水热合成羟基磷灰石和掺锶羟基磷灰石：利用科塔石灰石实现骨组织工程应用

《Inorganic Chemistry Communications》：Hydrothermal synthesis of hydroxyapatite and strontium-doped hydroxyapatite Valorizing Kota limestone for bone tissue engineering applications

通过水热法利用印度Kota石灰石合成羟基磷灰石（HAp）并掺杂锶离子，经表征证实为单相纳米级高结晶度材料，体外细胞毒性评估显示其与L929和MG-63细胞生物相容性良好，为骨再生提供新思路。

　　

Siddhartha Dan | Mahesh Kumar Sah

生物材料与组织工程研究组，生物技术系，B.R. Ambedkar国家技术学院，贾兰达尔，旁遮普邦 144008，印度

摘要

本研究首次报道了利用科塔石灰石合成羟基磷灰石（HAp）和掺锶（Sr²⁺）的HAp，并对其进行了体外细胞毒性评估。合成过程采用了源自石灰石的CaCO₃的水热法。处理后的样品以及化学合成的HAp和Sr²⁺-HAp在Ca（和/或）Sr/P摩尔比为1.67的条件下用H3PO4处理。通过FESEM-EDS、ATR-FTIR、XRD、粒径分析仪和HRTEM对样品进行了表征。EDS确定了元素分布、Ca/P比以及微量元素含量，而ATR-FTIR证实了纯HAp相的存在。最终，合成的HAp和Sr²⁺-掺杂HAp表现出对L929和MG-63细胞的良好生物相容性。本研究通过一种无酸、环保的路线，从印度科塔石灰石中制备出纳米级、单相且高结晶度的HAp，填补了这一领域的研究空白，这种材料具有生物相容性，有助于成纤维细胞的骨再生。

引言

羟基磷灰石（HAp）是一种天然存在的磷酸钙矿物[1]，以其良好的生物相容性、生物活性、生物可吸收性、骨传导性、环境修复能力以及作为医疗设备的抗腐蚀涂层而闻名[2][3]。HAp的分子式为Ca??(PO?)?(OH)?，由于其与人体骨磷灰石成分的相似性而受到广泛关注，因此可作为骨移植、牙齿填充物或骨科和牙科植入物的优秀生物材料[4][5]。然而，作为一种生物陶瓷，HAp本身具有脆性，其弹性模量和抗压强度低于致密骨和海绵骨，因此需要通过掺杂离子来改善其机械性能[6][7]。先前已有研究利用禽蛋壳[8]、蟹壳[9]和蛤壳[10][11]等天然原料合成HAp，但这些方法存在钙资源有限的问题。继续探索新的原料来源，石灰石作为全球最常见的矿物（含钙量约为40.04%），可能是大规模生产HAp粉末的良好候选材料[12]。关于利用印度石灰石合成HAp的文献较少[12][13][14][15]，且相关表征和研究也较为有限，更没有关于生物相容性的研究。

HAp的合成方法包括干法（固态和机械化学过程）、湿法（化学沉淀、水解、溶胶-凝胶技术、水热合成、乳液法和声化学过程）以及高温处理方法（如燃烧和热解[16]）。这些方法可以生产出不同形态、化学计量比、粒径和结晶度的HAp粉末。化学合成的HAp的Ca/P比为1.67，称为化学计量HAp[17]。值得注意的是，天然来源的HAp通常是非化学计量的，其中含有Na⁺、Zn²⁺、Mg²⁺、K⁺、Si²⁺、Ba²⁺、F^?和CO₃^2?等微量元素，使其具有与人体骨骼相似的化学组成，从而具备独特的性质[18]。此外，通过掺杂其他元素、热处理和表面涂层等手段可以进一步增强HAp基生物材料的结构和生物性能[19][20][21]。掺杂金属离子（如Sr²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺和Mg²⁺）可以替代HAp单元格中的Ca²⁺离子或羟基（OH^?、磷酸根（PO?^3?）基团，从而改善其抗菌、促血管生成和骨再生能力[22][23]。研究表明，Sr²⁺掺杂显著增强了HAp的骨重塑、成骨细胞增殖和抗压强度[1][5][9]。在细胞水平上，Sr²⁺影响Wnt和BMP/SMAD信号通路，促进骨形成；同时通过稳定缺氧诱导因子和控制RANK/RANKL/OPG轴，调节破骨细胞的生成，实现骨吸收与形成的平衡[24]。Landi等人证实，Sr-HAp的溶解度增加，进一步提高了其在生理环境中的生物可吸收性和离子交换能力[25]。尽管Sr²⁺可以完全替代HAp单元格中的Ca²⁺，但有一项研究发现，只有当Sr的摩尔比为2%–4%时才能保持HAp的结构[26]。本研究旨在利用水热法和Sr²⁺掺杂技术，从印度石灰石中合成高结晶度、单相、纳米级的生物相容性HAp，以探索其在硬组织修复和替代中的潜在应用。

材料

石灰石（CaCO₃）采自印度西部拉姆甘杰曼迪（Ramganj Mandi，科塔，北纬24.6462°，东经75.9451°）。正磷酸（H₃PO₄，纯度88%）和六水合氯化锶（SrCl₂.6H₂O）购自印度孟买的Himedia公司。所有用于HAp合成的化学品和试剂均为分析级，无需进一步纯化。实验中使用的鼠源成纤维细胞系L929和人源成骨细胞系MG-63购自国家细胞中心。

X射线衍射

采用XRD技术分析了HAp及其掺杂变体的结构。对未掺杂和不同浓度（1%、1.5%、2%）Sr²⁺掺杂样品进行煅烧处理后，发现晶粒尺寸（D）、层间距（d）和单元格体积（V）存在显著变化。未掺杂HAp及1%、1.5%和2% Sr²⁺掺杂HAp的衍射图谱显示出明显的峰位移动和强度变化，表明温度和掺杂对晶体结构有影响（见图2）。

结论

综合结果表明，通过控制Sr²⁺掺杂量和适当的煅烧温度，可实现结构的稳定性。1000°C、1% Sr-HAp在结晶度、粒径和L-929及MG63成纤维细胞的生物相容性之间达到了最佳平衡。研究证实，适量的Sr²⁺掺杂不仅增强了离子交换和表面反应性，也未影响材料的结构完整性，使其成为理想的生物材料。

作者贡献声明

Siddhartha Dan： 负责撰写初稿、数据可视化、资源整理、方法设计、数据分析、概念构建。 Mahesh Kumar Sah： 负责审稿与编辑、结果验证、项目监督、资源管理、方法设计、实验实施、资金申请、数据分析及概念构建。

未引用参考文献

[44], [45]

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢印度政府教育部门（MoE）为Siddhartha Dan提供的奖学金支持。同时感谢B.R. Ambedkar国家技术学院生物技术系、NITJ的CRF团队、IIT-RPR的CRF团队、LPU的CIF团队以及PU的CIL团队对样品分析工作的协助。MTT实验在IIT Ropar进行，得到了机构伦理委员会（IEC）的批准。作者还感谢Bodhisatwa Das博士和Manini Bhatt女士的帮助。

Siddhartha Dan是印度旁遮普邦贾兰达尔B.R. Ambedkar国家技术学院生物技术系的研究学者，专攻组织工程和生物材料领域。他在I.K. Gujral Punjab技术大学获得生物技术学士学位后，又在该校继续攻读博士学位（2022–2026年），并在Maharishi Markandeshwar（Deemed to be University）完成了生物技术学士学位。凭借五年多的研究经验，他的研究主要集中在...