表面改性磷灰石纳米粒子使用pH控制来提高植入物的生物相容性

医疗植入物改变了医疗保健，提供了采用先进材料和技术的创新解决方案。然而，许多生物医学设备面临着细胞粘附不足等挑战，导致植入体内后出现炎症反应

磷灰石涂层，特别是羟基磷灰石（HA）——一种在骨骼中发现的天然磷灰石形式，已被证明可以促进与周围组织的更好整合。然而，人工合成的磷灰石纳米粒子的生物相容性往往达不到预期，主要是由于纳米粒子与生物组织有效结合的能力有限

为了克服这一挑战，日本长冈工业大学的研究人员开发了一种合成表面改性磷灰石纳米粒子的方法，该方法可以改善细胞粘附，为下一代生物相容性医疗植入物提供了新的可能性

本研究由日本长冈工业大学材料科学与生物工程系副教授Motohiro Tagaya博士领导，旨在提高磷灰石涂层的性能，推进医疗器械生物相容性材料领域的发展

这项研究的结果发表在《ACS应用材料与界面》上。与田谷博士一起，长冈工业大学的杉本和人先生、上智大学的Tania Guadalupe Peñaflor Galindo博士和长冈科技大学的Ryota Akutsu先生也是该研究团队的一员

磷灰石是一类钙磷基无机化合物，含有羟基磷灰石——一种在骨骼中发现的天然形式。这些化合物以其高生物相容性而闻名

最近的研究发现，用磷灰石纳米粒子涂覆人工关节和植入物是改善这些生物装置生物相容性的可行解决方案。然而，人工合成的纳米颗粒在体外通常显示出对生物组织的结合亲和力降低

根据Tagaya博士和他的团队的说法，这种差异可能与磷灰石纳米颗粒的纳米级表层有关

Tagaya博士的研究是出于解开生物相容性材料复杂性的愿望，带领他的团队开发了一个跨学科框架，控制磷灰石和生物系统之间复杂的相互作用

Tagaya博士补充道：“当考虑用于医疗涂层时，磷灰石纳米颗粒的纳米级表面层的特性至关重要。”。他进一步补充说：“在这项研究中，我们成功地控制了磷灰石纳米粒子的纳米级表面层，为生物器件的先进表面涂层技术铺平了道路。”

该团队通过混合钙和磷酸根离子的水溶液合成了羟基磷灰石纳米粒子。使用三种不同的碱控制溶液的pH值，包括四甲基氢氧化铵（TMAOH）、氢氧化钠（NaOH）和氢氧化钾（KOH）

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然后评估沉淀的纳米颗粒的表层特性，并通过电泳沉积进一步用于涂层

结果表明，pH值是合成过程中的关键因素，因为它会影响结晶相、表面性质和电泳沉积

在分析纳米颗粒的晶相时，观察到pH值的选择会影响不同磷酸钙相的形成，如缺钙羟基磷灰石（CDHA）和含碳酸盐羟基磷灰石（CHA）。较高的pH值有利于CHA的形成，导致更好的结晶度和更高的钙磷摩尔比

磷灰石纳米颗粒的表面显示出三个不同的层。内磷灰石层/核的特征在于存在磷灰石的晶体结构。磷灰石层上方是非磷灰石层，富含磷酸根离子和碳酸根离子等离子

该层与水分子发生反应，形成水合层。分析这些层的表面特征表明，pH值的调节促进了富含反应离子的非磷灰石层的形成，增强了水合性能，这一点得到了证实

重要的是，该研究表明，虽然较高的pH值有助于非磷灰石层的形成，但Na+离子的存在会降低磷酸根离子的浓度，导致该层的反应性降低

如扫描探针显微镜研究所示，NaOH引入大量离子也影响了电泳沉积的均匀性。KOH没有观察到这种效果，表明KOH比NaOH更适合形成非磷灰石层并确保均匀的涂层

Tagaya博士强调了这项研究的重要性，他说：“这项研究侧重于生物陶瓷和生物系统之间的关键界面，可以激发具有优先细胞粘附的生物相容性表面的设计。”

这些发现可能对植入人体的各种生物装置的表面涂层有用，包括人工关节和植入物

展望未来，该团队打算突破纳米生物材料的界限，为医疗材料和设备的突破性创新铺平道路，这些创新可能会彻底改变医疗保健并改善患者的预后 More information: Kazuto Sugimoto et al, Surface State Control of Apatite Nanoparticles by pH Adjusters for Highly Biocompatible Coatings, ACS Applied Materials & Interfaces (2025). DOI: 10.1021/acsami.4c18645

Journal information: ACS Applied Materials and Interfaces