掺锶羟基磷灰石水热合成的制备及性能测试
摘 要本文采用水热合成的方法，制备出掺锶羟基磷灰石，通过将锶元素掺入羟基磷灰石中，使锶取代HA中部分钙的位置，来改变材料的一些生物学特性。然后通过XRD,FTIR等对Sr-HA的晶相，结构，热稳定性能进行分析，并通过在SBF溶液中浸泡的方法研究Sr-HA的溶解性，以牛血清蛋白（BSA）为药物模型研究研究了锶羟基磷灰石的药物缓释性能。结果表明，随着Sr含量的增加，Sr-HA的结晶度逐渐降低，Sr-HA的热稳定性下降，且含锶量越多，热稳定性越差。将掺锶羟基磷灰石浸泡在模拟体液（SBF）溶液中，随着浸泡时间的增长，Sr-HA的结晶度逐渐降低，说明它具有很好的溶解性。以牛血清蛋白（BSA）为药物模型，锶羟基磷灰石具有很好的释放效果，且锶含量越高时其释放速度越快，释放量更大，释放效果越好。
目 录
1 前言 1
1.1 羟基磷灰石概述 1
1.2 羟基磷灰石的掺杂 1
1.2.1 ZnHA的掺杂 2
1.2.2 MgHA的掺杂 2
1.2.3 SiHA的掺杂 2
1.2.4 SrHA的掺杂 2
1.3 掺锶羟基磷灰石制备方法 3
1.3.1 化学沉淀法 3
1.3.2 固相反应法 4
1.3.3 溶胶凝胶法 4
1.3.4 水热法 4
1.4 掺锶羟基磷灰石在相关领域的研究进展 5
1.4.1 骨诱导能力增强和生物降解率的研究 5
1.4.2 溶解性能的研究 5
1.4.3 生物相容性的研究 5
1.4.4 热稳定性的研究 6
1.4.5 掺锶羟基磷灰石在骨科应用中的研究现状 6
1.4.6 掺锶羟基磷灰石在髋关节置换的应用研究 6
1.5 本论文研究内容和目的 7
2 实验 8
2.1 实验仪器及药品 8
2.2 样品制备 9
2.3 性能表征 9
2.4 热稳定性能测试 10
2.5 SrHA溶解性能测试 10
2.6 SrHA药物缓释性能测试 10
3 实验结果与讨论
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
12
3.1 纯的HA的物相分析 12
3.1.1 HA的XRD物相分析 12
3.1.2 HA的FTIR分析 14
3.2 SrHA的物相分析 16
3.2.1 SrHA的XRD分析 16
3.2.2 SrHA的FTIR分析 17
3.3 SrHA热稳定性分析 18
3.4 浸泡时间对掺锶羟基磷灰石溶解性能的影响 22
3.5 SrHA的药物缓释性能 23
4 结论 26
参考文献 27
致谢 28
1 前言
1.1 羟基磷灰石概述
羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2, Hydroxyapatite,简称HA)是脊椎动物骨骼和牙齿重要的构成部分，人的牙釉质中羟基磷灰石的含量占到96%以上。人工合成的HA具有较好的生物活性、生物相容性，它的骨传导、骨引导性也是比较好的[1]，以及它对人体组织没有毒性，优良的选择性吸附等特点，被广泛应用在骨组织的修复、药物载体、色谱和环境治理等领域[2]。
HA在临床应用中，常用在人体硬组织的修复替换方面，当它植入体内后，身体组织会吸收游离出材料表面的钙和磷两种元素，有利于新组织的生长，对人体骨骼有很好的修复作用，比如HA在口腔保健领域的应用[3]。另外HA还是天然骨组织中主要的无机盐成分，成骨活性比较强，而且纳米HA的比表面比较大，因此具有较好的吸附和承载药物的能力,为药物缓释的监控、药物载体材料的缓释量标定，还有药物示踪等研究提供有利的研究条件。并且近几年很多学者尝试赋予羟基磷灰石一些特殊性能使其能够在多方面得到更好的应用，并逐渐成为一大热点。如羟基磷灰石的荧光性能，它本身的荧光性能很弱，通过掺杂某些元素来具备更强的荧光性，对于药物缓释量的标定、药物缓释的监控，及药物示踪等领域有很大的帮助。此外，有研究学者通过添加某些元素来增强羟基磷灰石的磁特性，使其除了具备较好的吸附性能，同时还具有一定磁性，这种性能对于药物载体中磁靶向定给药以及水处理中的重金属分离有很大的帮助。然而，这些过程含有很多荧光染料，容易光致褪色和分解，并且很多稀土元素本身含有重金属离子，在生物环境下应用时都会存在着较多的安全性问题[4]。
1.2 羟基磷灰石的掺杂
人工合成的HA的结晶程度和结构稳定性相比于自然骨中的HA要高很多[5]，不利于生物降解，对于骨损伤的恢复也极为不利，而且这些材料还有韧性低、强度低、力学性能较差等一些缺点，很大程度上限制了它的应用。因此为了在临床上得到更好地应用，常常在人工合成的HA中添加一些元素，如添加Zn，Mg，Sr等元素来改变此材料的生物学特性。
1.2.1 ZnHA的掺杂
在很多掺杂的矿物元素中，Zn是很多学者研究的一种元素。Zn在骨矿物微量元素中的含量是很丰富的，当人体骨组织受到损伤时，Zn元素可以有效抑制破骨细胞的骨吸收，促进骨形成，也能促进骨的生长代谢，使骨的密度增加，预防骨质疏松症状，并且关系到人体蛋白质、核酸的合成。因此将Zn掺杂到羟基磷灰石中在生物材料这一领域引起很多研究者的关注。
1.2.2 MgHA的掺杂
Mg是人体必需的矿物元素。在细胞内微量元素阳离子的分布含量中，K离子含量最高，Mg离子的含量位于第二[6]，Mg在人体内的含量大约25克，在人体牙釉质中，Mg的百分含量大约为0.44％，在人体骨骼当中大约为0.72％。Mg离子对人体骨骼牙齿来说是不可或缺的元素。缺乏Mg离子时会影响骨生长，比如会降低成骨细胞的活性，导致骨的生长停止，还可能会导致骨质疏松症引起骨折等，Mg还起维护神经肌肉的兴奋性的作用。在神经传导上Mg与K、Na元素一起维持人体兴奋和抑制平衡。如果缺乏Mg的时候容易引起神经肌肉兴奋性亢进这些症状，加入Mg离子以后，会对这些症状起到很好的预防作用。
1.2.3 SiHA的掺杂
在羟基磷灰石中掺入硅酸盐能能提高纯HA的生物活性，促进新骨细胞的生长。将不同掺杂量的Si—HA植入人体内后，对它在人体内的溶解情况进行观察，观察结果表明，植入体在体内开始溶解的起始点是在晶界有缺陷的地方，而掺入Si的浓度越大，溶解速率也越大，并且主要集中在晶界处和三叉晶界的地方[6]。这一类的生物陶瓷在可降解生物医学材料的研究领域有着广阔的应用前景[7]。
1.2.4 SrHA的掺杂
锶（Sr）是人体必需的一种微量元素，具有防止动脉硬化，防止血栓形成的功能，但它能够防龋，刺激骨形成、治疗骨质疏松症状等[8]。许多研究发现锶取代钙以后形成的锶羟基磷灰石材料（SrHA）相比纯的HA，对于骨组织的缺损可以进行更好的修复，并能更好的预防和治疗骨质疏松和其他骨疾病。
骨头的矿物区中含有很多的Sr元素，在离子交换中对于骨的矿化影响很大。在生物医学上有时候会出现骨移植失败的现象，主要原因有两个，一个是骨整合的不完全性，第二是在骨移植过程中，骨移植物周围环境的力学性能不同产生应力屏蔽影响移植的进行。最近的很多研究实验表明，在材料中掺入Sr后，可以降低病人体内由于骨质疏松引起骨折的概率。在化学周期表的排列中，Sr和Ca元素在同一主族，同主族化学结构和性质都很相似。了解Sr与HA结构相互作用的过程，我们可以更好地弄清锶在骨矿化相关领域过程中所起到的生物作用。所以在HA中掺杂Sr，用Sr离子代替Ca离子在目前生物硬组织替换材料领域成为一个研究热点[9]。
目 录
1 前言 1
1.1 羟基磷灰石概述 1
1.2 羟基磷灰石的掺杂 1
1.2.1 ZnHA的掺杂 2
1.2.2 MgHA的掺杂 2
1.2.3 SiHA的掺杂 2
1.2.4 SrHA的掺杂 2
1.3 掺锶羟基磷灰石制备方法 3
1.3.1 化学沉淀法 3
1.3.2 固相反应法 4
1.3.3 溶胶凝胶法 4
1.3.4 水热法 4
1.4 掺锶羟基磷灰石在相关领域的研究进展 5
1.4.1 骨诱导能力增强和生物降解率的研究 5
1.4.2 溶解性能的研究 5
1.4.3 生物相容性的研究 5
1.4.4 热稳定性的研究 6
1.4.5 掺锶羟基磷灰石在骨科应用中的研究现状 6
1.4.6 掺锶羟基磷灰石在髋关节置换的应用研究 6
1.5 本论文研究内容和目的 7
2 实验 8
2.1 实验仪器及药品 8
2.2 样品制备 9
2.3 性能表征 9
2.4 热稳定性能测试 10
2.5 SrHA溶解性能测试 10
2.6 SrHA药物缓释性能测试 10
3 实验结果与讨论
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
12
3.1 纯的HA的物相分析 12
3.1.1 HA的XRD物相分析 12
3.1.2 HA的FTIR分析 14
3.2 SrHA的物相分析 16
3.2.1 SrHA的XRD分析 16
3.2.2 SrHA的FTIR分析 17
3.3 SrHA热稳定性分析 18
3.4 浸泡时间对掺锶羟基磷灰石溶解性能的影响 22
3.5 SrHA的药物缓释性能 23
4 结论 26
参考文献 27
致谢 28
1 前言
1.1 羟基磷灰石概述
羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2, Hydroxyapatite,简称HA)是脊椎动物骨骼和牙齿重要的构成部分，人的牙釉质中羟基磷灰石的含量占到96%以上。人工合成的HA具有较好的生物活性、生物相容性，它的骨传导、骨引导性也是比较好的[1]，以及它对人体组织没有毒性，优良的选择性吸附等特点，被广泛应用在骨组织的修复、药物载体、色谱和环境治理等领域[2]。
HA在临床应用中，常用在人体硬组织的修复替换方面，当它植入体内后，身体组织会吸收游离出材料表面的钙和磷两种元素，有利于新组织的生长，对人体骨骼有很好的修复作用，比如HA在口腔保健领域的应用[3]。另外HA还是天然骨组织中主要的无机盐成分，成骨活性比较强，而且纳米HA的比表面比较大，因此具有较好的吸附和承载药物的能力,为药物缓释的监控、药物载体材料的缓释量标定，还有药物示踪等研究提供有利的研究条件。并且近几年很多学者尝试赋予羟基磷灰石一些特殊性能使其能够在多方面得到更好的应用，并逐渐成为一大热点。如羟基磷灰石的荧光性能，它本身的荧光性能很弱，通过掺杂某些元素来具备更强的荧光性，对于药物缓释量的标定、药物缓释的监控，及药物示踪等领域有很大的帮助。此外，有研究学者通过添加某些元素来增强羟基磷灰石的磁特性，使其除了具备较好的吸附性能，同时还具有一定磁性，这种性能对于药物载体中磁靶向定给药以及水处理中的重金属分离有很大的帮助。然而，这些过程含有很多荧光染料，容易光致褪色和分解，并且很多稀土元素本身含有重金属离子，在生物环境下应用时都会存在着较多的安全性问题[4]。
1.2 羟基磷灰石的掺杂
人工合成的HA的结晶程度和结构稳定性相比于自然骨中的HA要高很多[5]，不利于生物降解，对于骨损伤的恢复也极为不利，而且这些材料还有韧性低、强度低、力学性能较差等一些缺点，很大程度上限制了它的应用。因此为了在临床上得到更好地应用，常常在人工合成的HA中添加一些元素，如添加Zn，Mg，Sr等元素来改变此材料的生物学特性。
1.2.1 ZnHA的掺杂
在很多掺杂的矿物元素中，Zn是很多学者研究的一种元素。Zn在骨矿物微量元素中的含量是很丰富的，当人体骨组织受到损伤时，Zn元素可以有效抑制破骨细胞的骨吸收，促进骨形成，也能促进骨的生长代谢，使骨的密度增加，预防骨质疏松症状，并且关系到人体蛋白质、核酸的合成。因此将Zn掺杂到羟基磷灰石中在生物材料这一领域引起很多研究者的关注。
1.2.2 MgHA的掺杂
Mg是人体必需的矿物元素。在细胞内微量元素阳离子的分布含量中，K离子含量最高，Mg离子的含量位于第二[6]，Mg在人体内的含量大约25克，在人体牙釉质中，Mg的百分含量大约为0.44％，在人体骨骼当中大约为0.72％。Mg离子对人体骨骼牙齿来说是不可或缺的元素。缺乏Mg离子时会影响骨生长，比如会降低成骨细胞的活性，导致骨的生长停止，还可能会导致骨质疏松症引起骨折等，Mg还起维护神经肌肉的兴奋性的作用。在神经传导上Mg与K、Na元素一起维持人体兴奋和抑制平衡。如果缺乏Mg的时候容易引起神经肌肉兴奋性亢进这些症状，加入Mg离子以后，会对这些症状起到很好的预防作用。
1.2.3 SiHA的掺杂
在羟基磷灰石中掺入硅酸盐能能提高纯HA的生物活性，促进新骨细胞的生长。将不同掺杂量的Si—HA植入人体内后，对它在人体内的溶解情况进行观察，观察结果表明，植入体在体内开始溶解的起始点是在晶界有缺陷的地方，而掺入Si的浓度越大，溶解速率也越大，并且主要集中在晶界处和三叉晶界的地方[6]。这一类的生物陶瓷在可降解生物医学材料的研究领域有着广阔的应用前景[7]。
1.2.4 SrHA的掺杂
锶（Sr）是人体必需的一种微量元素，具有防止动脉硬化，防止血栓形成的功能，但它能够防龋，刺激骨形成、治疗骨质疏松症状等[8]。许多研究发现锶取代钙以后形成的锶羟基磷灰石材料（SrHA）相比纯的HA，对于骨组织的缺损可以进行更好的修复，并能更好的预防和治疗骨质疏松和其他骨疾病。
骨头的矿物区中含有很多的Sr元素，在离子交换中对于骨的矿化影响很大。在生物医学上有时候会出现骨移植失败的现象，主要原因有两个，一个是骨整合的不完全性，第二是在骨移植过程中，骨移植物周围环境的力学性能不同产生应力屏蔽影响移植的进行。最近的很多研究实验表明，在材料中掺入Sr后，可以降低病人体内由于骨质疏松引起骨折的概率。在化学周期表的排列中，Sr和Ca元素在同一主族，同主族化学结构和性质都很相似。了解Sr与HA结构相互作用的过程，我们可以更好地弄清锶在骨矿化相关领域过程中所起到的生物作用。所以在HA中掺杂Sr，用Sr离子代替Ca离子在目前生物硬组织替换材料领域成为一个研究热点[9]。
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