综述：多孔羟基磷灰石纳米材料合成在牙科组织工程中的应用综述

羟基磷灰石（HAP）是一种磷酸钙陶瓷材料，是人类骨骼和牙齿中最丰富的矿物质。其物理和化学性质使其在骨组织工程中具有应用潜力，尤其在牙科组织工程领域。纳米结构羟基磷灰石在生物医学领域尚未广泛应用，但现已成为科学界的研究热点。本文综述了合成具有多样化形貌的羟基磷灰石纳米结构的不同方法，重点关注湿化学法，并展示了羟基磷灰石在牙科应用及牙科组织工程中的可能用途。

本综述系统阐述了用于牙科组织工程的多孔羟基磷灰石（HAP）纳米材料的合成方法及其牙科应用。引言部分指出，口腔组织工程（TE）旨在利用合成材料重建和再生受损组织，这些材料需具备成骨性微环境、高生物相容性及与天然组织相似的力学性能。口腔环境复杂，细菌引发的疾病如牙周炎、牙髓炎和龋齿会损害牙组织。牙周组织的充分再生需要软组织和硬组织的协调生长，引导组织/骨再生方法是一种有前景的途径，该方法利用膜作为支架形成新的牙周韧带附着。尽管聚合物膜具有低抗原性、高生物相容性和优异的细胞亲和力等优点，但它们存在一些局限性，如不适合牙槽骨再生、缺乏刚性、因力学性能差易塌陷且易被细菌定植。通过将具有治疗、修复或抗菌特性的功能性纳米材料掺入或接枝到支架和膜中，可以增强牙科组织工程中支架和膜的生物学和力学性能。为了专门针对牙科应用设计更优的材料，组织工程“三要素”概念结合了祖细胞、支架和生长因子，利用生物学、化学和材料科学的相互作用进行设计。生物活性分子和所用材料在细胞和系统水平上影响人体的反应。除了增强支架的力学性能和生物相容性外，纳米材料结合生物活性分子还能增强其功能性。通过纳米材料递送的生长因子、核酸和内分泌激素会改变细胞的分化和增殖。另一方面，纳米材料本身可以表现出抗菌特性或加速细胞增殖。

近年来，多孔羟基磷灰石（HAP）纳米材料因其来源广泛、成本低廉、生产方法简单、生物活性和生物相容性而备受关注。由于其化学和物理性质与人骨相似，HAP纳米材料是骨组织工程的突出候选材料。此外，HAP在骨科、牙科、癌症治疗、药物递送和植入物涂层等领域被广泛应用，其化学成分和形貌显著影响所得性能和未来应用。HAP陶瓷用于植入物符合ASTM F 1185-88标准。含有HAP纳米材料的聚合物支架与纯聚乳酸或胶原/壳聚糖支架相比，提供了更好的力学性能和更低的降解率。与其他材料（如磷酸三钙和矿物三氧化物聚合物）的合成相比，HAP合成成本低廉，且最终HAP纳米材料的形貌可根据临床需求进行调整。由于其六方晶格结构，HAP呈现为细长的纳米颗粒。然而，根据合成路径的不同，可以实现多种形貌，如纳米棒、球形纳米材料以及中空或多孔结构。

鉴于此，多孔HAP纳米材料因其固有的独特性能组合，尤其在复杂生物环境中的应用，正受到极大的关注。将多孔形貌与其骨传导特性相结合，HAP纳米材料为个性化医疗开辟了道路，具有副作用少、可持续局部药物递送和高生物相容性等优点。因此，本综述总结了HAP纳米材料的多种合成方法，并重点关注其牙科应用。

第二部分详细介绍了多孔HAP纳米材料的湿化学合成与改性方法。合成方法包括干法、湿法和高温法、从生物源合成以及组合工艺。本综述将重点关注湿化学法和组合法，因其具有稳健性、有效的合成控制和原料可用性。湿化学法制备多孔HAP纳米材料的技术包括化学沉淀法、微波辅助湿化学法、反相微乳液法、超声化学辅助微波法、反离子核壳法以及微波辅助法。化学沉淀法因其简单、低成本以及对形貌和形状的良好控制而备受关注，但所得纳米颗粒的结晶度低于其他方法。反相微乳液法简单，能更好地控制所得颗粒的形状，并允许生产具有不同形貌（中空纳米颗粒和多层纳米颗粒）的结构。反离子核壳法能够简单地生产具有多孔形貌的中空纳米结构。微波辅助和超声化学辅助微波法可产生高结晶度、高纯度的细小颗粒，常用于合成HAP复合纳米颗粒。水热法允许生产具有高结晶度、良好尺寸控制和多样形貌（纳米颗粒、纳米片和纳米棒）的HAP微米和纳米结构。

为了增强多孔HAP纳米材料的治疗效果，可以对其负载生长因子或抗菌剂。此外，掺杂离子可以改变HAP的性能。掺入Sr²⁺和Bi³⁺离子可产生抗菌性能，此类颗粒是通过微波辅助法合成的；而掺杂Mg²⁺和Sr²⁺则可增强成纤维细胞的附着、增殖和分化。例如，掺入Ag⁺可提供抗菌性能，与Zn²⁺、Mg²⁺和Sr²⁺结合可支持骨形成；此前有报道称，掺杂Sm³⁺的玻璃增强羟基磷灰石复合材料可改善成骨细胞反应和抗菌效果。

此外，将多孔HAP用于生物活性蛋白（如BMP-2生长因子）的递送和控释也备受关注。使用HAP的额外好处在于能增强膜的力学性能。

2.1 化学沉淀法因其可扩展性和相对较低的成本而被广泛使用。该方法通常包括将Ca²⁺源和PO₄^3-源以化学计量浓度混合，然后调节pH值，随后进行过滤、洗涤、干燥和研磨沉淀物。典型产物是结晶度低至中等且粒径分布较宽的颗粒。由于能耗低且仅需要简单设备，该方法易于扩展。然而，该方法的局限性是与其它方法相比，对形貌控制较差或所得颗粒结晶度较低。

2.2 反离子核壳法是一种“硬模板法”。使用亚稳态碳酸钙多晶型物——球霰石纳米颗粒作为介孔HAP沉积的模板。球霰石纳米颗粒通过化学沉淀法合成，与方解石纳米颗粒的形成类似，但通过改变反应介质、反应动力学和成核速率，反应生成球形介孔球霰石晶体，从而定义HAP的形貌。化学沉积后，用磷酸处理球霰石纳米颗粒，通过将球霰石中的CO₃^2-离子替换为PO₄^3-离子，获得多孔羟基磷灰石壳。然后，将制备好的核壳颗粒暴露于乙酸溶液中，由于羟基磷灰石和球霰石的溶解速率不同，该反应将仅产生中空介孔HAP颗粒。该方法可以相对简单（有时是一锅法）地沉积具有中空和介孔形貌的HAP纳米颗粒。但由于球霰石模板的结晶度低，颗粒尺寸通常在微米范围，且尺寸分布较宽。

中空多孔羟基磷灰石球体因其包封药物的可能性而备受关注。较大的颗粒尺寸潜在地允许包封较大的分子，如蛋白质，这可能有利于递送生长因子，如BMP-2。一些研究报道了在制备的结构中包封布洛芬、盐酸万古霉素和盐酸环丙沙星，这允许将此类结构应用于种植体周围炎治疗或术后护理中的局部药物递送。

2.3 反相微乳液法基于创建具有纳米级水滴的水包油乳液，由表面活性剂和助表面活性剂稳定，作为颗粒生长的反应器。将反应环境限制在纳米尺度内有助于在合成过程中克服团聚现象，并提供更好的形貌和结晶度控制，即使在晶格被掺杂的情况下也是如此。通过调节水和油的比例来调节尺寸。该方法可以生产尺寸均匀的颗粒，且不需要复杂的设备，但需要使用有机溶剂（如环己烷），因此环保性较差。对尺寸和形貌的控制在需要高表面积或小颗粒尺寸的应用中至关重要，例如用于填充釉质龋洞的复合玻璃离子水门汀（GIC）。

2.4 水热法基于使用高温高压提高前驱体的反应活性。与化学沉淀法相比，虽然可以使用相同或相似的前驱体（例如氢氧化钙作为Ca²⁺源，正磷酸作为PO₄^3-源），但它可以生产结晶度更高的纳米颗粒。通过在合成过程中使用表面活性剂，如十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），可以实现粒度的均匀分布。另一方面，该方法要求更高：它需要高压釜或压力容器作为设备，并且消耗更多能量。此外，可以通过添加表面活性剂通过该方法获得多孔结构，据报道可合成宽度为15-20 nm、长度为60-70 nm、孔径为2-10 nm的棒状纳米材料。增加的结晶度允许通过掺杂或共沉淀掺入不同元素。例如，文献报道了具有抗菌性能的TiO₂-HAP纳米复合材料的合成，可用于釉质的美白和再矿化。

2.5 微波辅助法合成HAP基于700-900 W范围的微波辐射。它允许生产掺有Si、Mg、Sr或F的20-30 nm尺寸的HAP纳米颗粒。研究表明，使用该技术获得的HAP粉末与天然骨更相似，并且由于存在取代离子，它们表现出更好的生物活性性能。据报道，对于这种类型的合成，甚至可以使用简单的微波炉（如Sharp R728 K）。这种方法提供了沉淀法的优点，如低能耗、稳健性和低价格，并产生结晶度更好、尺寸更细的颗粒。该方法的主要挑战之一是其可扩展性。在容量为数百毫升的大型容器中，反应器内部电磁场分布不均匀可能导致颗粒尺寸分布宽和结果重现性差。

2.6 生物源化学沉淀法是从富钙生物源（如珊瑚、蛋壳、贻贝壳、鱼鳞或动物骨骼）合成HAP纳米颗粒的一种新兴绿色合成途径。由于能够进行环境友好的合成并获得性能增强的HAP纳米颗粒，这一方向受到了广泛关注。总的来说，使用生物源合成HAP有多种方法，包括固态合成、微波辅助合成、溶胶-凝胶法和水热合成。其中一些方法可以直接产生HAP纳米颗粒；例如，对鱼鳞或骨骼进行碱处理或热处理后研磨，将去除结构中的有机化合物并产生HAP纳米颗粒。在这种情况下，所得HAP纳米颗粒的性能将取决于供体物种。几项研究报道了将罗非鱼鱼鳞衍生的HAP纳米颗粒应用于牙科，并研究了其对正畸牙齿移动和牙周韧带间隙的影响。

另一个方向是应用富钙生物源，如软体动物或海洋物种的外骨骼，以获得钙盐溶液用于进一步共沉淀。这种方法保留了生物源合成的优点，并提供了更好的纳米颗粒结构和化学成分控制。

通过这种方法生产的HAP纳米颗粒含有天然磷灰石中存在的痕量离子，进一步增强了生物相容性和生物活性，这不仅支持绿色合成策略，还可能提升其在正畸牙齿移动调控、牙周再生和釉质再矿化中的性能。然而，生物源的内在成分强烈依赖于供体物种、年龄、栖息地和疾病，这导致了重现性问题，使该方法的临床规模化变得复杂。

2.7 影响HAP纳米颗粒形貌和含量的化学路线。上述方法可以通过选择不同溶剂或应用表面活性剂、助表面活性剂、模板（合成或生物源）、纳米凝胶、聚合物基质、有机分子、吸附物、晶体生长改性剂、离子取代物、螯合剂或生物源添加剂来改变反应介质，从而进一步修改。图2展示了所选合成路线和反应参数组合影响的示例。这些改变可以改变反应动力学、提供成核位点、影响晶体生长、改变成核速率，或向晶格引入其他元素，从而影响最终的形貌和/或化学成分，并导致生物学反应的变化。一个例子是仿生方法：如果在HAP沉淀过程中向体系中引入带电聚合物（如聚乙烯醇PVA、明胶），则带正电的Ca²⁺离子首先与带负电的基团结合，随后吸引磷酸根阴离子。这种方法可以更精确地控制尺寸分布和团聚，并产生结构上类似于天然骨中HAP的HAP。另一个例子是使用氟化物调控HAP纳米棒的形貌。在最近的一项研究中，Meng等人通过水热法合成了氟掺杂的HAP纳米棒，并表明氟化物改变了晶粒的取向和尺寸，并研究了这些纳米棒在体内釉质再矿化中的功效。

第三部分介绍了羟基磷灰石的牙科应用。HAP是牙釉质的主要成分，在牙本质中含量丰富。这一特性，结合其无毒性、生物相容性、生物活性、骨传导性和良好的组织粘附性等特性，使其成为牙科应用的理想候选材料。另一方面，在牙科组织工程应用中，可以使用多孔羟基磷灰石纳米颗粒，因为它们可以作为生物活性分子的纳米载体。

3.1 用于龋齿治疗的釉质再矿化。龋齿的早期阶段可被描述为釉质脱矿，主要是由于营养或牙齿上细菌代谢产物的存在引起pH值变化所致。牙釉质由20-40纳米尺寸的羟基磷灰石纳米颗粒组成。合成羟基磷灰石纳米颗粒的应用可以通过提供钙和磷酸根离子源来引起釉质再矿化并减少其脱矿。羟基磷灰石纳米颗粒还可以填补牙釉质中的空隙，防止细菌生长，从而降低脱矿率，作为天然美白剂，并用于早期龋齿治疗。用于这些目的的HAP纳米颗粒可以从天然来源（如鲍鱼壳）获得，并与卡波姆结合使用作为载体。与氟化物相比，HAP在酸性环境中性能更好，这决定了其在治疗口腔方面性能更佳。它还有助于避免组织长期暴露于氟化物化合物而导致氟中毒的风险。在一项研究中，作者使用SEM和EDX分析对60颗拔除的人牙进行了体外研究，证实了使用含有商业HAP的牙膏在牙齿脱矿后实现了釉质再矿化。另一项研究表明，掺杂了四种不同离子（Mg、Zn、Sr或Si）的羟基磷灰石纳米颗粒在再矿化方面的表现优于纯羟基磷灰石。

3.2 牙科种植体的涂层。牙科应用的植入物应满足多个标准，如理想的物理和化学性能、热稳定性、生物相容性以及力学性能，如抗弯强度、高弹性模量和抗冲击强度。由于羟基磷灰石的力学性能，植入物不能由该材料制成。另一方面，金属植入物，例如由不锈钢、钛或钴铬合金制成的植入物，满足所需的力学性能但缺乏生物相容性。通过使用羟基磷灰石作为金属植入物的涂层，采用脉冲激光沉积涂层、电泳沉积涂层、热喷涂、溶胶凝胶或其他方法，可以克服这一问题，从而改善新骨生长、骨结合和骨-植入物结合。羟基磷灰石相对于其他涂层材料的优势在于其生物相容性和生物活性。TiO₂薄膜或涂层提供更好的机械支撑，但缺乏与骨的粘附性，而磷酸钙（接近羟基磷灰石类材料）在口腔介质中稳定性较差。例如，一项研究表明，在卵巢切除大鼠中植入的涂有HAP的钛植入物表现出更高的反向扭矩、种植体-骨接触和新骨组织形成。另一项研究表明，与未涂层植入物相比，羟基磷灰石涂层减少了生物膜的形成，指出了其抗菌特性以及预防种植体周围炎发展的潜力。

3.3 用于玻璃离子水门汀的纳米羟基磷灰石复合材料。玻璃离子水门汀（GIC）因其对牙体组织粘附性好、热膨胀系数低、钙和氟离子释放以及生物相容性等特性，在牙科中被广泛用作修复材料。然而，其临床应用受到低断裂强度、抗应力性差和对水分敏感性的限制；使用添加材料的GIC复合材料旨在克服这些局限性。用作添加剂的材料之一是羟基磷灰石。HAP可以通过化学沉淀法、水热法或固态反应引入到GIC结构中。通常，GIC复合材料中包含不止一种材料，HAP因其在生物介质中的稳定性、生物相容性和力学性能而被使用。研究表明，将HAP掺入GIC成分中可改善力学性能，导致抗压强度增加113.6 MPa，断裂韧性增加，显微硬度性能改善，抗弯强度显著增加。Tuygunov等人制定了一种含有HAP和四钙磷酸盐（TTCP）的GIC复合材料。他们的研究表明，HAP提高了抗压强度，而TTCP降低了力学强度，并且这种配方可以满足修复应用的ISO标准。

第四部分展望了未来方向。一些研究提出了通过在Ca离子源中添加所需元素的盐溶液来实现既多孔又掺杂的羟基磷灰石微球的方法。该领域的新方向可能是将HAP纳米颗粒用于牙釉质或牙科植入物涂层的功能化或生物功能化，通过掺入具有所需生物学特性（如增强的生物粘附性或抗菌性能）的含HAP纳米颗粒的载体。另一个方向可能是应用人工智能来模拟HAP纳米颗粒的物理或化学性质或合成参数。最后，重要的是开发一种稳健且可规模化生产此类材料的方法，以实现在工业规模上的应用。

第五部分得出结论。本研究总结了几种合成不同类型HAP纳米颗粒及其具有不同物理、化学和生物性能的复合材料的方法。这些性能，结合HAP广泛的修饰可能性，使该材料成为骨组织工程和牙科中一种多功能工具，为预防性、再生性、抗菌性和修复性牙科治疗提供平台，从而满足诸如增强骨和牙科组织工程支架的生物学性能、口腔腔体修复以及预防相关疾病等临床需求。