8.3 晶须增强HAP生物复合材料的生物医用
在现代医学中，由于创伤，感染，骨肿瘤切除和骨髓炎等原因导致的大段骨缺损是骨科临床上常遇到的问题，而如何去修复骨缺损以恢复骨骼的完整和功能一直是困扰骨科医生的难题。目前临床上对于骨缺损的修复主要是通过自体骨（髂骨、肋骨）移植来完成的，但自体骨存在来源局限，且易造成神经及血管损伤，只能用于短节段骨缺损；通过同种异体骨移植来修复骨缺损是近几年临床常采用的方法，但异体骨移植存在免疫排斥等问题，易被自体骨排斥而造成骨不愈合，因此造成现代医疗技术对治愈严重骨缺损方面还存在着来源少，不易愈合等问题。
HAP的组成与天然磷灰石矿物相近，与脊椎动物骨的无机成分结构也非常接近，以磷酸钙系为代表的无机生物材料因其良好的生物相容性和可降解而备受医学界的关注。
HAP与生物磷灰石具有相同的组成与结构，羟基磷灰石植入人体后，其与人体之间存在较好的相容性，具有优异的骨传导性和良好的热稳定性，能与机体组织形成较强的亲和力，使其与骨组织形成牢固的化学键合，一旦骨细胞在其表面附着、伸展，即可产生骨基质胶原，并进一步矿化形成骨组织，不会产生免疫排斥作用，对组织无刺激，是公认的最有前途的人工齿和人工骨置换材料。近年来，许多方法已经用于HAP陶瓷增韧补强，例如，层状结构、金属间化合物颗粒、金属颗粒、纳米颗粒、晶须、长纤维、部分稳定氧化锆增强等。晶须增强HAP复合材料具有很好的增韧效果和使用可靠性，HAP的晶须材料依靠桥接、裂纹偏转和拔出效应来吸收能量，消除裂纹尖端集中的应力来增强生物材料的韧性，将晶须状的HAP掺杂到复合材料中，不仅增强了复合后生物陶瓷的机械性能，也能有效地改善材料的机械力学性能和生物活性，可以与人体骨细胞直接形成化学结合，并且与其结合后强度高、稳定性好。它作为植入材料可引导新骨的生长，为新骨的形成提供生理支架作用，能与骨组织形成直接的骨性结合，作为骨代替物被用于骨移植，因此，HAP与不同种类的生物活性材料如陶瓷材料复合成为当今的研究趋势之一。不过，在HAP基体中引入第二相往往会导致生物相容性的下降，并有可能加速HAP的分解。在已报道的羟基磷灰石合成方法中，有固相反应法，水热合成法。溶胶-凝胶法及均相沉淀法与其他方法相比，最大的优点是能使羟基释放与结晶同步，母液体系过饱和度不变，保持在均相体系下沉淀，产物直接为晶态，无须烧结晶化，可以减少在烧结过程中难以避免的团聚现象。但制备HAP晶须均采用化工原料，成本较高。如果以中国的优势矿产之一磷矿石为原料制备HAP晶须可以大大降低成本。
研究表明HAP材料脆性较大且植入体内后发生生物活性反应所需时间较长，大大限制了其在临床上的广泛应用。基于以上优势，HAP晶须通常被掺杂到材料中用于制备主干骨缺损的修复材料。HA晶须的制备方法主要有固相反应法、溶胶凝胶法、水热法和均相沉淀法。Yoshimura用固相反应法制备得到晶须，虽然固相反应法制备的晶须完整性较好，但过程复杂，反应时间长，条件不易控制。溶胶凝胶法反应温度低，制备工艺简单，但制备的HAP晶须结晶度较差，Ca/P摩尔比偏低，容易团聚，晶须在高温处理时化学稳定性不好，另外反应使用的原料价格较高、产率低，有机溶剂也有一定的毒性。水热法是由Kinoshita首先提出的，制备的HA晶须直接为晶态，无须烧结晶化，无团聚或团聚少，粒度均匀，形态比较规则，但对仪器的要求比较高，制约了工业生产。Zhang HQ等用均相沉淀法在弱酸性溶液中制备出较长且长径比较大的HA晶须，但均相沉淀法反应速度较慢，合成的HA多含有钙缺陷，难以合成具有标准化学计量的HA晶体，产量也不稳定。可以采用一步控温法，将溶性钙盐、金属盐、酸碱度调节剂和可溶性磷盐依次加入蒸馏水中并不断搅拌直到溶解；向上述混合溶液中加入酸度调节剂调节pH为1.5～3.5，按比例加入模版剂和羟基磷灰石仔晶，待上述反应结束后将反应产物采用蒸馏水清洗，然后抽滤得到晶须滤饼，最后干燥或冷冻得到羟基磷灰石晶须。并辅以助剂来制备产量稳定的羟基磷灰石晶须，制备方法工艺简单、成本低廉，所得产品性能优良纯度高，晶须长径比分布范围为8～20，产品质量及产量稳定，且具有优异的生物相容性和良好的力学性能，用于骨组织工程支架材料和牙科材料等生物工程材料领域。此外，采用正硅酸乙酯、氨水、羟基磷灰石晶须为原料，在乙醇溶液中水解正硅酸乙酯制得纳米二氧化硅表面改性的羟基磷灰石晶须，对羟基磷灰石晶须进行类似“螺纹钢”的表面改性，在人工控制条件下以高纯度单晶生长而成的微纳米级的短纤维HAP晶须与脱矿化骨复合材料可以作为一种既有骨诱导作用，从工程学角度可知能够较明显地提高其增韧效益又有增强体积和机构支撑作用的移植物而用于颌面整形；夏傲2006年研究了水热法合成羟基磷灰石晶须，以碳酸钙和磷酸氢钙为原料，通过水热法合成了结晶度较高、晶粒完整的HA晶须。借助XRD，SEM及FT-IR分析了HA的晶相组成、形貌、结构，此外借助粒度及ζ电位分析仪测试了产物的ζ电位和粒度分布。研究结果表明：水热温度的提高更有助于晶体沿c轴方向生长；在220℃反应10小时，得到端面直径0.8μm、长6μm的HA晶须；并有少量碳酸根进入磷灰石结构；HA在乙二醇中的分散效果比在水中更均匀、稳定，粉体的平均粒度约2μm；针对单一的，而氧化镁晶须具有一定长径比的纤维状晶体和优异的力学强度和模量，是一种理想的聚合物增强增韧填料，但力学强度不够理想，尤其是韧性不足；秦小鹏2015年对氧化镁晶须/聚乳酸骨修复材料的制备及性能进行研究，采用氧化镁晶须增强增韧聚乳酸基体材料，并通过氧化镁晶须的碱性来中和聚乳酸的酸性降解产物，弥补单一聚乳酸材料存在的力学强度不够理想，尤其是韧性不足，降解产物偏酸性易引起无菌性感染反应，植入体内不能X光显影等不足，同时，通过氧化镁晶须的表面接枝改性，有效解决氧化镁晶须在聚乳酸基体中的分散性并提高界面结合力，最终获得一类具有良好的综合性能的氧化镁晶须/聚乳酸复合骨组织修复材料。
晶须增强HAP生物复合材料的生物医用性能研究和主要制备方法成果如下：
1）晶须羟基磷灰石（HA）人工骨、骨缺损修复、骨置换种植体和颌面整形材料及制备
以中低品位胶磷矿为原料，采用模板诱导/均相沉淀法制备出细针状HAP晶须，关于晶须羟基磷灰石材料；采用自成孔的方法即热致相分离和相反转技术结合制备了具有孔壁表现纳米化的nHA晶须增强多孔骨支架，并采用电化学矿化技术，对支架进行表面改性以提高其生物相容性；通过将纳米氧化锌对羟基磷灰石晶须进行改性，制备合成低可溶性抗菌植骨复合材料。杨立斗（2014）完成了羟基磷灰石晶须/纳米氧化锌复合抗菌人工骨体外极限降解实验，研究其在极限环境中的降解和物质变化。方法通过溶胶-凝胶法制备纳米氧化锌，将制备所得纳米氧化锌改性羟基磷灰石晶须，得到羟基磷灰石晶须/纳米氧化锌复合材料。依据ISO10993-14标准，采用柠檬酸缓冲溶液浸泡测试失重率，并对材料表面的形态变化作扫描电镜观察和X射线衍射分析。结果HAPw/n-ZnO、HAPw降解率分别为25.44%、18.59%，浸泡后通过扫描电镜可以明显观察到断裂的羟基磷灰石晶须，其表面的纳米氧化锌颗粒大量减少。结论：HAPw/n-ZnO属于低可溶性材料。
2）羟基磷灰石晶须骨组织工程支架材料和牙科材料
羟基磷灰石晶须骨组织工程支架材料和牙科材料主要成果有：
（1）羟基磷灰石晶须骨组织工程支架：羟基磷灰石具有很强的活性，其中的钙易于被其他元素替代，用锶替代钙可以得到掺锶羟基磷灰石。锶的加入可以增加羟基磷灰石的机械性能；锶的加入由于引起晶格的畸变，提高了羟基磷灰石的降解性能；由于锶本身就是人体硬组织中重要的微量元素，锶的加入增加了生物相容性和安全性。掺锶羟基磷灰石晶须可在骨组织工程支架材料和牙科材料等生物工程材料领域得到广泛应用；β-磷酸三钙（β-TCP）与人体骨骼无机成分相似，具有良好的理化性能，生物相容性和生物可降解性能，它们在生理环境中可被逐步分解或吸收，诱发骨的生长，并随之被新骨组织所代替，材料本身则转化为宿主有生命新生骨组织的一部分，或被代谢系统排出体外，最终使缺损的部位完全被新生的骨组织所取代，已被国内外诸多研究证实为一种很好的骨移植替代材料。但是由于组织工程对生物陶瓷支架材料的多孔及高孔隙率的要求，使得材料的力学性能大大降低，应用范围也受到较大限制，因此需要提高多孔生物陶瓷支架材料的力学性能，拓展其应用范围，而羟基磷灰石（HA）晶须毫无疑问是理想的生物增强材料。但是用HA晶须作为生物陶瓷的增强材料时，需要在高温下对材料进行烧结，而目前文献报道所制备的HA晶须或纤维往往是缺钙型的，在高温下容易发生分解，无法保持高长径比的晶须。
薛兴勇2011年研究了HA晶须热稳定性及原位制备HAw/β-TCP多孔支架：通过向α-TCP原料中添加适量Ca（OH）2、NH4F和KOH的方法研究了α-TCP水化过程中添加剂对所制备晶须的形貌及提高其热稳定性的影响；然后利用α-TCP、β-TCP和KCl等为原料在β-TCP中原位制备了HA晶须，利用原位HA晶须粉、P-Ca-Na-Mg生物玻璃（BG）和其他外加剂为原料，采用有机泡沫浸渍法制备了含原位HA晶须的β-TCP多孔生物陶瓷材料。
（2）羟基磷灰石晶须增强复合材料的三维打印制备：余程2017年3D打印纳米羟基磷灰石/聚己内酯支架的生物相容性，采用3D打印技术可生产出具有理想孔隙大小、孔隙分布、足够力学强度的三维结构支架，3D打印nHA/PCL支架具有良好的三维孔隙结构，BMSCs可在支架上黏附、生长、增殖和迁移。3D打印nHA/PCL支架具有良好的生物相容性，可用于进一步动物实验以验证其骨缺损修复的具体效果，并有望成为一种新型颅骨缺损修复材料。
辛晨2020年使用第四代3D Bioplotter（Envision TEC GmbH，Germany）三维打印机制备打印了用他们制备的羟基磷灰石晶须（HAPw）增强的聚己内酯（PCL）复合骨修复支架（HAPw-PCL）。通过改变三维打印的挤出速度和挤出气压，使不同含量的HAPw均能在PCL基材中一致排列并均匀分布。PCL支架的机械强度随HAPw含量增加显著提高，添加33%（质量分数）HAPw使PCL支架强度提升了3倍。此外，HAPw使PCL支架表面与水的接触角从近100降低至约50，有效改善了细胞在其表面的黏附。经过体外人类骨髓间充质干细胞（hBMSC）在支架上的培养实验，发现添加HAPw的复合支架具有更好的生物相容性，能够有效促进hBMSC的增殖分化，且HAPw-PCL复合支架上细胞具有更高的碱性磷酸酶（ALP）活性和骨钙素、RUNX2等相关成骨基因表达（RUNX2基因表达，才能开启骨生长和修复的各种基因表达），显示出促进hBMSCs向成骨方向（它本来也可以变成破股细胞或造血干细胞）更好地分化及更强的成骨活性。强度提升了3倍多，同时生物相容性更好，能促进干细胞增殖生长和成骨相关基因表达及成骨分化。
（3）羟基磷灰石晶须的形状控制：张军2009年公开了高长径比羟基磷灰石晶须及其制备方法：在骨体组织中，HA以针、棒状的须晶相存在，与胶原等生物有机组织巧妙结合形成了HA/生物高分子复合材料。然而，HA为主的生物陶瓷具有脆性大、抗压抗弯能力差、断裂韧性低、在生理条件下抗疲劳性不强的弱点。为了提高其力学性能，近年来国内外陆续推出了一系列改善办法。其中，将HA由微粉态转化为晶须即为一种比较有效的办法。晶须在生物陶瓷中通过偏转效应、搭桥效应、拔出效应和微裂效应等可使复合材料的韧性得以大幅提高。HA晶须能够较好地克服生物陶瓷材料的脆性，提高其断裂韧性，且又不丧失其良好的生物相容性，不仅能直接用于制备主干骨缺损的修复材料，而且还可用于补强增韧其他生物材料。通过氮气保护，将适当浓度的钙磷原溶液混合，同时加入有利于晶体定向生长的助剂，在合适的酸度及温度条件下回流反应一定时间，然后将回流产物移入压力釜，进行静态水热生长，从而获得长径比大、纯度高的羟基磷灰石晶须，并其与胶原、聚乳酸等具有生物功能的骨细胞种植基质材料复合起来，就有望制备成功既有生物活性又有合理力学匹配性能的新型人工骨（齿）移植材料。通过水热均相沉淀法，以四水硝酸钙、磷酸氢二铵、尿素、山梨醇、羟基磷灰石籽晶为主要原料，用浓硝酸调节pH值，在水浴条件下，采用水热均相沉淀法，制备出了HAP晶须，经MTT法证明了复合支架无细胞毒性。
刘毅2017年发明了一种花状羟基磷灰石晶须的制备方法，采用碳酸钙和磷酸作为原料，控制磷酸与碳酸钙的质量比大于3：1，将轻质碳酸钙置于调节过pH的磷酸溶液中，进行搅拌，得到前驱体将前驱体放置于水热反应釜中进行水热反应，反应结束后冷却至室温，取出所得产物，依次进行三次水洗、三次醇洗，离心分离去除反应残余物和杂质，将所得产物放入恒温干燥箱中干燥后，即可得到花状羟基磷灰石晶须，所制备的羟基磷灰石花状晶须长径比可控，且形貌均匀、断裂韧性明显提高，具有成本低、产率高、工艺简单、可重复操作性强的特点。
（4）成骨诱导人脐带间充质干细胞与纳米羟基磷灰石/聚酰胺66支架材料的生物相容性：陈刚2012年研究了纳米羟基磷灰石/聚酰胺66材料有利于成骨细胞的长入和新生骨的形成、且抗弯强度、抗压强度等各项参数与正常骨组织的力学性能相接近，能满足实验动物硬组织修复的要求。分析成骨诱导后人脐带间充质干细胞与纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合支架的生物相容性。方法是：体外培养人脐带间充质干细胞，纯化增殖，成骨诱导。取成骨诱导后的第3代人脐带间充质干细胞接种于纳米羟基磷灰石/聚酰胺66支架材料上，观察细胞的生长、增殖情况及材料细胞毒性。结果与结论：成骨诱导后人脐带间充质干细胞在复合支架上生长分化良好，增殖活性不受材料影响。成骨诱导14 d内，可见碱性磷酸酶活性随着培养时间延长而逐渐增高。MTT法检测细胞无毒性。扫描电镜观察，1 d后可见细胞在支架表面附着生长；7 d后可见细胞在材料上生长良好，材料空隙有大量充填。说明纳米羟基磷灰石/聚酰胺66支架可作为骨组织工程中人脐带间充质干细胞的细胞载体，具有良好的生物相容性，能满足骨组织工程的需要。(https://www.daowen.com)
徐文权2019年公开了一种包含羟基磷灰石晶须和双相钙磷的人工骨及其制备方法，该人工骨采用羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙作为原料，对骨细胞生长有诱导作用，促进骨细胞的生长和愈合；通过控制羟基磷灰石晶须、羟基磷灰石粉体和β-磷酸三钙三者的比例，提高了人工骨的强度；人工骨的制备方法为3D打印技术，一方面3D打印技术可针对骨缺损的形状为患者量身定做支架外形，摆脱传统模具制造需先制模、制模后尺寸限制，模具成本高的缺陷；另一方面，该方法通过3D建模能够精细控制支架的孔径、孔隙率以及连通性，开放的多孔结构和互联网络对于供给细胞营养、增殖分化和组织血管形成至关重要。
（5）新型羟基磷灰石晶须复合材料：颜廷亭2017年公开了用于软骨组织修复的高分子/羟基磷灰石晶须复合多孔支架。
蒋柳云2018年发明了一种竹纤维/纳米磷灰石复合材料及其制备方法，该竹纤维/纳米磷灰石复合材料是指将竹纤维经碱处理剪切后分散在去离子水中，然后将制备纳米磷灰石的可溶性磷盐和钙盐等制备原料在50～80℃下缓慢滴加后，同时调pH大于10，继续搅拌反应3～6 h后，再将其混合液缓慢加入过量的蒸馏水中得到产物，水洗后烘干研磨成粉末即可得复合材料。该复合材料力学性能优良，所用原料来源丰富，生物相容性好，制备方法简单，有望研制成新型骨科材料。
（6）羟基磷灰石晶须陶瓷及牙科材料。
此外还有：羟基磷灰石晶须/纳米氧化锌新型复合骨修复材料，HAPw/n-ZnO可能的抗菌材料，抗菌羟基磷灰石晶须，硅橡胶、膨体聚四氟乙烯、羟基磷灰石、生物玻璃和镁合金等常见的生物医学材料在整形美容外科领域的应用，由基磷灰石晶须复合纳米氧化锌、纳米氧化钙制备的新型抗菌骨修复材料等。β-TCP基骨修复用支架如图8.8所示。
图8.8 β-TCP基骨修复用支架
3）晶须增强的羟基磷灰石高分子材料
主要成果有：
（1）羟基磷灰石晶须和桂酸钾复合材料：羟基磷灰石晶须和桂酸钾复合材料羧甲基纤维素作为泡沫稳定剂，通过搅拌发泡得到陶瓷泡沫体，挤压成型及冷冻干燥处理得到陶瓷坯体，再经烧结成功制备了羟基磷灰石晶须多孔陶瓷材料。通过XRD、SEM等对烧结后的多孔陶瓷材料的成分、形貌等进行了表征，并测试了其力学性能。结果表明：750℃煅烧4 h的样品为具有400μm左右的蜂窝直通孔和140μm的侧壁孔的蜂窝多孔陶瓷材料，采用发泡法可以成功制备出羟基磷灰石晶须多孔骨组织工程支架，且羟基磷灰石晶须多孔支架的主要成分为羟基磷灰石和二氧化硅。
（2）三斜磷钙石晶须及其制备和临床应用：三斜磷钙石是羟基磷灰石的一种前驱物，因其优异的生物活性和生物相容性已经引起了越来越多的关注。三斜磷钙石作为一种磷酸钙骨水泥，通常被用来作为可吸收的骨替代材料。但和生物骨相比，三斜磷钙石骨水泥密度较小、机械性能较差，这就限制了它的临床应用。因此将晶须材料掺杂到骨修复材料中，可以有效地提高材料的力学性能，有助于材料用于主干骨或受力部位骨缺损的修复。目前三斜磷钙石的制备方法主要为水热法、电化学沉积法、微波辅助法等，然而对于三斜磷钙石晶须的制备方法还未见报道。目前已成熟的技术是：以尿素为导向剂，山梨醇为模板剂，控制反应体系的温度、pH和反应时间，制备出三斜磷钙石晶须；本技术工艺简单，成本低廉，制备出的三斜磷钙石质量优良稳定，可用于骨组织工程支架材料和牙科材料等生物工程材料领域。
（3）纳米氧化锌、氧化镁晶须、聚乳酸等与羟基磷灰石复合，形成骨修复材和支架材料：单一的聚乳酸骨修复材料也存在着一定的不足，如其力学强度不够理想，尤其是韧性不足，降解产物偏酸性易引起无菌性感染反应，植入体内不能X射线显影等；氧化镁晶须为具有一定长径比的纤维状晶体，具有优异的力学强度和模量，是一种理想的聚合物增强增韧填料；另外，氧化镁晶须是一种碱性氧化物，X光可显影，而镁离子又具有优良的促进骨组织愈合的特性。通过氧化镁晶须的表面接枝改性和以下的制备方法：溶剂浇铸/粒子沥虑、溶胶-凝胶法、相分离法、静电纺丝法、快速成型法、气体发泡等，解决氧化镁晶须在聚乳酸基体中的分散性并提高界面结合力；或通过纳米氧化锌改性羟基磷灰石晶须，最终获得骨修复材和支架复合材料。
4）可吸收高分子/羟基磷灰石晶须复合的手术缝合线
程光起2012年发明了高分子可吸收材料抗菌型手术缝合线的涂层方法，将染色工艺放在涂层工艺中，取经编织机编织好的缝合线，先将初级缝线进行浸渍处理后，再采用无气喷涂工艺将涂液均匀喷涂在缝合线上，干燥定型。本发明缝合线，线体呈现红紫色，色泽鲜艳；线体圆顺光滑柔顺性好，易打结，打结强度高，并增加了结的安全性，具有抗菌消炎，抗氧化性，良好的降解性能，保持抗张力期长等优点，经临床使用缝合后2周时间时的抗张强度约保留70%，4周时间后开始缓慢吸收，8～10周时间缝合线全部吸收，本发明产品经临床应用，使用范围广，效果良好，未发现有过敏、刺激，无炎症反应。
程秀琴2013年公开了一种可吸收的手术缝合线，缝合线为聚乙醇酸材料的26股编制线。采用该材料的缝合线，在保证足够的力学强度下，兼具良好的生物降解性和生物相容性，故无须再进行拆线，不会造成二次创伤，因此，比传统的非吸收线对人体的损害更低。另外，该缝合线由12锭规格的编织机通过旋转将原料线编织而成，其编制花纹较为松散，编织出的缝线材质更柔软，在临床使用过程中更易穿透组织，舒适度也较好。
颜廷亭2016年发明了一种可吸收高分子/羟基磷灰石晶须复合的手术缝合线及其制备方法，该手术缝合线以可吸收高分子材料和羟基磷灰石晶须为原料，配以有机溶剂混合均匀得到纺丝原液，纺丝原液通过消泡、熔融纺丝、拉伸、水洗、淋色、干燥、杀菌消毒、真空干燥包装等工艺，制备出可吸收高分子/羟基磷灰石晶须复合的手术缝合线；本技术工艺简单，便于操作，产量稳定，制备出的医用缝合线不仅具有良好的生物相容性，生物可降解性，由于羟基磷灰石晶须的加入，使其具有良好的生物活性，可以带入身体活性成分，同时其韧性也得到了极大的提高，因此在手术缝合线方面具有良好的应用前景。