。

参考文献

[1]纳米羟基磷灰石调控水稻生长及抗病性的机制研究[D].江南大学,2023.

[2]金莹.锶-羟基磷灰石微球及其复合PVA水凝胶支架的制备与性能研究[D].上海师范大学,2023.

[3]刘丹,王强等.纳米羟基磷灰石的制备及在不稳定药物递送中的应用[J].药学研究,2022,41(11):737-740.

[4]邹雪艳,李小红等.化学钝化法修复重金属污染土壤研究进展[J].化学研究,2018,29(06):560-569.

[5]LIUW,CHENXD,SELOMULYAC.Onthespraydryingofuniformfunctionalmicroparticles[J].Particuology,2015,22(5):1-12

[6]BANERJEEA,BANDYOPADHYAYA,BOSES.Hydroxyapatitenanopowders:Synthesis,densificationandcell-materialsinteraction[J].MatSciEngC,2006,27(4):729-735.

[7]黄嘉琪,郑炜山等.纳米羟基磷灰石制备方法研究进展[J].石化技术,2019,26(09):352-354.

[8]兰玉婷,杨新宇等.纳米羟基磷灰石形貌的控制及其催化研究进展[J].山东化工,2022,51(11):115-117.

[9]英瑞莲.纳米羟基磷灰石基复合三维多孔支架材料的构建及其性能研究[D].青岛科技大学,2020.

[10]汪阮峰,颜世峰等.原位沉淀法制备CS/nHA多孔复合支架及其性能[J].高等学校化学学报,2019,40(05):1080-1088.

[11]王彩,侯朝霞等.聚丙烯酰胺改性羟基磷灰石的制备及吸附Cu2+研究[J].功能材料,2014,45(02):2059-2062.