胡 欽 曹海兵 安興業(yè)，* 劉佳雯 馬銘婧范春霖 祝 青 來明秀 劉洪斌，*

（1.天津科技大學輕工科學與工程學院，天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457；2.浙江景興紙業(yè)股份有限公司，浙江嘉興，314214）

1 概 述

磷酸鈣鹽是一類典型的生物礦物鹽，是人和動物的骨骼及牙齒的主要無機成分。它們已被廣泛應用于骨科和牙科等一系列醫(yī)療領域[1]。圖1 為典型骨在不同長度尺度下的層次結構[2]。如圖1 所示，骨和其他鈣化組織由嵌入蛋白質基質的生物礦物、其他有機材料和水組成，可被視為天然各向異性復合材料[2]。生物礦物相是一種或多種類型的磷酸鈣，有機相主要以膠原纖維形式存在。磷酸鈣晶體主要由羥基磷灰石（HAP）、碳酸鹽和磷灰石性磷酸鈣組成。骨中的HAP晶體呈片狀，長度150 nm，寬度80 nm，厚度5 nm，與其長軸緊密結合，幾乎與膠原纖維軸平行[2-3]。

圖1 典型骨在不同長度尺度下的層次結構[2]

由于人工合成的羥基磷灰石納米顆粒（HAP?NPs）在化學成分上與骨組織的礦物相高度相似，它在醫(yī)學上被稱為優(yōu)良的合成骨替代物，在熱力學中屬于最穩(wěn)定的結晶相。滿足化學計量Ca10(PO4)6(OH)2的HAP NPs是最常用的磷酸鈣形式之一，該結構的特殊屬性在于其具有良好的離子交換性能，同時具有被大量陰離子和陽離子取代基取代的能力，被應用于生物醫(yī)學、吸附等不同領域[4-5]。例如，韋薇等人[6]報道了HAP在生物醫(yī)學方面的應用，HAP NPs可作為表層功能梯度生物活性材料，其中的鈣、磷離子可與生物體液中的鈣、磷進行交換構成離子通道，多孔結構引導新生骨組織在空隙表面生長，從而有利于成骨細胞沉積，引導新骨的形成。除此以外，HAP NPs也可作為一種理想的除氟材料。朱丹琛等人[7]以β-環(huán)糊精∕聚乙二醇復合物為模板，采用仿生法制備刺球狀HAP NPs。研究發(fā)現(xiàn)，在最佳條件下HAP NPs 對氟具有較高吸附效率和吸附容量。

天然纖維素作為植物原料的主要組分之一，具有分布廣泛、儲量較大、用途廣泛的特點。天然纖維素是由很多β-D-吡喃葡萄糖基彼此以β-1,4 苷鍵連接而成的線型高分子[8-10]。而納米纖維素來源于天然纖維素，是指在某一維度上具有納米尺寸的新型高分子材料，具有獨特的強度性能和光學性能，常被用作增強材料[11-12]。納米纖維素因其具有生物可降解性、可再生性、環(huán)境友好性和無毒性等優(yōu)點，已被廣泛應用于生物醫(yī)學材料、光電材料、納米復合材料[13]。目前，納米纖維素及其衍生物，例如纖維素納米纖絲（cel?lulose nanofibers，CNFs）[14-15]、細菌纖維素 （bacterial cellulose,BC）[16]、羧甲基纖維素（carboxy methyl cellu?lose, CMC）[17]及醋酸纖維素（cellulose acetate, CA）[18-19]等，已被廣泛用于HAP復合材料的制備。

過去幾十年也有學者綜述了HAP NPs 不同合成方法及其在催化和醫(yī)學方面等領域的應用。但是最近幾年，HAP 的合成路線不斷被創(chuàng)新及優(yōu)化。目前很少有學者對超長HAP 納米線（HAP NW）的制備方法、合成機理及HAP NPs-纖維素基復合材料的制備及其在生物醫(yī)學、吸附和造紙領域中比較前沿的應用進行綜述介紹，所以有必要對上述系列問題進行歸納探討，以更好地促進HAP NPs 在相關領域的研究，為相關科研工作人員提供指導和參考。本文首先簡述了HAP 結構特性和近幾年最常見的超長HAP NW 的合成方法，然后重點綜述了近年來國內外HAP NPs∕纖維素基復合材料在生物醫(yī)學、吸附、造紙領域的應用研究進展，并對HAP NPs∕纖維素基復合材料未來的應用進行展望。

2 HAP NPs的結構及人工合成機理

通過控制晶面的取向（c面或a面），改變HAP NPs 的形態(tài)，可產(chǎn)生不同形貌及不同性質的HAP。HAP的合成路線多種多樣[20]，包括干燥法（固態(tài)合成法、機械化學法）、濕法（共沉淀法、溶膠-凝膠法、乳化法、水解法、水熱法）、替代能量輸入法（微波輔助法、聲化學法、球磨法）等，目前研究最多的是水熱合成法或水熱合成與其他形式組合的方法。其人工合成機理為：HAP NPs在水熱合成過程中，其晶化機理遵循溶解-重結晶模型，即溶解、擴散轉移、結晶。從宏觀上看，分子狀態(tài)由分散態(tài)到凝聚態(tài)；微觀上則是結構的變化，從無序→成核→有序生長成晶體的過程[21-23]。

圖2 以化學計量的HAP晶體網(wǎng)絡

2.1 HAP NPs的結構

在晶體體系中，HAP 晶體屬于六方晶系，結晶參數(shù)分別為：a=9.418 ?，b=120 ?，c=6.881 ?[20,24]。圖2所示為以化學計量的HAP晶體網(wǎng)絡。

從圖2可以看出，以化學計量的HAP結晶網(wǎng)絡由四面體PO4基團緊密組裝，其中P5+位于四面體的中心，頂部由4 個氧原子組成。每個PO4四面體由一列共享，并劃分兩種類型的未連接通道。如圖2(a)為HAP 晶格網(wǎng)絡的第一通道且直徑為2.5 ?，被Ca2+包圍，表示Ca(I)。它們與PO4四面體的氧原子配位，形成多面體。圖2(b)表示第二種通道，它在磷灰石的性質中起著重要的作用。它的直徑大于前一個通道（3～4.5 ?），并含有另外6 個 Ca2+，稱為Ca(II)且位于通道的外圍。這些離子位于單元格的兩個維度，且單元格沿c軸并列形成等邊三角形。它們的配位是7，被6 個氧原子包圍，這些氧原子屬于[XO4]和OH-。兩個不同鈣位點的性質特別引人注意，因為HAP 的性質可以通過對該位點的特定修飾來調節(jié)[25]。在圖2(c)中，OH－中的氧原子位于鈣離子形成的平面外0.4 ?處，OH－的氫原子位于1 ? 處，幾乎在鈣原子的三角形平面上。通道的尺寸大小賦予了這些離子一定的遷移率[26]。通常情況下，以化學計量形式的HAP的Ca∕P摩爾比為1.67，而非化學計量形式的HAP 的制備則可 通 過 公 式 Ca10-Z(HPO4)Z(PO4)6-Z(OH)2-Z； 0

2.2 HAP NW的人工合成機理

在近幾年眾多HAP 材料中，具有高長徑比的HAP NW 受到廣泛關注。Chen等人[27]首次采用油酸鈣前驅體溶劑熱法在室溫下快速自動化合成高柔性、耐火、大尺寸、自組裝的高度有序的超長HAP NW。HAP NW 形成機理如圖4 所示。從圖4 可以看出，在含有 CaCl2、NaOH、Na2HPO4·2H2O、油酸、水、甲醇的反應體系中，油酸分子通過羧基與鈣離子相互作用，使烷基鏈暴露于混合溶劑中，吸附在超長HAP NW 表面。在無水乙醇中注入含有超長HAP NW 的溶劑熱產(chǎn)物漿料時，溶劑熱產(chǎn)物漿料中的水、甲醇和油酸的成分可擴散到乙醇中。由于油酸分子的烷基鏈與極性溶劑（乙醇、甲醇和水）不相容，所以從溶液中分離出超長鏈HAP NW。在溶劑擴散過程中，吸附在超長HAP NW表面的油酸分子可通過“醇-油酸”相互作用對超長HAP NW的自組裝過程進行調制，將超長HAP NW排列形成對齊的HAP NW束。

圖3 不同形貌的HAP NPs[2,27]

表1 不同形貌HAP NPs的尺寸范圍及合成方法[2,27]

前驅體經(jīng)溶解熱處理后得到的HAP NW的直徑約為10 nm，長度大于100 μm，且許多HAP NW 呈自然彎曲狀態(tài)。實驗結果表明，HAP NW 具有高柔韌性且納米線束方向平行于HAP NW 的c軸方向。單根HAP NW 在結構上呈單晶結構，且擇優(yōu)生長方向是沿HAP的c軸方向生長。

針對上述反應體系制備的HAP NW 存在成本高、產(chǎn)物溶液偏黃色、后續(xù)清洗復雜繁瑣等缺點，Li 等人[28]進行改進并發(fā)明了一種新的制備方法，他們利用油酸鈉代替油酸，去除了有機溶劑油酸和醇，并采用環(huán)境友好的水作為唯一溶劑，成功地制備出網(wǎng)狀結構超長HAP NW，且產(chǎn)物漿料白度高。該制備方法可大大降低制備成本，并且對環(huán)境友好。

2.3 HAP NPs∕纖維素基復合材料

在過去50 年，復合材料在現(xiàn)代科技中發(fā)揮著至關重要的作用。許多最新研究都是將新型復合材料應用于工程技術復合材料的前沿領域。復合材料（也稱為組成材料）是由兩種或多種具有顯著不同物理或化學性質的材料在協(xié)同作用下所構成，當它們結合在一起時，構成一種與單個組分不同特性的新材料[8]。復合材料具有在強度、密度等方面優(yōu)于常規(guī)材料的性能，在航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、制造業(yè)等領域得到廣泛應用，并能夠極大降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品性能，促進現(xiàn)有資源和能源的可持續(xù)發(fā)展[29-30]。而本文則主要綜述了利用天然纖維素作為增強材料來制備HAP NPs∕纖維素基復合材料，及其在生物醫(yī)學、催化吸附以及造紙等領域的相關研究。

3 HAP NPs/纖維素基復合材料的合成方法

傳統(tǒng)HAP NPs 具有較多的優(yōu)良特性，但HAP 的脆性較高、柔韌性差；而納米纖維素具有良好的物理機械性能（如抗拉伸強度、高表面積）和生物可降解性、可再生性、環(huán)境友好性和無毒性等優(yōu)點。鑒于兩者的不足和優(yōu)異特性，在過去十幾年，許多研究學者利用不同的實驗方法制備羥基磷灰石∕納米纖維素復合材料。本節(jié)將主要綜述HAP NPs∕纖維素基復合材料最常見的幾種合成路線。

圖4 超長HAP NW形成機理及其有序過程示意圖[27]

3.1 生物礦化法

生物礦化法是一種利用模擬體液（SBF）模擬人體的生理環(huán)鏡（SBF 溶液：pH 值7.4，溫度37℃，且存在 Na+、Ca2+、K+、Na+、PO34-等無機離子），在靜電作用下，帶有負電性的位點首先形成成核位點，不斷吸附溶液中的Ca2+、PO43-，最終形成不同結構及形貌的 HAP 復合材料[31-32]。例如，Rodríguez 等人[33]利用生物礦化法制備了新型HAP∕納米纖維素基復合支架材料，重點研究了在模擬體液（SBF）中無機離子在納米纖維素表面成核生長成具有生物活性的磷酸鹽晶體的生長與纖維表面處理的關系。實驗結果表明，納米纖維素基材經(jīng)SBF處理，其吸附鈣離子的納米纖維素表面與磷酸鹽離子相互作用的成核位點大大增加，從而在納米纖維素表面負載更多的Ca-P 晶體。為了使納米纖維素在誘導HAP NPs 在其表面生長具有較高的生物活性，Li等人[34]對納米纖維素進行了一定程度的磷酸化改性，且磷酸基團的取代度為0.28。掃描電子顯微鏡（SEM）圖（見圖5（a））表明，改性納米纖維素成功負載具有一定厚度的HAP NPs，且經(jīng)礦化后的HAP NPs∕納米纖維素復合材料具有均勻的尺寸和形態(tài)，直徑范圍為1.79～3.19 μm。能譜儀（EDS）分析 （見圖5(b)） 表明，HAP NPs 的 Ca∕P 摩爾比約為1.57，說明這些HAP NPs 屬于缺鈣型HAP。實驗結果表明，磷酸化電紡納米纖維素可提高HAP NPs 在其表面誘導生長的生物活性，使它們適用于HAP NPs∕納米纖維素復合材料的仿生合成。

3.2 原位合成法

原位合成法是將HAP 前驅體以螯合鍵的方式與改性納米纖維素分子鏈上的基團聯(lián)合，由于該種化學鍵的結合方式能量較大，在機械作用下HAP NPs 很難從改性納米纖維素上脫落。例如，Sarkar 等人[35]采用原位合成法以硝酸鈣(Ca(NO3)2·4H2O)和磷酸二氫銨[(NH4)2HPO4]為前驅體，以羧甲基纖維素為基材，在氨水調節(jié)作用下，機械攪拌使其堿性化，最后在140℃條件下回流8 h后形成碳點共軛修飾的羧甲基纖維素（CMC）∕HAP 復合材料，合成機理如圖6 所示。合成的納米復合材料的尺寸小于100 nm。該復合材料被應用于抗癌藥物的載體。

3.3 物理混合法

物理混合法是指經(jīng)過靜電吸附將HAP 和納米纖維素結合的方法。優(yōu)點在于操作簡單、HAP 結晶度高、結構分散均勻[36]。Zhang 等人[37]首先采用簡單的一步溶劑熱法成功地制備了生物相容性、單分散、單晶HA 納米微管。在室溫下，采用簡單的物理混合法將含有殼聚糖的乙酸溶液與HAP 納米微管混合并機械攪拌成漿液，采用冷凍干燥與高溫灼燒的方法，在不添加任何添加劑的情況下，成功制備出具有優(yōu)良透氣性和超低熱導率的三維多孔網(wǎng)絡結構的HAP 氣凝膠。該氣凝膠具有高熱穩(wěn)定性、低導熱性和優(yōu)異的力學性能，在各個領域中具有廣闊的應用前景。

4 HAP NPs/纖維素基復合材料的應用研究

4.1 生物醫(yī)學領域

在醫(yī)學領域，由創(chuàng)傷、腫瘤、重建手術、先天性缺陷或牙周病引起的骨損失是世界范圍內的一個主要健康問題。發(fā)展安全、有效的骨再生治療技術來取代和促進骨再生是臨床上重要的長期目標[38]。由于HAP與人體硬組織主要無機組分具有相同的化學組成，人工合成的HAP 復合材料已被廣泛應用于生物醫(yī)學領域，目前主要集中應用于促進骨組織工程、抗癌或作為釋放載體等方面[39]。

骨組織工程是使用功能性組織工程替代物在關鍵臨床條件下修復骨缺損的技術。生物材料在過去近20 年中被系統(tǒng)地用作骨缺損的填充材料、人工骨移植及作為假體支架材料[40-42]。因納米纖維素具有獨特的生物相容性、良好的機械強度、微孔性和生物降解性，其獨特的表面化學特性使其非常適合于骨再生應用。學者們利用各種各樣的納米纖維素（包括殼聚糖、羧甲基纖維素、細菌纖維素、纖維素納米晶體等）與HAP NPs 復合制備可生物降解的復合支架材料并應用于骨組織工程[43-45]。

圖5 HAP在磷酸化電紡納米纖維素上模擬生長的SEM圖和EDS圖[34]

圖6 碳點共軛修飾CMC/HAP復合材料用于阿霉素遞送的合成工藝原理圖[35]

例如，Zhang 等人[46]采用絲素蛋白、羧甲基殼聚糖、纖維素納米晶體和鍶取代羥基磷灰石（Sr-HAP）制備了絲素蛋白∕羧甲基殼聚糖∕纖維素納米晶體∕Sr-HAP 生物復合支架。與絲素蛋白∕羧甲基殼聚糖支架相比，添加Sr-HAP 和纖維素納米晶體的支架具有更強的蛋白質吸附和骨誘導性，且支架的抗壓強度顯著提高。這表明絲素蛋白∕羧甲基殼聚糖∕纖維素納米晶體∕Sr-HAP 支架在無負荷骨組織修復中具有潛在的應用前景。Niamsap 等人[47]采用纖維素納米晶體原位合成細菌納米纖維素∕HAP∕纖維素納米晶體復合材料。首先采用原位合成法在60℃、pH 值為10 的條件下制備HAP∕纖維素納米晶體復合材料，然后將HAP∕纖維素納米晶體復合材料物理混合添加到不同比例的細菌納米纖維素中，經(jīng)超聲波處理后進行接種孵育等一系列實驗處理后，采用冷凍干燥法獲得細菌納米纖維素∕HAP∕纖維素納米晶體復合材料，其微觀形貌如圖7 所示。實驗結果表明，HAP NPs 以棒狀的形式分散在纖維素納米晶體上，直徑和長度分別為30～40 nm和400 nm。細胞毒性證明，細菌納米纖維素∕HAP∕纖維素納米晶體復合材料的細胞活力高達（83.4±3.6）%，表明細菌納米纖維素∕HAP∕纖維素納米晶體復合材料無細胞毒性。該復合材料具有被應用于骨組織工程支架中的潛力。

4.2 吸附領域

廢水中存在的重金屬和湖泊中過量的磷都會對人類健康和環(huán)境技術產(chǎn)生不利影響[48-49]。有很多用于去除污染水源中的磷和硝酸鹽、苯酚及其衍生物、重金屬離子的技術，例如物理、化學、生物及其相互組合方法，這通常需要相當大的資本投資、基礎設施、運營成本和維護成本[50-51]。吸附是一種有效且被廣泛應用的分子純化和分離技術，具有成本低、時間少和易于加工的優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)分離和凈化方法的基本局限性[52-53]。HAP 作為一種無毒可生物降解且具有較高化學活性和高吸附性能的多孔材料，可廣泛應用于吸附領域。但由于HAP NPs 具有較差的強度、柔韌性和易自聚集等缺點，極大地限制了其應用范圍。

由于納米纖維素豐富的優(yōu)異性能，人們考慮將HAP NPs與納米纖維素相互作用形成新型具有優(yōu)良力學性能的去除離子染料、有害氣體和重金屬離子的吸附劑[54-55]。Hokkanen 等人[56]探究了碳酸 HAP∕微纖化纖維素復合材料在水溶液中對Ni2+、Cd2+、和NO3-的吸附。在室溫下采用原位合成法制備的碳酸HAP∕微纖化纖維素復合材料在160℃下吸附處理6 h，研究了pH 值、接觸時間、金屬濃度和再生效率對吸附的影響。實驗結果表明，碳酸HAP∕微纖化纖維素吸附劑對 Ni2+、Cd2+、PO43-和NO3-的最大吸附能力分別為2.021、1.224、0.843 和 0.209 mmol∕g。吸附動力學結果表明，碳酸HAP∕微纖化纖維素吸附劑對所有離子具有很高的吸附速率。

圖7 纖維素納米晶體和HAP∕纖維素納米晶體復合材料的TEM圖以及HAP∕纖維素納米晶體復合材料的EDS圖

除此之外，HAP∕納米纖維素復合材料作為吸附劑也被應用于生物技術。在天然骨被認為是一種由膠原纖維和HAP 礦物組成的纖維增強雜化材料的啟發(fā)下，科學家引入了納米纖維素和HAP 制備HAP∕納米纖維素復合吸附材料。其中，人工合成的HAP 具有豐富的表面活性中心和可調控的多孔結構，有助于其對蛋白質和氨基酸等生物相關物質的吸附，納米纖維素的添加改善了復合材料的力學性能和生物學性能[57-58]。例如，Du 等人[59]介紹了一種利用乳化技術制備固定化Cu2+纖維素∕MHAP雜化珠的新方法。其合成路線及吸附機理如圖8所示。首先將四氧化三鐵與N-（磷甲基）-亞氨基二乙酸(PM-IDA)混合，然后在水溶液中沉積吸附HAP 顆粒，將得到的磁性羥基磷灰石（MHAP）顆粒通過簡單的物理混合法懸浮在纖維素溶液中，乳化成纖維素∕MHAP 雜化珠。最后，通過PO43-基團的氧原子在纖維素∕MHAP上螯合Cu2+，得到了固定化金屬親和吸附劑。吸附測試結果表明，纖維素∕MHAP 對牛血紅蛋白具有較高的靜態(tài)吸附能力（4533.1 mg∕g）。顯然，高吸附容量歸因于Cu2+螯合HAP 顆粒在球形纖維素載體中的小尺寸和良好分散，為蛋白質吸附提供了足夠的比表面積和體積。上述結果表明，纖維素∕MHAP 吸附劑在富組氨酸蛋白純化領域具有很大的潛力。

4.3 造紙領域

傳統(tǒng)紙張的組成成分除纖維素外，還含有半纖維素、木質素和添加物(助留助濾劑、染料、顏料等)。傳統(tǒng)紙張主要存在如下兩點缺陷：①易燃。紙張燃點較低，很容易發(fā)生火災，會導致紙質文物、書籍等重要資料被銷毀。②返黃現(xiàn)象。紙張中的殘余木素發(fā)生氧化反應而產(chǎn)生返黃現(xiàn)象，纖維素產(chǎn)生的酸性物質使紙張降解腐蝕[60]。隨著人們對綠色環(huán)境的高度重視，紙及其衍生產(chǎn)品正發(fā)揮著越來越重要的作用。功能紙作為一種在傳統(tǒng)紙張原有性能的基礎上增添功能的一種新型紙，不僅解決了上述缺點，也被廣泛應用衛(wèi)生保健、國防科技、生物醫(yī)學、阻燃材料、快速檢測試紙等領域[61]。

圖8 Cu2+纖維素∕MHAP雜化珠的合成路線及其對富含組氨酸蛋白的吸附機理[59]

以HAP NW∕纖維素基復合材料為基材的功能濾紙可被應用于各種有機污染物的廢水處理中[62]。例如，Zhang 等人[63-64]先后研制了一種新型的以超長HAP NW∕纖維素纖維和纖維素納米纖絲∕纖維素∕HAP NW 為原料的環(huán)保型濾紙。實驗結果表明，所制備的HAP NW∕纖維素纖維濾紙對水中TiO2納米粒子（>98.61%）和細菌（100%）的去除效果較好，該濾紙對甲基藍（273.97 mg∕g）和Pb2+（508.16 mg∕g）也有較高的吸附能力；制備的纖維素納米纖絲∕纖維素∕HAP NW 濾紙對染料的截留率在95%以上，且該濾紙對 Na2SO4（75.7%） 和 NaCl（65.8%） 的截留率較高。具有優(yōu)良過濾和吸附性能的環(huán)保型HAP NW∕纖維素功能濾紙在高性能凈水中有著廣闊的應用前景，以解決世界范圍內的缺水問題。

5 總結與展望

綜上所述，羥基磷灰石納米顆粒（HAP NPs）作為生物無機材料，雖然具有良好的生物相容性、生物活性、骨傳導性、耐高溫、阻燃性能，但由于單一HAP 組成的材料脆性高、機械性能較差、且難以塑造成生物醫(yī)學、造紙、吸附催化等領域材料所需的特定形狀，這將極大地限制了它的應用范圍。纖維素及納米纖維素優(yōu)異的機械性能在一定程度上提高了HAP NPs 的穩(wěn)定性和力學性能。大量的研究成果表明，HAP NPs∕纖維素基復合材料的合成研究已經(jīng)取得較大進展，并在吸附、生物醫(yī)學和造紙領域中有著廣闊的研究和應用前景。然而，HAP NPs∕纖維素基復合材料的結構特性仍難以控制，并且不同HAP NPs∕纖維素基復合材料的制備方法、HAP 的合成方法、納米纖維素的制備方法和性能等因素也會對合成的HAP∕纖維素納米復合材料的產(chǎn)品性能產(chǎn)生很大的影響，并會進一步影響其應用性能和應用范圍。鑒于此，下一步科學家必將對HAP NPs 的制備方法及HAP∕纖維素基復合材料的制備和性能研究進行更加深入和完善的思考和研究，以滿足生產(chǎn)生活中對HAP NPs及其復合材料不斷增長的需求。