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核壳型锶钙羟基磷灰石纳米粉体的制备、表征及性能研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在生物医学材料的蓬勃发展历程中，核壳型锶钙羟基磷灰石纳米粉体凭借其独特的结构和优异性能，逐渐成为研究焦点，展现出巨大的应用潜力。

羟基磷灰石（HA），化学式为Ca_{10}(PO_{4})_{6}(OH)_{2}，作为人体和动物骨骼、牙齿的主要无机成分，具有良好的生物相容性和生物活性，能与人体软硬组织紧密结合，是广泛应用的植骨代用品。然而，随着对材料性能要求的不断提高，单纯的羟基磷灰石在某些方面的局限性逐渐显现。

锶（Sr）与钙元素性质相近，同属亲骨性元素，具有诸多相似的生物学特点。研究表明，低剂量的锶（每升饮用水中含量低于4g）对骨骼有益，它能通过钙通道进入细胞，与细胞内有关的钙结合位点结合，进而影响细胞内和骨矿化过程中钙介导的生化过程，在骨矿代谢的多个环节发挥作用，如增强前成骨细胞的复制，刺激骨形成，同时降低破骨细胞的活性。将锶引入羟基磷灰石结构中形成核壳型锶钙羟基磷灰石纳米粉体，有望综合两者优势，进一步提升材料的性能。

在生物医学领域，核壳型锶钙羟基磷灰石纳米粉体在硬组织修复和再生方面极具应用前景。例如在人工骨和人工关节的制造中，该纳米粉体可作为关键原料，利用其良好的生物相容性，能减少植入物与人体组织之间的排斥反应；其独特的结构和组成还可能促进细胞的黏附、增殖和分化，加速骨组织的修复和再生，提高植入物的使用寿命和稳定性。在药物载体领域，纳米级别的粉体尺寸赋予其高比表面积和良好的分散性，使其能够有效负载药物分子，并实现药物的控制释放，提高药物疗效，降低毒副作用。

从制备角度来看，目前虽然已经有多种制备核壳型锶钙羟基磷灰石纳米粉体的方法，如化学沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法等，但这些方法或多或少存在一些问题。例如，水热法反应条件苛刻，需要高温高压环境，对设备要求高，成本也较高；物理混合法制备工艺繁琐，且容易影响纳米粉体的分散性，导致粉体团聚，进而影响其性能和应用效果。因此，开发一种简便快捷、制备过程环境友好、能使纳米粉体分散均匀的制备方法具有重要的现实意义。

对核壳型锶钙羟基磷灰石纳米粉体的制备研究，不仅有助于深入理解材料的形成机制和结构性能关系，为材料科学的发展提供理论支持，还能为其在生物医学等领域的广泛应用奠定坚实基础，具有重要的理论和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

国内外学者围绕核壳型锶钙羟基磷灰石纳米粉体开展了大量研究工作，在制备方法、性能及应用等方面均取得了一定进展。

在制备方法上，化学沉淀法是较为常用的手段。莫慧娟等人以Ca(NO_{3})_{2}·4H_{2}O和(NH_{4})_{2}HPO_{4}为反应物，通过化学沉淀法制备钙羟基磷灰石纳米粉体，研究发现初始浓度分别为0.25mol/L和0.15mol/L时，粒径小，体系稳定性好，且随反应温度升高，CaHA晶体粒径增大，但形貌不变。他们还以Sr(NO_{3})_{2}和(NH_{4})_{2}HPO_{4}为反应物，通过化学沉淀法制得缺锶羟基磷灰石悬浮液，在700℃下煅烧2h后得到\beta-Sr_{3}(PO_{4})_{2}粉体，实验表明pH值和反应温度是影响产物组成的主要因素，当pH=7，T=45℃时，陈化10h后可得到n_{Sr}/n_{P}=1.5的无定形磷酸锶。通过在CaHA悬浮液中预先加入浓度极低的(NH_{4})_{2}HPO_{4}，再缓慢滴加Sr(NO_{3})_{2}的工艺，成功制得长50～100nm，直径约6nm的核壳结构针状羟基磷灰石纳米粉体，并检测出在CaHA表面生成了约1nm厚的锶羟基磷灰石壳层。水热法也被广泛研究，水热法能够在相对温和的条件下制备出结晶度高、粒径均匀的纳米粉体，但该方法对设备要求较高，反应过程复杂，且产量较低。溶胶-凝胶法具有反应温度低、产物纯度高、均匀性好等优点，但制备过程中使用的有机试剂可能对环境造成污染，且工艺过程较长。

在性能研究方面，学者们关注的重点集中在材料的生物相容性、生物活性以及力学性能等。研究表明，核壳型锶钙羟基磷灰石纳米粉体相较于单纯的羟基磷灰石，在促进细胞增殖和分化方面表现更为出色。锶元素的引入能够增强材料对成骨细胞的吸附和增殖作用，提高材料的生物活性。在力学性能方面，通过优化制备工艺和控制核壳结构，可以在一定程度上提高材料的强度和韧性，使其更适合硬组织修复的需求。

在应用领域，核壳型锶钙羟基磷灰石纳米粉体已被尝试应用于人工骨、药物载体等多个方面。在人工骨应用中，该纳米粉体作为骨替代材料，能够与周围骨组织形成良好的骨整合，促进新骨的生长。在药物载体方面，利用其纳米尺寸效应和表面特性，能够实现药物的高效负载和靶向输