羟基磷灰石磁性功能复合材料的制备及其研究

羟基磷灰石研究进展摘要：由于羟基磷灰石( HA) 不但与人体骨骼晶体成分和结构基本一致,而且其生物相容性、界面生物活性均优于医用钛、硅橡胶及植骨用碳材料等植入医用材料,另外有极好骨传导性和与骨结合的能力, 无毒副作用, 无致癌作用,所以被广泛用作硬组织修复材料和骨填充材料的生理支架以及疾病、意外事故中的骨修复材料。

同时，羟基磷灰石具有良好的生物活性,具有特殊的晶体化学特点，是较好的生物材料,被广泛应用于骨组织的修复与替代技术.目前,羟基磷灰石涂层的制备方法有等离子喷涂法、激光熔覆法、电结晶液相沉积法、溶胶-凝胶法等。

对于制备要求较高、具有表面活性的吸附材料羟基磷灰石而言,溶胶- 凝胶法是较为合适的方法,本文羟基磷灰石涂层进行了研究。

主要从羟基磷灰石的合成制备,复合材料涂层种类及HA涂层影响因素，应用等方面对羟基磷灰石进行介绍，并对其进行研究展望。

关键词：羟基磷灰石制备复合材料涂层研究进展前言羟基磷灰石是一种磷酸钙生物陶瓷, 与人体自然骨和牙齿等硬组织中的无机质在化学成分和晶体结构上具有相似性，是一类重要的骨修复材料,分子式为Ca10 ( PO4) 6 ( OH ) 2 , 简写为HA 或HAP,Ca/ P 物质的量比理论值为1. 67, 属磷酸钙陶瓷中的一种生物活性材料。

从分子结构( 如图1) 可以看出, 它易与周围液体发生离子交换。

HA 属六方晶系, 空间群为P63/m。

其结构为六角柱体, 与c轴垂直的面是一个六边形, a、b 轴的夹角为120 °, 晶胞常数a= b= 9. 324 A , c= 6. 881A 。

单位晶胞含有10 个[ Ca]2+、6个[ PO4]3-和2个[ OH]-, 这样的结构和组成使得H A 具有较好的稳定性。

磷灰石是自然界广泛分布的磷酸钙盐矿物，根据其结构通道中存在的阴离子的种类,可分为氟-、氯-、羟磷灰石等不同亚种矿物。

其中，羟基磷灰石(hydroxyapatite，缩写为HA或HAp)的研究和应用最广泛。

万方数据・７０・材料导报：综述篇２０１０年８月（上）第２４卷第８期未分化间充质细胞和骨母细胞分化为成骨细胞和软骨细胞，从而诱导骨和软骨的形成Ｋ］。

但由于ＢＭＰ在体内扩散快，易被蛋白酶分解，无支架和填充作用，目前多使用载体与其结合，形成ＢＭＰ缓释系统。

目前，具有骨传导作用的多孔型羟基磷灰石材料与具有诱导异位成骨作用的ＢＭＰ复合制成的ＨＡ—ＢＭＰ已进行动物实验。

Ｍａｇｉｎ等¨。

研究ｒｈＢＭＰ７（成骨蛋白１）复合羟基磷灰石后发现，羟基磷灰石复合ｒｈＢＭＰ７可诱导更多的骨形成。

ＫｕｂｏｋｉＬ７３证实多孔状羟基磷灰石中０．３５ｍｍ孔径可直接诱导骨形成。

但羟基磷灰石不易完全降解，影响进一步吸收。

Ｔａｏ等№ｏ对一种新型ＨＡ—ＢＭＰ复合人工听小骨的临床应用效果进行评价，结果显示，新型ＨｍＢＭＰ复合人工听小骨具有良好的生物相容性和优异的传音性能，术后成功率为９２．３％，随访均未见听骨脱出。

充分表明ＨＡ—ＢＭＰ复合材料明显优于自体组织，临床应用效果稳定，具有广阔的应用前景。

图１羟基磷灰石的晶体结构及（０００１）面的投影［２１Ｆｉｇ．１Ｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｐａｔｉｔｅａｎｄｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｏｎｔｏｔｈｅ（０００１）ｐｌａｎｅ［２］蚕丝蛋白（丝素）及其纤维由于具有优异的力学特性、生物相容性、生物可降解性以及本质是蛋白质的结构特点，在生物医学领域表现出极大的应用潜力，是近年来医学组织工程感兴趣的一类特殊的生物材料。

卢神州等［９］以羟基磷灰石／丝素蛋白复合凝胶为基体，以蚕丝短纤维和ＮａＣＩ颗粒作为增强材料和致孔剂，制备羟基磷灰石／丝素蛋白多孔复合材料，结果表明，材料中含有少量蚕丝短纤维对材料抗弯强度和断裂能力的提高有显著效果。

２．１．２多元体系的复合骨修复是一个极其复杂有序的过程。

近年的研究表明，生长因子在骨愈合过程中起重要作用。

骨形态发生蛋白（ＢＭＰ）是骨生长的启动因子，对骨愈合有明显促进作用。

医疗卫生装备·２００７年第２８卷第４期ＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪｏｕｒｎａｌ·２００７Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．４纳米羟基磷灰石及其复合材料的研究进展李志宏武继民李瑞欣许媛媛张西正（军事医学科学院卫生装备研究所天津市３００１６１）摘要纳米羟基磷灰石具有良好的生物相容性和生物活性，是较好的生物材料，被广泛应用于骨组织的修复与替代技术。

但是，由于材料本身力学性能较差制约了羟基磷灰石的进一步应用，因此，提高及制备综合性能优越的纳米羟基磷灰石复合生物材料是当今研究的重心和热点。

综述了纳米羟基磷灰石制备的主要方法及其复合生物材料的研究进展，并探讨了纳米羟基磷灰石骨修复材料的发展方向。

关键词纳米羟基磷灰石；复合材料；骨修复Ａｄｖａｎｃｅｓｉｎｎａｎｏ－ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅａｎｄｉｔｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅＬＩＺｈｉ－ｈｏｎｇ，ＷＵＪｉ－ｍｉｎ，ＬＩＲｕｉ－ｘｉｎ，ＸＵＹｕａｎ－ｙｕａｎ，ＺＨＡＮＧＸｉ－ｚｈｅｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＡｃａｄｅｍｙｏｆＭｉｌｉｔａｒｙＭｅｄｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１６１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＮａｎｏ－ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄａｓｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅａｎｄｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｏｓｓｅｏｕｓｔｉｓｓｕｅ，ｏｗｉｎｇｔｏｉｔｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｉｓｓｕｅｂｉｏａｃｔｉｖｉｔｙ．Ｂｕｔｔｈｅｐｏｏｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅｒｅｓｔｒｉｃｔｓｉｔｓｆｕｒｔｈｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌ，ｍａｎｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｄｉｃａｔｅｄｔｏｔｈｅｓｙｎｔｈｅｓｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｍａｉｎｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｎａｎｏ－ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅａｎｄｔｈｅａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｉｔｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅ．Ｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｉｎｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｓｗｅｌｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｎａｎｏ－ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ；ｂｏｎｅｒｅｐａｉｒ作者简介：李志宏，硕士，主要从事高分子材料和生物材料方面的研究；武继民，博士，硕士生导师，副研究员。

羟基磷灰石-氧化锆生物复合材料制备与性能研究羟基磷灰石/氧化锆生物复合材料制备与性能研究引言：随着生物医学领域的快速发展，生物复合材料作为一种功能性材料在骨组织工程、生物医学和牙科等领域得到广泛应用。

羟基磷灰石（HAP）是一种常见的骨组织工程材料，而氧化锆（ZrO2）因其优异的生物相容性和机械性能而被广泛研究。

将HAP与ZrO2制备成生物复合材料，不仅可以综合两者的优点，还可以改善各自的缺点。

本文旨在介绍羟基磷灰石/氧化锆生物复合材料的制备方法以及其性能研究。

方法：1. 材料制备：根据预期的复合材料性能，选择合适的HAP和ZrO2粉末，并进行表面处理以提高材料的附着力。

常用的表面处理方法有等离子喷涂、离子交换等。

2. 复合材料制备：将经过表面处理的HAP和ZrO2混合均匀，并加入适量的有机胶粘剂，形成可压制成型的复合材料。

通过压制和烧结过程得到最终的复合材料。

结果与讨论：1. 组织结构：利用扫描电子显微镜（SEM）观察复合材料的组织结构。

结果显示，HAP和ZrO2颗粒均匀分布在复合材料的基质中，形成致密的微观结构。

2. 物理性能：对复合材料的力学性能进行测试，包括硬度、抗压强度和断裂韧性等。

实验结果显示，羟基磷灰石/氧化锆生物复合材料具有较高的硬度和抗压强度，符合骨组织工程和牙科材料的要求。

3. 生物相容性：将复合材料与生物体接触，观察其生物相容性。

实验结果显示，羟基磷灰石/氧化锆生物复合材料具有良好的生物相容性，不会引起免疫反应或组织排斥现象。

4. 生物活性：利用细胞培养实验评估复合材料的生物活性。

结果显示，羟基磷灰石/氧化锆生物复合材料能促进细胞的黏附和增殖，具有良好的生物活性。

结论：本研究成功制备了羟基磷灰石/氧化锆生物复合材料，并对其性能进行了详细研究。

结果表明，该复合材料具有优异的力学性能、良好的生物相容性和生物活性，有望在骨组织工程和生物医学领域得到广泛应用。

进一步的研究可以探索复合材料的制备参数优化和应用扩展，为生物医学领域的材料研究提供新的思路和方法本研究成功制备了羟基磷灰石/氧化锆生物复合材料，并对其组织结构、物理性能、生物相容性和生物活性进行了详细研究。

羟基磷灰石及其复合涂层的研究现状段希夕 高钦钦(新余学院机电工程学院 江西新余 338004)摘要：钛及其合金金属有良好的机械性能，羟基磷灰石是有优异生物性能的活性陶瓷，因而羟基磷灰石/钛（HA/Ti）复合涂层结合二者优势性能被广泛应用于人体骨组织和牙齿的修复中，以提高材料的医用价值。

该文采用冷喷涂、等离子喷涂、磁控溅射、激光熔覆、溶胶-凝胶、电化学沉积等其他技术制备HA/Ti复合粒子，并适当掺入其他金属合金，完善性能，探究其实验后的涂层特征、表面形态对力学性能和生物性能的影响。

关键词：羟基磷灰石 钛 喷涂 复合涂层中图分类号：TG146文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)17-0087-07 Research Status of Hydroxyapatite and Its Composite CoatingsDUAN Xixi GAO Qinqin(School of Electrical and Mechanical Engineering, Xinyu University, Xinyu, Jiangxi Province, 338004 China) Abstract: Titanium and its alloy metals have good mechanical properties. Hydroxyapatite is an active ceramic with excellent biological properties, so hydroxyapatite/titanium ( HA/Ti ) composite coatings are widely used in the re‐pair of human bone tissue and teeth in combination with the advantages of the two to improve the medical value of materials. HA/Ti composite particles are prepared by cold spraying, plasma spraying, magnetron sputtering, laser cladding, sol-gel, electrochemical deposition and other technologies, other metal alloys are added to improve prop‐erties, and the effects of their coating characteristics and surface morphology after the experiment on mechanical properties and biological properties are explored.Key Words: Hydroxyapatite; Titanium; Spraying; Composite coatings21世纪以来，需要人工骨治疗患者的数量在全球约有3 000万人次[1-2]。

.44.２００８年０２月第５卷第１期生物骨科材料与临床研究O PAEDIC B IOMECHANICS M ATERIALS A ND C LINICAL S TUDY羟基磷灰石/壳聚糖生物复合材料的制备研究进展徐挺何狄周银银汪涛[摘要]羟基磷灰石/壳聚糖复合材料因其生物相容性和合适的力学性能逐渐成为骨替代材料研究的热点。

本文综述了羟基磷灰石/壳聚糖复合材料的研究现状，探讨了其特点、制备和性能。

并在此基础上提出了此类材料今后的发展方向：三相复合材料和电、磁学性能的研究。

[关键词]羟基磷灰石；壳聚糖；生物材料；复合材料[中图分类号]R318.08[文献标识码]BProgress of hydroxyapatite/chitosan biomedical compositeXu Ting，He Di，zhou Yinyin，et al.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics materials science and technologystudy，NaJing，211100[Abstract]Due to their biocompatibility and suitable mechanical properties，hydroxyapatite/chitosan composites havebecome the highlighted issue of the biomaterials for bone repairing.In the present paper，the recent applications and de-velopments of the composites are reviewed.Additionally,the characteristics，preparations and properties of the composi-tes are discussed as well.Finally，the developing trends of hydroxyapatite/chitosan biomedical composite materials are summarized and proposed.That is the study of three-phase composites and their electrical,magnetic properties.[Key words]Hydroxyapatite；Chitosan；Biomaterial；Composite1羟基磷灰石及壳聚糖的特点生物医学材料是指用于诊断、治疗、修复、替换人体组织、器官、或增进其功能的新型材料，有关此类材料的研究是近30年来发展起来的一门新兴交叉学科，而骨创伤事故的频繁发生使得骨修复与骨替代材料成为该领域中的研究重点。

第36卷第8期 娃酸盐通报Vol.36 No.8 2017 年8 月__________________BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY______________________August,2017磁性羟基磷灰石的制备及其除氟性能研究穆寄林1，陈维俱1，林皓1，胡家朋1，刘瑞来1，2，饶瑞晔1(1.武夷学院生态与资源工程学院福建省生态产业绿色技术重点实验室，武夷山354300;2.福建师范大学材料科学与工程学院福建省高分子材料与工程重点实验室，福州350007)摘要:氟离子在饮用水中浓度超过1.0 mg/L，将对人体健康造成极大危害。

通过原位共沉淀法将具有磁性的四氧 化三铁掺入羟基磷灰石（HAP)中制备磁性HAP。

磁性H A P可通过普通磁体将其吸附并分离回收。

实验结果表 明，最佳的制备条件为反应温度和时间为60 T：和1h，陈化温度和陈化时间为25 T：和12 h，四氧化三铁用量为0.08 g。

比较了 H A P和磁性HAP对水溶液中氟离子的去除效果。

Langmuir模型更适合于该体系，拟合得到最大吸附容 量为13.70 mg/g，说明磁性HAP对氟离子的吸附属于单层吸附。

AG0 <0和A//0 >0表明该吸附过程为自发的吸 热过程。

吸附过程符合拟二级动力学。

磁性H A P循环再生使用4次以上，仍能保持85%以上的除氟效率。

高吸 附容量和优异的循环使用性能表明磁性H A P是一种有效的、可重复使用的除氟吸附剂。

关键词:羟基磷灰石；磁性；除氟中图分类号:X703 文献标识码:A文章编号:1001-1625 (2017) 08-2659-09 Fabrication of Magnetic Hydroxyapatite and Its Property for DefluoidationM U J i-l i n1，CHEN W e i-j u1，LIN Hao1，H U J i a-peng1，LIU Rui-l a i1，2，RA0 Rui-y e1(1. College of Ecological and Resource Engineering,Fujian Provincial Key laboratory of Eco-Industrial Green Technology,Wuyi University,Wuyishan 354300,China；2. College of Material Science and Engineering,Fujian Normal University,Key Laboratory of Polymer Materials of Fujian Province,Fuzhou 350007,China)Abstract ：Fluoride above a permissible level ( > 1.0 mg/L) in drinking water has serious health effe cts on human beings. Ferroferric oxide/hydroxyapatite composites nanoparticles (magnetic hydroxyapatite) were prepared by the in-situ co-precipitation method mixed with f e r ro ferri c oxide. The magnetic H A P had magnetism, which can separate and recycle by the ordinary magnets. Current results show that the optimal experimental conditions are happened in 60 Tl of reaction temperature, 1 h of reaction time, 25 Tl of aging temperature and 12 h of aging time,0. 08 g dosages of ferr of e r r i c oxide. Magnetic hydroxyapatite i s used t o remove fluoride under different conditions and i t s defluoridation performance i s compared with that of hydroxyapatite. The adsorption process i s f i t t e d better by the Langmuir model witha maximum fluoride adsorption capacity (13. 70 mg/g) , indicating that the interaction between fluorideand magnetic H A P i s monolayer absorption process. The negative values of AG° and positive values of A//° revealed that the adsorption i s a spontaneous and endothermic reaction. The pseudo-second-order kinetic model f i t t e d better f or fluoride adsorption by magnetic HAP. The adsorption efficiency of magneticH A P can s t i l l maintain above 85% aft e r recycling four times. High adsorption and recycling performance基金项目：国家自然科学基金（51406141 );福建省教育厅项目（JZ160333，JB14105 );国家大学生创新性实验（201710397014，201610397031);武夷学院引进人才（YJ201501，YJ201704)作者简介:穆寄林(1968-)，男，硕士，讲师.主要从事功能材料方面的研究.通讯作者:胡家朋，博士，副教授.2660 研究快报硅酸盐通报第36卷suggest that magnetic H A P can be used as an effective and reusable defluoridation adsorbent.Key words:hydroxyapatite;magnetic;defluoridation1引言世界卫生组织（W H O)已将饮用水中过量的氟离子定义为主要的污染物，近年受到人们广泛关注[1_3]。

第52卷第8期2023年8月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.8August,2023磁性羟基磷灰石晶须的制备及其在磁场下的磁响应行为研究钏定泽1,颜廷亭2,刘继涛1(1.云南白药集团健康产品有限公司,昆明㊀650217;2.昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明㊀650093)摘要:羟基磷灰石晶须(HAw)的定向是设计和开发生物陶瓷的关键之一㊂本研究采用水热法将磁性纳米粒子四氧化三铁(Fe 3O 4)负载到HAw 表面,成功制备出具有优良磁响应特性的磁性HAw 复合材料,系统研究了磁化HAw 的理化性能㊁生物学性能并探究了其在弱磁场中的取向行为㊂结果表明四氧化三铁(Fe 3O 4)纳米粒子被成功负载到HAw 表面,所制备的磁化HAw 在室温下具备超顺磁性,且具有良好的磁响应特性,仅通过常规的永磁体就可以实现操控㊂结合磁场诱导注浆成型技术,由外部磁场施加的对准方向被有效固定㊂CCK-8实验结果表明磁化HAw 不具有细胞毒性㊂关键词:羟基磷灰石;晶须;四氧化三铁;超顺磁性;定向;细胞毒性中图分类号:TQ174㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)08-1532-08Synthesis of Magnetized Hydroxyapatite Whisker and Its Magnetic Response Behavior Under Magnetic FieldCHUAN Dingze 1,YAN Tingting 2,LIU Jitao 1(1.Yunnan Baiyao Group Health Products Co.,Ltd.,Kunming 650217,China;2.Faculty of Materials Science and Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China)Abstract :The orientation of hydroxyapatite whiskers (HAw)is one of key to design and develop bioactive ceramics for bone regeneraction.Guided behavior based on the construction of magnetic anisotropy.In this study,magnetic nanoparticles Fe 3O 4were loaded onto the surface of HAw by hydrothermal method,and magnetic HAw composites with excellent magnetic response characteristics were successfully prepared.The physicochemical properties and biological properties of magnetized HAw were systematically studied,and its orientation behavior in weak magnetic field was explored.The results show that ferric oxide (Fe 3O 4)nanoparticles are successfully loaded onto the surface of HAw,and the magnetized HAw has superparamagnetism and good magnetic response at room temperature,which can be manupulated by conventional permanent magnets.The alignment direction applied by the external magnetic field is effectively fixed by combining the magnetic field-induced grouting molding technology.The results of CCK-8experiment show that magnetized HAw has no cytotoxicity.Key words :hydroxyapatite;whisker;ferroferric oxide;superparamagnetism;orientate;cytotoxicity㊀㊀收稿日期:2023-02-03㊀㊀基金项目:云南省杨雷院士专家工作站(202205AF15025)㊀㊀作者简介:钏定泽(1995 ),男,云南省人,助理工程师㊂E-mail:1647031301@ ㊀㊀通信作者:刘继涛,博士,高级工程师㊂E-mail:jitaolou@0㊀引㊀㊀言磁性羟基磷灰石(hydroxyapatite,HAp)由于其优异的生物学性能和磁性能而被广泛研究[1]㊂HAp 晶体的定向是设计和开发生物陶瓷的关键之一㊂制备具有晶体定向排列的羟基磷灰石陶瓷,有助于了解人体中骨骼和牙釉质的多尺度高度有序结构,开发高性能的骨和牙釉质修复材料㊂通过在HAp 晶格中掺杂磁性离子(如Fe 2+/Fe 3+㊁Mn 2+㊁Gd 3+等)获得超顺磁性类似物相,是制备磁性HAp 最重要的途径之一[2-9]㊂制备磁㊀第8期钏定泽等:磁性羟基磷灰石晶须的制备及其在磁场下的磁响应行为研究1533㊀性HAp的另一种途径是将四氧化三铁(Fe3O4)纳米颗粒分散到具有不同形态的HAp表面形成HAp/Fe3O4复合材料[10-11]㊂目前对磁性HAp的研究主要集中于材料的磁热性及肿瘤热疗的效果,关于磁性HAp纳米晶在磁场中的定向效果的探究还较少[1]㊂HAp作为一种非磁性材料,需要极高的磁场才能定向(~10T)[12]㊂Akiyama等[12]借助超导磁体技术对滑移铸造对象(HAp晶体)施加10T静磁场,辅以模具旋转得到了具有c轴取向的大块样品㊂基于同样的方法,Iwai等[13]探究了HAp晶体在磁场和模具旋转条件下的准直原理,结果表明在磁化率为c<a,b的六边形晶体中,c轴方向的排列无法用静态磁场来控制,因为c轴可以在垂直于磁场方向的平面内旋转㊂需将高磁场和机械旋转同时施加在样品上,以使HAp晶体沿c轴排列㊂为了能进一步减小HAp晶体对准所需的磁场,王小龙等[14]通过共沉淀-水热法合成了Fe掺杂的磁性纳米晶,并研究其在单一方向外强磁场中的定向效果,结果表明在5T的静磁场作用下Fe掺杂的磁性纳米晶具有一定的定向效果㊂从上述的研究结果可以了解到,对于磁性各向异性较小的晶体,很难采用这种方法对准,因为永磁体产生的磁场的最大量值在1T 左右[15]㊂强磁场的构建依赖于超导磁技术,这限制了其大规模应用,因此需探究更合适的方法,以期能有效降低粒子对齐所需的外磁场㊂鉴于此,Erb等[16]提出了一种行之有效的方案,用超顺磁性纳米粒子包裹非磁性粒子,使它们对磁场更敏感,该方法可将对齐所需的磁场减小到0.8mT,显著降低了粒子对齐所需的磁场㊂通过在非磁性材料表面上负载超顺磁性Fe3O4纳米颗粒,使其对外磁场更敏感,被认为是一种能有效增强非磁性材料磁响应的方法[16-18]㊂本研究通过在羟基磷灰石晶须(hydroxyapatite whiskers,HAw)表面涂敷超顺磁性Fe3O4纳米颗粒,使其具有磁响应性㊂得益于其磁性响应特性,磁性HAw可以由常规的永磁铁操纵,利用外加磁场和场梯度控制材料的方向和分布,可实现磁性HAw的对准和定位㊂本文结合磁场诱导注浆成型技术实现了羟基磷灰石晶须在大尺寸块体材料中的定向排列,该方法在硬组织缺损修复等生物医学领域具有广阔的应用前景㊂1㊀实㊀㊀验1.1㊀实验原料和制备方法四水合硝酸钙(Ca(NO3)2㊃4H2O)㊁浓硝酸(HNO3)㊁尿素(H2NCONH2)㊁山梨醇(C6H14O6)㊁磷酸氢二铵((NH4)2HPO4)㊁油酸钠(C17H33CO2Na)㊁正己烷(C6H14)㊁六水三氯化铁(FeCl3㊃6H2O)㊁油酸(C18H34O2)㊁1-十八烯(C18H36)㊁无水乙醇均购置于国药集团化学试剂有限公司,分析纯㊂羟基磷灰石籽晶为实验室自制㊂1.1.1㊀均相沉淀法合成HAw称量原料Ca(NO3)2㊃4H2O㊁(NH4)2HPO4㊁沉淀剂H2NCONH2,以及模板剂C6H14O6,依次加入持续搅拌的400mL去离子水中,确保Ca源浓度为0.15mol/L,Ca/P原子比为1.67,H2NCONH2添加量为24g, C6H14O6为Ca(NO3)2㊃4H2O添加量的1%㊂反应溶液搅拌10min后,滴加浓HNO3至pH降为2.5(宏观上溶液澄清),随后将溶液转移至细口密封瓶中,并置于95ħ恒温箱中保温24h,待反应结束后,反复清洗至溶液呈中性后抽滤,滤饼经冷冻干燥后得到终产物[19]㊂1.1.2㊀油酸铁的合成根据Jongnam等[20]报道的方法合成油酸铁,过程如下:将2.6g六水三氯化铁溶解于4mL超纯水中, 7.3g油酸钠溶解于12mL超纯水和16mL无水乙醇的混合液中,将上述两种溶液同时转移到100mL的三口烧瓶中,同时加入32mL正己烷,磁力搅拌混合均匀后通入氮气,除氧㊂在氮气保护的条件下将上述悬浊液加热到70ħ保温4h㊂静置,待溶液冷却至室温分层后,用分液漏斗将漂浮的油酸铁和溶剂分离㊂用超纯水多次冲洗油酸铁去除剩余的无机离子,真空干燥,得到呈棕褐色㊁蜡状固体的油酸铁样品㊂以备后续使用㊂1.1.3㊀磁性HAw的合成取1.1.2小节中制备的油酸铁5.385g,称量油酸2.6mL溶解于90mL1-十八烯中,超声分散30min混合均匀后,称取适量1.1.1小节中制备的HAw分散于上述溶液中㊂分散完成后将溶液转移至150mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热反应釜中,密封,220ħ保温12h㊂待产物自然冷却至室温,将产物离心清洗,重复三遍㊂最后将产物在60ħ真空干燥[20]㊂1534㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷1.1.4㊀磁性HAw 在磁场中的注浆成型取1.5g 1.1.3小节中制备的磁性HAw 加入到3g 含有0.05g 乙二胺四乙酸二钠和0.15g 乙烯基吡咯烷酮(PVP)的超纯水中配置成浆料,在永磁铁形成的磁场中注浆成型[16]㊂1.2㊀性能测试与表征借助粉末X 射线衍射仪(XRD),测试了样品的晶体结构,仪器型号为D /max-220型X 射线粉末衍射仪,靶材为Cu 靶,光源Cu K α(λ=0.154178nm),管压电流36kV /20mA,石墨滤波片,扫描速度4(ʎ)/min,范围为10ʎ~80ʎ;采用扫描电子显微镜(SEM)观察样品形貌,仪器型号为Quanta200(philips,Holland);采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)观察样品的红外图谱,仪器型号为德国EQUINOX55,采用KBr 晶体压片法;采用热重分析仪(TG)对样品进行热重/差热(TG /DSC)分析,仪器型号为STA 409/PC,氩气保护,升温速率为10ħ㊃min -1,温度的测量范围为30~900ħ;采用Quantum Design 公司生产的物理性质测量系统检测样品的磁学性能,测量时首先将样品由室温冷至5K,在50Oe 外场下将样品升温到室温,记录该过程样品磁化强度的变化㊂该过程采用的最大磁场强度为5T㊂1.3㊀体外细胞毒性实验本细胞实验采用的细胞模型为猴骨髓间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs),用于评价磁性羟基磷灰石晶须的体外细胞毒性[7]㊂用培养基培养分离自猴骨髓的MSCs㊂培养条件为:置于37ħ㊁5%CO 2饱和湿度的恒温培养箱㊂两天传一次代,取第4代的MSCs 用于细胞毒性实验㊂分别称取0.75㊁1.50㊁2.25㊁3.00mg 的磁性HAw 置于离心管中,紫外辐射灭菌,每管加入培养基5mL,配制浸提液㊂采用CCK-8检测MSCs 的细胞毒性㊂用酶标仪检测材料在450nm 处的吸光度(optical density,OD)㊂相对细胞活性(relative cell viability,RCV)按公式(1)计算[7]RCV =(OD TEST -OD B )(OD C -OD B )ˑ100%(1)式中:OD TEST 为实验孔吸光度(含细胞㊁浸提液㊁CCK-8),OD C 为对照孔吸光度(含细胞㊁培养基㊁CCK-8),OD B 为空白孔吸光度(含培养基㊁CCK-8)㊂2㊀结果与讨论2.1㊀磁性HAw 的物相及FT-IR 分析采用XRD 对磁性HAw 的物相进行分析,结果如图1所示㊂从图中可以看出,磁性HAw 的XRD 图谱共显示8个特征峰,2θ为26ʎ㊁32ʎ㊁34ʎ㊁46ʎ㊁54ʎ处的峰对应于HAw 的特征峰,与HAp 的标准卡片一致(JCPDS#09-0432),但衍射峰的面积明显减小,这可能是由于HAw 的表面被Fe 3O 4纳米粒子覆盖,HAp 晶体的衍射减弱[10]㊂2θ为30.1ʎ㊁35.4ʎ和57.0ʎ分别对应于Fe 3O 4的(220)㊁(311)和(511)晶面(JCPDS#19-0629)10]㊂结果表明,反应对HAw 的晶体结构无较大影响㊂没有发现其他杂质相的衍射峰,表明反应得到的是由HAw 和Fe 3O 4组成的复合物㊂图1㊀磁性HAw 的XRD 图谱Fig.1㊀XRD patterns of magnetizedHAw 图2㊀HAw 与磁性HAw 的FT-IR 谱Fig.2㊀FT-IR spectra of HAw and magnetized HAw㊀第8期钏定泽等:磁性羟基磷灰石晶须的制备及其在磁场下的磁响应行为研究1535㊀㊀㊀图2为HAw 与磁性HAw 的FT-IR 图谱㊂其中473㊁563㊁603㊁962㊁1031和1095cm -1处的吸收峰为PO 3-4的特征波段[20];在3442和1637cm -1处的峰值为吸收水的弯曲模式[20];在3570和633cm -1处的峰是HAp 的特征OH -带;磁性HAw 的光谱出现了几个新的谱带,分别属于纯油酸的特征吸附峰,2930cm -1波段是由于存在C H,1560cm -1波段是由于在油酸钠中存在 COO -㊂而Fe 3O 4的Fe O 带在575cm -1处的特征峰与PO 3-4基团的吸收峰重叠,很难与HAw 的FTIR 光谱区分[10]㊂图3㊀磁性HAw 的TGA /DSC 曲线Fig.3㊀TG /DSC curves of magnetized HAw 2.2㊀磁性HAw 的热重-差热分析对磁性HAw 样品进行了热重/差热(TG /DSC)分析,结果如图3所示㊂由图可知,样品TG 曲线在升温范围内主要有两个明显的失重台阶㊂35~716ħ重量的损失可归因于样品中包含的吸附水㊁自由水㊁乙醇等小分子和油酸㊁1-十八烯等大分子有机物的挥发与碳化,该温度范围内样品的总失重约为19.42%[21]㊂该失重结果表明磁性HAw 样品中包含大量的有机物,这些有机物的存在可能会引起产物的聚集,导致产物分散性变差,这也进一步印证了FT-IR 的结果,表明油酸等有机物被引入[21]㊂结合DSC 曲线分析可知,DSC 曲线在720ħ处有一尖锐的放热峰,该峰对应于Fe 3O 4在该体系内转变为γ-Fe 2O 3的相变温度,印证了样品的成分包含Fe 3O 4[10]㊂TG 曲线716~832ħ的失重台阶对应于Fe 3O 4的相变减重㊂2.3㊀磁性HAw 的形貌分析所制备磁性HAw 的SEM 照片如图4(a)所示㊂可以看出,磁性HAw 的表面有大小不一的突起,平均粒径为20~30nm,其在磁性HAw 表面具有良好的修饰性㊂图4(b)是磁性HAw 的EDS 结果,表明磁性HAw 含有的元素为Ca㊁P㊁O 和Fe,且Fe 元素的分布情况与HAw 的分布相匹配,结合磁性HAw 表面形貌变化特征及磁性HAw 的XRD 结果可知,Fe 元素被成功引入体系,含有该元素的物质物相为Fe 3O 4,说明Fe 3O 4纳米粒子被成功负载HAw 表面㊂图4㊀磁性HAw 的SEM 照片(a)及EDS(b)Fig.4㊀SEM images (a)and EDS (b)of magnetized HAw 负载Fe 3O 4纳米颗粒后,HAw 的颜色由白色变为黑色(见图5(a)㊁(b)),这也从侧面进一步说明Fe 3O 4纳米颗粒在HAw 表面的成功负载㊂室温下长时间放置,磁性HAw 颜色未发生明显的变化,表明磁性HAw1536㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷具有良好的抗氧化性㊂这是由于磁性HAw 表面负载的Fe 3O 4纳米粒子是通过油酸铁热分解制备的,该方法制备的磁性纳米粒子表面具有一层保护性的油酸分子,阻止了磁性纳米粒子的氧化㊂图5㊀HAw(a)㊁磁性HAw(b),以及放置一段时间后的磁性HAw(c)的光学照片Fig.5㊀Optical photos of HAw (a),magnetized HAw (b),and magnetized HAw aging for a period of time(c)图6㊀磁性HAw 的室温磁化曲线Fig.6㊀Room temperature magnetization curve of magnetized HAw 2.4㊀磁性HAw 的磁响应特性图6给出了磁性HAw 的室温磁化曲线㊂由图可知,样品在室温下的磁化曲线具有典型的超顺磁特性:磁化曲线可逆并原点重合,样品的剩余磁化强度和矫顽力约为零,与纯Fe 3O 4纳米粒子的磁化行为相同㊂其饱和磁化强度为45.84emu /g [11]㊂图7和8分别为在有㊁无外加磁场两种情况下,磁性HAw 的宏观光学照片和放大400倍的光学显微照片㊂从图中可以看出,在无外加磁场时磁性HAw (见图7(a)㊁(c),图8(a))呈无序状态,散落堆积在容器底部㊂有外加磁场时,磁性HAw 沿着平行于外磁场的方向取向排列(见图7(b)㊁(d),图8(b))㊂磁性HAw 沿外加磁场取向排列可归因为:磁性HAw 中负载的Fe 3O 4图7㊀无外加磁场和有外加磁场时磁性HAw 的宏观光学照片Fig.7㊀Macroscopic optical photos of magnetized HAw without external magnetic field and with external magnetic field㊀第8期钏定泽等:磁性羟基磷灰石晶须的制备及其在磁场下的磁响应行为研究1537㊀纳米粒子在外磁场作用下被磁化形成小的磁体,小磁体在HAw 周围形成磁场,通过磁场与周围其他的磁性HAw 之间的相互吸引与排斥作用,使得磁性HAw 沿着外加磁场形成的磁力线有序地排列,从而使体系达到稳定状态[17]㊂通过施加外磁场可以很容易地控制磁性HAw 沿外磁场方向取向排列,可以利用这一效应在聚合物基体中定向增强粒子,从而获得具有独特的机械增强的人工复合材料㊂图8㊀无外加磁场和有外加磁场时磁性HAw 放大400倍显微照片Fig.8㊀Optical photos of magnetized HAw at 400magnification without external magnetic field and with external magnetic field 图9(a)~(d)为不同外界条件下注浆成型块体样品的断面SEM 照片㊂图9(a)㊁(b)为无外加磁场时注浆成型样品平行于重力方向(a)和垂直于重力方向(b)截面的SEM 照片,由图可知,三维复合材料基体中磁性HAw 呈无序排列,相邻磁性HAw 之间存在空隙㊂图9(c)㊁(d)为具有永磁体存在情况下注浆成型样品断面平行于重力方向(c)和垂直于重力方向(d)截面的SEM 照片㊂从图中可以看出,永磁体存在的条件下基体中磁性HAw 具有取向性,表明恒定磁场能够在一定程度上使磁性HAw 沿磁场方向排列,显著降低了HAw 对齐所需的磁场,注浆成型过程中由外部磁场施加的对准方向被有效固定,为制备具有有序结构的大尺寸块体提供了方便㊂图9㊀不同外界条件下铸造块体样品断面SEM 照片Fig.9㊀SEM images of casting block sample section under different external conditions 2.5㊀磁性HAw 形成机理分析如图10所示,在溶剂热过程中油酸基团通过Ca 2+与羧基之间的稳定螯合而吸附在HAw 的表面,导致1538㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷HAw表面性质发生改变,HAw的表面由亲水变为疏水,烷基链暴露在极性溶剂中㊂由油酸铁热分解制备的Fe3O4纳米颗粒,其表面也存在相应的油酸酯吸附层,HAw和Fe3O4表面油酸酯基团中的碳链通过疏水相互作用相互连接缠结,纳米Fe3O4被成功负载到表面改性的HAw表面㊂通过施加外磁场可以轻松地实现磁性HAw的定向㊂图10㊀反应原理图Fig.10㊀Reaction schematic2.6㊀磁性羟HAw的体外细胞毒性分析图11反映的是MSCs细胞在磁性HAw不同浸提液浓度下培养24h后的细胞增殖情况㊂由图可知, MSCs细胞的相对增值度范围为95%~105%,细胞毒性反应分级标准下判定为0~1级,随浸提液浓度的升高,MSCs细胞的相对增值度具有降低的趋势㊂表明在较高浓度下磁性HAw会对细胞的生理状态产生影响,但在4个浸提液浓度下细胞增殖度均大于95%,磁性HAw无细胞毒性,具备生物医用的潜力㊂图11㊀磁性HAw在0.75~3.00mg/mL浸提液浓度下的细胞增殖度Fig.11㊀Degree of cell proliferation of magnetized HAw at a concentration of0.75~3.00mg/mL extract3㊀结㊀㊀论本研究中Fe3O4纳米粒子被成功负载到HAw表面,合成的磁性HAw具有超顺磁性和优良的磁响应特性,在常规永磁体作用下就可实现磁性HAw的定向,显著降低了HAw定向所需的磁场㊂通过注浆成型技术可将由外部磁场施加所确定的对准方向有效固定,为制备具有有序结构的大尺寸人体硬组织修复材料提供了一定参考㊂所制备的磁性HAw无细胞毒性,可用于生物医用材料㊂㊀第8期钏定泽等:磁性羟基磷灰石晶须的制备及其在磁场下的磁响应行为研究1539㊀参考文献[1]㊀MONDAL S,MANIVASAGAN P,BHARATHIRAJA S,et al.Magnetic hydroxyapatite:a promising multifunctional platform for nanomedicineapplication[J].International Journal of Nanomedicine,2017,12:8389-8410.[2]㊀KANCHANA 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