《Biomolecules》：Hexagonal-to-Monoclinic Phase-Modulated HAp Nanofibers for Enhanced Piezoelectric and Biocompatible Performance
Karime Carrera-Gutiérrez,
Estefania Venegas-Contreras,
Miguel Márquez-Torres,
Marco Antonio Ruiz-Esparza-Rodríguez,
Yasmin Esqueda-Barrón,
Roberto Gomez-Batres,
Irene Leal-Berumen,
Jorge Noé Díaz de León,
Juan José Gervacio-Arciniega and
Gabriel Rojas-George
+ 2 authors
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本综述聚焦于低温水热法调控反应时间合成羟基磷灰石(HAp)纳米纤维，系统研究了其从六方(P63/m)向单斜(P21/b)相的演变。研究通过多模态表征证实，单斜相含量与压电响应(有效压电系数deff)呈正相关，最高可达19.85 pm/V。同时，体外MTT实验表明高单斜相含量未损害生物相容性，符合ISO 10993与ASTM F895标准。该工作为通过调控晶体相优化HAp的力-电-生物学性能，以用于先进的骨组织工程应用提供了新思路。
1. 引言
骨组织工程(BTE)对先进生物材料的需求日益增长，这些材料不仅需提供机械支撑，还应能主动刺激骨再生。压电生物材料因此备受关注，因其能将骨骼生理中普遍存在的机械变形转化为可增强成骨活性的电信号。天然骨本身具有特征性压电响应，其纵向压电系数(d33)通常在0.5至2.3 pC/N之间。这些机电特性凸显了开发生物材料以忠实复制天然骨固有机电行为的重要性，此类功能在植入物涂层和复合支架中尤其有价值。
羟基磷灰石(HAp, Ca10(PO4)6(OH)2)因其优异的生物相容性、生物活性以及与骨矿物相的化学相似性而被广泛应用于BTE。HAp存在两种密切相关的多晶型：六方(P63/m)和单斜(P21/b)相。在单斜相中，OH-离子的协同有序排列产生了非中心对称区域，这是产生压电性的关键结构特征。然而，合成HAp最常见的是六方相，单斜相通常仅在高温(~1000 °C)下形成。单斜相含量对合成条件高度敏感。化学计量HAp(Ca/P = 1.67)有利于单斜有序，而钙缺陷或碳酸盐取代则会稳定中心对称的六方相。与这种对称性依赖一致，块体六方HAp表现出较低的d33值(0.1–1.5 pC/N)，而单斜HAp通常显示出更高、更一致的压电系数(通常在8 pm/V左右)。有研究报道，在含有约85%单斜相的HAp粉末制成的颗粒中，压电系数高达约10 pm/V。由于本征压电性需要非中心对称晶体结构，当前研究日益聚焦于稳定单斜P21/b多晶型，特别是在模拟天然骨形态的伸长纳米结构中。然而，区分HAp中的六方-单斜相变具有挑战性，需要借助X射线衍射(XRD)结合Rietveld精修、傅里叶变换红外(FTIR)和拉曼光谱等互补分析技术。目前，对于高结晶度、相纯纳米结构中单斜相的生物学影响，特别是其生物相容性，仍知之甚少。
2. 材料与方法
通过改良水热法合成了HAp粉末，通过改变水热时间(6, 12, 24, 36, 48小时)制备了五个样品(S6, S12, S24, S36, S48)，以研究反应时间对六方-单斜相变的影响。使用硝酸钙四水合物和磷酸氢二铵作为前驱体，保持Ca/P摩尔比为1.67。反应在100°C下进行，产物经过滤、洗涤、干燥和研磨得到细粉。
结构表征采用X射线衍射(XRD)进行，并结合Rietveld精修以量化六方和单斜HAp相的相对重量百分比并确定其晶格参数。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱探测官能团和局部对称性。形貌和微结构通过透射电子显微镜(TEM)分析，并利用ImageJ软件对100根纳米纤维的尺寸进行统计测量。化学组成通过能量色散X射线光谱(EDXS)和X射线光电子能谱(XPS)分析。
压电性能通过共振追踪压电响应力显微镜(RT-PFM)评估。样品安装在铂基底上，使用铂/铱涂层导电悬臂进行测量。以锆钛酸铅(PZT)陶瓷作为校准参考，通过测量电压-压电响应关系的斜率，并利用校准协议计算有效压电系数(deff)。
生物相容性通过体外MTT法进行细胞毒性和细胞活力评估。将HAp粉末样品浸入培养基中在不同时间点提取浸提液，用小鼠前成骨细胞MC3T3-E1进行间接接触测试。细胞活力(%)和细胞毒性(%)根据对照组和样品组的吸光度值按给定公式计算。
3. 结果与讨论
XRD与Rietveld精修分析揭示了时间依赖的相演变过程。反应6小时的样品(S6)几乎完全为六方相。随着反应时间延长，单斜相含量逐渐增加。反应24小时的样品(S24)中单斜相含量已占主导地位(73.56%)。反应48小时的样品(S48)包含约98%的单斜相HAp，展现出从六方到单斜相的几乎完全转变。
FTIR和拉曼光谱结果与XRD分析一致，证实了单斜有序的存在。磷酸盐振动模式的锐化或分裂以及OH-伸缩信号的明显变化，指示了随着反应时间增加，局部对称性降低，单斜相特征增强。
TEM分析显示，所有样品均形成伸长形貌的纳米纤维。随着反应时间从6小时增加到48小时，纳米纤维的平均长度从约150纳米增加到354.82纳米，平均直径从约30纳米增加到45纳米。S48样品的纳米纤维具有最长的纵横比。EDXS和XPS证实了所有样品具有接近1.67的化学计量Ca/P比，且未检测到明显的杂质元素。
RT-PFM压电表征表明，压电响应与单斜相含量直接相关。S6样品(几乎纯六方相)的压电响应可忽略不计。随着单斜相含量增加，压电响应显著增强。S48样品(约98%单斜相)测得的有效压电系数(deff)最高，达到19.85 pm/V。该值显著高于文献中报道的多数六方HAp和许多单斜相富集HAp陶瓷的值，凸显了通过本研究的低温水热法获得的高单斜相含量、伸长纳米纤维在压电性能上的优势。
体外生物相容性评估结果显示，即使对于单斜相含量最高的S48样品，在不同浸提时间点(1, 7, 14, 21天)和不同稀释度下，细胞活力均保持在可接受的高水平(通常>80%)，细胞毒性低于ISO 10993-5标准设定的阈值(通常<30%)。这表明高单斜相含量并未损害HAp纳米纤维的生物相容性，满足相关生物材料标准的要求。
4. 结论
该研究通过系统调控低温水热法的反应时间，成功合成了高结晶度、化学计量的伸长HAp纳米纤维，并实现了从六方相到单斜相的可控相变。多模态表征技术清晰揭示了相组成、形貌与压电性能之间的强关联性：单斜相含量直接且显著地增强了HAp的压电响应，最高deff值达到19.85 pm/V。至关重要的是，体外生物相容性实验证实，这种增强的机电功能并未以牺牲生物安全性为代价，高单斜相含量的纳米纤维依然保持了优异的生物相容性。这些发现表明，通过稳定单斜相来优化HAp的压电性，是提升其在骨组织工程中性能的一种有效且可行的策略。所合成的单斜相HAp纳米纤维集成了高比表面积、仿生形貌、增强的压电活性及良好的生物相容性，在骨缺损修复的智能涂层、压电响应性支架以及骨再生治疗中具有广阔的应用前景。
