含磷生物分子:合成磷酸钙纳米结构材料的新型绿色磷源

磷酸钙包括羟基磷灰石是生物体骨骼和牙齿等硬组织的主要无机成分,具有良好的生物相容性,被广泛应用于硬组织修复和替换、药物和基因载体及医学成像等生物医学领域。磷酸钙在生理体液环境(pH=7.4)很稳定,但当pH降低至酸性环境中其溶解度增大,因此根据体内pH值的变化可以设计出pH响应的药物控释系统。

采用微波辅助水热法以含磷生物分子ATP作为磷源和稳定剂快速合成的非晶磷酸钙多孔纳米球

磷酸钙材料的合成通常是通过无机钙盐和无机磷酸盐在溶液中直接反应而获得,但由于钙离子和磷酸根离子浓度较高,在前驱体溶液中容易发生快速反应,磷酸钙的成核和生长速率较快,因而产物的形貌和尺寸难以控制。最近,中国科学院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员科研团队利用具有良好生物相容性的含磷生物分子作为磷源,并结合微波辅助水热等方法快速合成多种磷酸钙纳米结构材料,对磷酸钙纳米结构材料的尺寸、形貌和物相进行调控,并研究了所制备多种磷酸钙纳米结构材料在生物医学领域的应用。与无机磷酸盐作为磷源相比,采用含磷生物分子作为磷源具有明显的优势:首先,磷源以磷酸基团的形式存在于含磷生物分子中,而在前驱体溶液中不含有自由的磷酸根离子,因此可以避免磷酸钙的快速成核和生长;其次,溶液中磷酸根离子的浓度由含磷生物分子的水解速率来控制,含磷生物分子一般需要一定的条件例如在水溶液中加热才能发生水解形成磷酸根离子,这些水解条件可以被用来控制含磷生物分子的水解速率从而控制产物的形貌、尺寸和结构;第三,含磷生物分子的水解是一个渐进的过程,因此可以避免磷酸钙的快速成核和生长;另外,含磷生物分子及其水解产物具有良好的生物相容性,对磷酸钙纳米结构的成核和生长具有调控作用。

该研究团队在含磷生物分子作为磷源合成磷酸钙纳米结构材料方面开展了一系列研究工作。例如,他们采用三磷酸腺苷(ATP)作为磷源,利用ATP在微波加热条件下水解产生的磷酸根离子与溶液中的钙离子反应合成磷酸钙纳米结构材料;并且对产物的形貌和物相可以进行调控。在较低温度下,ATP水解产生磷酸根离子提供磷源,未水解的ATP作为一种高效稳定剂阻止非晶磷酸钙向羟基磷灰石的转变,从而得到一种具有高稳定性的非晶磷酸钙多孔纳米球,如上图所示;但在较高微波加热温度下得到羟基磷灰石纳米线。相关研究结果发表在Chemistry-A European Journal 19, 981 (2013); Materials Letters 85, 71 (2012)。他们还进一步研究了ATP对非晶碳酸钙稳定性的影响,通过ATP在室温下合成了具有高稳定性的非晶碳酸钙纳米球,具有良好的生物相容性,对牛血红蛋白具有高吸附量,并显示出良好的pH响应释放性能;相关研究结果发表在Small 10, 2047 (2014)。他们采用ATP还合成了载锌非晶磷酸钙介孔微球(Microporous and Mesoporous Materials 180, 79 (2013))。 该研究团队还采用其它多种含磷生物分子例如1,6-二磷酸果糖(Chemistry-An Asian Journal 8, 88 (2013))、磷酸肌酸(Chemistry-A European Journal 19, 5332 (2013), CrystEngComm 15, 4527 (2013))、胞苷-5’-磷酸(Materials Letters 124, 208 (2014))、磷酸吡哆醛(Chemistry-An Asian Journal 8, 1313 (2013))和核黄素磷酸钠(CrystEngComm 15, 7926 (2013))合成了多种磷酸钙纳米结构材料。所制备的磷酸钙纳米结构材料具有良好的生物相容性、高药物/蛋白装载量和优良的缓释和pH响应释放性能,在生物医学领域具有良好的应用前景。