高 飞 闫 明 朱珊珊 王 蔚

羟基磷灰石（hydroxyapatite，HAP）是一种无机矿物质，也是天然骨和牙齿等硬组织的主要无机组成成分。HAP 理论化学式为Ca10（PO4）6（OH）2，晶体状态的HAP 为六角晶系，密度与人类的牙齿和骨头相近[1]。

在1975年，日本研究团队首次成功合成HAP，并发现非结晶状态下的HAP 具有良好的生物相容性，该研究拉开了HAP 在生物材料领域广泛研究的序幕。随着材料学、制作工艺等技术的发展，近年来，HAP 作为优良的生物材料得到了广泛的研究和关注。

现阶段，HAP 主要以四种主要形式存在于生物材料的研究和应用当中，分别为：羟基磷灰石材料、羟基磷灰石涂层材料、羟基磷灰石复合材料以及纳米羟基磷灰石材料。下面将就四类材料中典型材料的研究进展做一综述。

一、单纯羟基磷灰石材料

HAP 属于生物材料中生物活性陶瓷类的一种。首先，HAP 具有生物活性陶瓷类材料的共性，如具有较好的稳定性、生物活性和生物相容性；其次，HAP 具有良好的骨传导性及生物可分解性。

近年来，为了进一步提高HAP 材料的生物活性，研究人员逐步研发了多孔HAP 材料[2]。研究表明：多孔结构通过模拟自然骨组织的孔隙结构，优化了羟基磷灰石材料的力学性能，利于代谢产物及营养物质的转运，同时为骨单位提供生存及生长的支架和依托。研究表明，当孔径达到200～400μm时多孔材料最有利于新骨生长。同时孔隙率越高，越有利于新骨的长入，但当孔隙率过高时，植入体自身强度、韧性等力学性能下降，难以满足植入的临床要求，目前HAP 材料孔隙率一般保持在45%～55%左右。

虽然HAP 具有其较好的生物性能，但HAP 材料的力学性能较差，影响材料长期使用。为解决上述问题，研究人员研发了HAP 涂层材料，通过在基底金属上进行HAP 涂层，达到提高材料的力学性能的目的。

二、羟基磷灰石涂层材料

钛具有优良的生物相容性和较好的力学性能；镁及其合金具有良好的生物相容性的同时，具有可降解的特点。但单纯的金属材料有其局限性，比如金属钛表面生物活性较低，难以形成稳定的骨结合；镁合金耐腐蚀性较差，能够造成局部环境的pH 值过高及氢气的短期大量释放，从而导致炎症发生。研究人员发现，通过在金属种植体表面制备羟基磷灰石涂层，能够有效改善种植材料的机械性能、生物活性及骨结合的能力，有研究表明：HA 涂层有利于细胞黏附[3]及蛋白吸附，并有助于成骨细胞的分化及早期成骨[4]。

目前，在基底金属表面制备HA 生物涂层的方法有许多，主要包括等离子喷涂、溶胶-凝胶法、电化学沉积法等[5，6]。等离子喷涂是迄今为止研究最广泛的制备羟基磷灰石涂层的方法，曹阳等[7]应用等离子喷涂技术处理钛种植体表面，并将种植体植入狗的股骨，实验发现，等离子喷涂HA 涂层具有骨桥接性，能够桥接2mm 的孔隙，在第12 周时，种植体与宿主骨之间的间隙即被新骨充满。高亚丽[8]等人以AZ91HP 镁合金为基体，采用等离子喷涂的方法制备羟基磷灰石涂层，试验结果表明，涂层和基体间没有产生裂纹等缺陷，且材料具有较好的耐腐蚀性。等离子喷涂工艺具有操作时间较短，易于实现自动化等优点。但传统的等离子喷涂HA 涂层仍然存在一些问题，如HA 在高温过程易分解、涂层与金属基体结合强度低，植入人体后涂层易溶解、脱落等。

溶胶-凝胶法（sol-gel）的原理是将溶于溶剂中的金属醇盐，通过化学反应生成较为稳定的溶胶，经陈化后聚合形成凝胶，基体浸入凝胶中提拉获得均匀的涂层。有研究认为，通过sol-gel 法制备涂层时，热处理温度越高，羟基磷灰石晶粒越饱满[9]，涂层越致密。杨赛等[10]研究表明，当陈化时间和处理温度分别为25h 和600℃时，涂层的洁净度最高，晶粒大小最均匀。sol-gel 法制备环境较温和，获得的涂层均匀性好，结晶度高，并且能获得含氟的HAP 涂层[11]，但这种方法的主要缺点是：热处理时温度处理不当，可能会导致碳的残留；凝胶在干燥过程中会发生收缩，造成涂层表面裂缝。

电沉积和电泳沉积都属于电化学方法。Rojaee[12]等应用电泳沉积技术在AZ91 镁合金表面涂覆HA 涂层，检测结果表明，制备的膜层能够显著改善金属基体在模拟体液中的耐腐蚀性。采用电化学方法在金属基表面制备羟基磷灰石涂层简单易行，操作可控制，且制备条件温和。

从目前生物材料发展来看，研究生物陶瓷复合涂层是生物材料领域很有前景的一种发展方向。然而，由于HA 自身性质和制备工艺的限制，HA 涂层存在结合强度低、溶解过快、残留应力无法消除的缺点。目前，通常将羟基磷灰石和其他材料复合制备成HA 生物复合材料，以解决上述问题。

三、羟基磷灰石复合材料

为了提高材料的生物相容性，改善其力学性能，多年来，研究人员通过不断的调整制备方法研发了不同成分的羟基磷灰石复合材料。目前，主要分为有机高分子-HA 生物复合材料，无机-HA 生物复合材料。

1.有机高分子-HA生物复合材料

（1）羟基磷灰石/聚乳酸（HA/PLA）复合材料

聚乳酸是全世界在骨缺损修复领域应用最多的合成高分子之一，有良好的生物可降解性和热塑性，但缺点在于细胞不易黏附以及机械强度不足。近年来，HA 常作为PLA 复合材料的充填物，提高PLA的刚性和生物活性。

杜欧等[13]报道了通过改变HA 质量分数调节HA/PLA 复合材料的机械性能，随着HA 质量分数的增加，材料的弹性模量和弯曲强度而呈上升趋势，当HA 质量分数为5%时，复合材料的弯曲强度和弹性模量分别达到了4.6Gpa 和136Mpa。

张海峰等[14]体外实验发现，骨髓基质细胞在HA/PLA 复合材料上生长良好，可见该种材料具有良好的细胞相容性，体内研究表明，HA/PLA 复合材料与体内生物反应器的协同作用下，促进新骨生长，这为HA/PLA 复合材料修复大段骨缺损奠定了实验基础。

（2）羟基磷灰石 /胶原（HA/Col）复合材料

天然骨的主要成分包括胶原和羟基磷灰石，在骨组织中，羟基磷灰石晶体被胶原纤维定向排列，因此，人们根据仿生学原理构建了羟基磷灰石/胶原复合（HAp/Col）材料，这种材料既有天然骨的宏观结构又具有其微观特性。该复合材料无毒性、不含热源物质，临床使用安全可靠[15]。但其强度低且韧性差，无法达到承载部位的物理性能要求，限制了其在骨缺损修复中的应用。

通过大量的动物、临床试验，HAp/Col 材料的性能得到了优化和改进，如刘燕等[16]报道了利用生物仿生矿化法制备纤维内矿化胶原材料，检测结果表明，纤维内矿化胶原为含碳的钙缺乏型羟基磷灰石，与天然骨矿化胶原成分类似；并且，改进后的矿化胶原材料更能促进MG63 细胞伸展。Pek 等[17]研究表明，所制HAp/Col 多孔复合材料的结构性能与骨皮质在松质骨内的延伸部分十分相似，而且具有比较好的生物活性和生物降解性，可以认为HAp/Col 材料在大块骨缺损修复方面具有良好的前景。

（3）羟基磷灰石/壳聚糖 （HA/CS）复合材料

壳聚糖（Chitosan，CS）是一种天然可降解高分子，对人体组织无毒、无害，将CS 与HA 复合，可以克服HA 陶瓷的脆性，CS 降解又可为细胞及组织的长人提供空间，从而促进新骨的生成，并使植人物与骨组织间结合更为牢固。

目前常见的HA/CS 复合物的合成方法是原位化学合成法，制备得到的复合物有着较好的孔隙结构。经测试当纳米羟基磷灰石和壳聚糖质量比为7：3 时，抗压强度最大，达到120MPa（正常人体密质骨抗压强度为130～180MPa）。目前已有相关体内实验证实，HA/CS 复合材料有良好的生物相容性和骨修复能力，王丽婷等[18]将共沉淀法制备的HA/CS复合材料注入SD 大鼠腹腔，发现肝脏、肾脏组织中出现大量凋亡细胞，但无组织坏死和炎症表现。丁凯等[19]将材料植入兔子双侧胫骨缺损处第16 周时，可观察到有与自体骨相似的板状骨形成，You-Zhi等[20]将纳米羟基磷灰石/壳聚糖材料植入大耳兔股骨髁处大段骨缺损，术后12 周时，骨缺损完全愈合。

2.无机-HA生物复合材料

羟基磷灰石人工骨具有良好的生物相容性，植入体内安全、无毒，还可传导骨组织生长，但由于其力学性能较差，只能用于非承重骨缺损的填充材料。目前，羟基磷灰石/无机复合材料种类很多，主要有羟基磷灰石/ 氧化铝（HA/Al2O3）复合材料、羟基磷灰石/二氧化锆（HA/ZrO2）复合材料等。

HA/Al2O3复合材料不仅保留了羟基磷灰石的生物特性，并且改良了材料的力学性能，使其硬度、抗弯强度、断裂韧性接近于人体骨。赵燚[21]等通过改变HA 及Al2O3的比例、孔径、孔率调节其力学性能，研究表明，二者成分比40：60 时，力学性能最接近于人体密质骨；体内实验结果表明，HA/Al2O3复合陶瓷人工骨材料植入兔桡骨缺损区8 周与宿主骨牢固结合，24 周时修复骨密度已经与皮质骨接近，证实该材料具有良好的生物相容性、生物活性、骨传导性；组织学观察显示，HA/Al2O3材料修复骨缺损过程完全是骨性修复[22]。

二氧化锆（ZrO2）陶瓷材料具有较高的弯曲强度、断裂韧性和较低的弹性模量，且具有一定的生物相容性。已有实验表明，当材料由于受到外加应力而产生裂纹时，ZrO2颗粒能够有效吸收能量，防止微裂纹的进一步扩展。此外，HA/ZrO2复合材料在体内、外实验中显示出完全的生物相容性，在骨组织、肌肉组织界面没有不良反应[23]。因此，研究人员认为HA/ZrO2复合材料可以作为良好的组织工程骨替代材料。

四、纳米羟基磷灰石（Nano-HAP）材料

纳米级羟基磷灰石由美国牙科医师Brown 和Chow 于1987年首先发现，是一种生物活性材料。Nano-HAP 本身具有一定的促进成骨的作用[24]、表面能较大、溶解度较高、以及能够结合抗癌药物、核酸和蛋白质等。基于以上优点，Nano-HAP 的制备及其临床医学应用的研究已越来越受到广大科研工作者的密切关注。

体内研究显示，Nano-HAP 作为骨缺损修复材料时，植入部位未出现炎症和异物反应，并表现出良好的机械性能[25，26]；临床研究证明，Nano-HAP 晶体的结构能够与人体细胞膜表层多糖和蛋白质以氢键结合，不会产生细胞毒性[27]。目前，该材料已有相关研究成果应用于临床，其应用范围从骨缺损的修复扩展到口腔种植体的改进、人工韧带、药物携带颌面外科及整形外科手术等领域[28]。

目前，关于Nano-HAP 促进成骨机制方面的研究较少。有报道的和Nano-HAP 促进成骨有关的通路 有 cAMP/PKA通路、BMP/Smad信号通路[29]、p38/MAPK[30]和ERK信号通路[31]、Wnt信号通路[32]等。有报道称，纳米颗粒可通过胞吞作用进入细胞，在溶酶体内被降并解释放出磷酸根离子，与ADP 作用后，代谢为腺苷，从而激活cAMP/PKA 通路，促进成骨分化[33]；也有报导称支架材料的表面形貌可以通过调节细胞的附着、增殖的状态，从而改变细胞骨架的张力，这种张力通过细胞骨架转移到核转录因子YAP/TAZ，其结合成骨转录因子RUNX2，从而促进细胞成骨分化[34]。

Nano-HAP 作为一种新型人工骨植入材料，在修复骨缺损方面有广阔前景。目前，研究人员已经不仅仅局限于单纯Nano-HAP 材料，而是通过多种方式将Nano-HAP 与其他材料复合，发挥各个组成成分的优势和特点，研发更满足临床要求的材料。

五、展望

HAP 作为生物材料具有良好的生物相容性及生物活性，在材料、生物医学领域中有着相当广阔的研究和应用前景。近年来关于HAP 材料及其涂层材料、复合材料的研究已经取得较大进展。但涂层材料强度和韧性不能满足临床需求，并且涂层与基底材料结合界面强度较低，涂层易脱落；HAP 复合材料的力学性能得到了提高，并且解决了涂层易脱落的问题；Nano-HAP 还具有更好的机械性能及抗癌活性。因此可以认为，在未来我们的研究方向是：通过优化复合材料的组成成分及配比，进一步提高复合材料的生物活性及力学性能，并明确Nano-HAP的生物活性及其在机体内的代谢过程，为今后Nano-HAP 材料的进一步研究提供理论基础。