生物相容性的Mn+改性羟基磷灰石纳米复合材料：合成、表征及生物应用

羟基磷灰石（HAp）纳米复合材料通过低温溶胶-凝胶法合成，包括PEG修饰和Ag、Zn掺杂，并表征其结构、形貌及生物相容性。结果显示Ag掺杂HAp具有最佳生物相容性，且所有材料均表现出广谱抗菌活性。

　　

M. Vijayatha|B. Vijayalakshmi|Maria Celestina Vanaja|Swapna Siddamalla|Rohitha Nappunni Chozhiyath|A. Hari Padmasri

印度特伦甘纳邦海得拉巴Tarnaka市Osmania大学科学学院化学系，邮编500007

摘要

羟基磷灰石（HAp）是一种存在于骨骼和牙齿中的主要矿物质，其纳米晶体结构使得能够开发出新的组合材料，从而改进现有的生物医学应用材料。本研究重点关注了羟基磷灰石纳米颗粒的低温简单溶胶-凝胶合成方法，以及聚乙二醇（PEG）功能化的HAp纳米复合材料和掺银（Ag）及掺锌（Zn）的HAp纳米复合材料。表面修饰和功能化通过X射线衍射（XRD）、Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积分析、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）和紫外-可见光漫反射（UV-DRS）光谱进行了验证。合成的HAp纳米复合材料的形态和粒径通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行了表征。本研究通过溶血性和蛋白质吸附实验评估了这些纳米HAp材料的生物相容性。溶血性实验表明所有样品均无溶血性，显示出其在生物医学应用中的潜力；蛋白质吸附实验使用牛血清白蛋白（BSA）作为吸附剂，结果显示随着HAp纳米复合材料结晶度的提高，BSA的吸附量也增加。在所有测试样品中，Ag-HAp的生物相容性优于PEG-HAp和Zn-HAp纳米复合材料。此外，本研究还探讨了HAp、HAp纳米复合材料及掺银HAp纳米复合材料的抗菌性能。实验结果表明，这些材料对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌株均表现出较强的杀菌活性，并对两种测试的真菌病原体也具有杀菌作用。

引言

合成羟基磷灰石Ca₁₀(PO₄)₆[OH]₂因其结构和化学性质与天然骨矿物质相似而被广泛用作骨替代材料[1]。近年来，已采用多种方法合成HAp，包括溶胶-凝胶法、沉淀法、多重乳液法、水热法、电沉积法和仿生沉积法[2]。其中溶胶-凝胶法最为推荐，因为它可以在较低的温度下进行，产物纯度较高，并且相比其他方法更容易制备出纳米级颗粒[3]。由于HAp与生物相容性聚合物纳米复合材料的结合有助于调控材料的生物降解性、生物活性和机械性能，因此这类材料的合成受到了广泛关注[4]。然而，在水环境中HAp颗粒容易聚集，导致稳定性下降、机械强度减弱，从而降低其吸附能力[5]。研究表明，HAp与聚合物材料的复合材料可以减少聚集现象并增强HAp纳米颗粒的强度。聚乙二醇（PEG，化学式为H(OCH₂CH₂)_n.OH）作为一种水和环氧乙烷的缩合聚合物，能够防止纳米颗粒聚集并抑制表面氧化，从而使PEG-HAp纳米复合材料更具生物相容性。本研究重点关注PEG包覆的HAp纳米颗粒的合成，这种包覆方式可以增加纳米颗粒的平均流体动力学直径，使其更加稳定，避免聚集[6]。合成过程采用新型溶胶-凝胶方法，在Ca[NO₃]₂.4H₂O和NH₄H₂PO₄前驱体之间保持1.67:1的摩尔比进行[7]，成功制备出了HAp纳米颗粒、PEG-HAp纳米复合材料、Ag掺杂HAp纳米复合材料和Zn掺杂HAp纳米复合材料。通过XRD、FTIR、XPS、拉曼光谱、BET比表面积分析、UV-可见光光谱、SEM和TEM技术对合成材料的结构进行了分析。

随着细菌感染成为重大问题，开发低毒性和高抗菌活性的体内材料的需求日益增加[8],[9]。鉴于羟基磷灰石本身抗菌性能较弱，研究人员进一步向其掺入了抗菌剂，形成了Ag⁺金属离子掺杂的纳米Ag-HAp复合材料，该复合材料对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌株均具有抗菌效果[10]。纳米HAp材料也被用于溶血性研究[11]。锌离子作为多种酶的辅因子，参与碳水化合物、脂质和蛋白质的代谢，具有抗菌、蛋白质结合和溶血活性[12]。本研究旨在探讨PEG-HAp纳米复合材料的生物相容性和抗菌性能，选择锌（Zn）和银（Ag）作为掺杂剂以提升其生物相容性和抗菌效果。同时，对所有HAp纳米复合材料进行了溶血性研究，证实它们具有良好的蛋白质吸附性能，因此可作为蛋白质输送系统使用。

所用材料

实验中使用的材料包括：四水合硝酸钙（Ca(NO₃)₂.4H₂O（MOLY CHEM）、磷酸二氢铵（NH₄H₂PO₄，MOLY CHEM）、分子量4000的聚乙二醇（SD级）、乙醇（SD级）、硝酸银（AgNO₃，SD级）、六水合硝酸锌（ZnNO₃.6H₂O，SD级）以及氨水（NH₃，MOLY CHEM）。

羟基磷灰石纳米颗粒及HAp-PEG纳米复合材料的合成

采用溶胶-凝胶法制备HAp纳米粉末，使用前驱体Ca(NO₃)₂.4H₂O和NH₄H₂PO₄[12]。通过氨水调节溶液的pH值。

XRD和比表面积结果

PEG-HAP、Ag-HAp、Zn-HAp和HAp纳米颗粒的XRD图谱如图1A所示。所有HAp纳米材料的XRD图谱均显示出与纯HAp晶体结构相对应的特征峰，与标准数据库（JCPDS: 09-0432）一致[15]。合成样品的XRD峰位分别为21.806°、25.804°、27.870°、29.039°、31.128°、32.549°、34.420°、35.390°、38.712°、39.936°、41.726°。

结论

本研究采用低温改性的溶胶-凝胶法成功制备了HAp纳米颗粒、PEG功能化的HAp纳米颗粒以及掺银和掺锌的HAp纳米复合材料。XRD分析表明，所有样品均为纯HAp的结晶相，具有六方晶体结构；PEG的引入使得HAp颗粒的晶粒尺寸比原始形式更小。SEM-EDX分析显示HAp颗粒具有纳米级的致密微观结构。

作者贡献声明

Swapna Siddamalla：数据验证、实验研究、数据分析。Maria Celestina Vanaja：数据验证、数据分析、方法学研究。Vijayalakshmi Burri：数据验证、方法学研究、数据分析。Vijayatha Myadam：初稿撰写、数据验证、方法学研究、实验研究、数据分析。Hari Padmasri Aytam：论文撰写与修订、数据可视化处理、项目监督、资源协调、资金申请、数据分析。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

数据可用性声明

数据可应要求提供。

伦理声明

不适用。

资金声明

本研究未获得任何资助机构的支持。

致谢

作者感谢海得拉巴CSIR-IICT的首席科学家A. Venugopal博士在样品表征方面提供的帮助，感谢Osmania大学化学系的M Vithal名誉科学家允许使用实验室的UV-Vis光谱仪等设施，同时感谢Osmania大学OU-DST-PURSE-II项目对化学品采购的部分支持。