我院李斌教授团队与陈嵩副教授团队及德国康斯坦茨大学Helmut Cölfen教授团队合作在《Advanced Materials》在线发表题为“Formation of amorphous iron-calcium phosphate with high stability”的研究论文。

磷酸钙是脊椎动物骨骼和牙齿的主要无机成分。磷酸钙可形成多种物相，包括结晶态的羟基磷灰石（HAp）、磷酸三钙（TCP）、磷酸八钙（OCP）等，以及非晶态的磷酸钙（ACP）。ACP不具备结晶态磷酸钙长程有序的结构，是热力学不稳定态，容易向羟基磷灰石等各种结晶态发生转变。骨骼等生物硬组织的发育过程中，ACP是不稳定的中间相，也是非常重要的前驱体，许多动物牙齿和骨骼的形成过程都伴随着ACP向HAp的转变。最近的研究表明，很多啮齿类动物牙齿中存在一种含铁的非晶磷酸钙（Fe-ACP），其对于牙齿的力学和耐腐蚀性能起着重要作用，但其形成过程和合成方法尚不清楚。李斌教授、陈嵩副教授团队与德国康斯坦茨大学Helmut Cölfen教授团队合作，通过溶液法制备了粒径在50-200 nm的Fe-ACP纳米颗粒。以往ACP的制备通常在pH大于6的条件下进行，该研究证实在pH小于5的条件下仍然可形成Fe-ACP。制备的Fe-ACP在水和模拟体液等介质中具有较高的稳定性，体外实验证实其具有良好的体外相容性和成骨特性。研究人员以Fe-ACP为原料，通过放电等离子烧结制备了具有良好力学特性和较强耐酸性能的生物陶瓷（图1）。

    研究者主要以四水硝酸钙和磷酸氢二钠为钙源和磷源，以柠檬酸铁氨（AIC）为铁源和稳定剂制备Fe-ACP纳米颗粒。Fe-ACP纳米颗粒直径在50-200 nm左右且为非晶态（图2a,b,c），铁在其中以三价形式（Fe³⁺）存在（图2d,e）。

    通过改变制备过程中柠檬酸铁铵的浓度（AIC000，AIC0007，AIC002，AIC004，AIC010，AIC020），研究者证实AIC的浓度对Fe-ACP的形成至关重要，其中AIC对于结晶的抑制作用呈浓度依赖性。当AIC浓度较低时（0.007 M和0.02 M），制备的产物为透钙磷石；随着AIC浓度的增加，最终产物向Fe-ACP发生转变（图3a,b）。产物微观形貌的变化进一步证实了这一点，随着AIC浓度的增加，产物由片状和块状变为点状纳米颗粒（图3c）。

    在骨和牙等硬组织的矿化过程中，ACP被认为是HAp的前体和过渡相。以往的研究表明，ACP通常在几个小时之内便会向结晶态磷酸钙转变。该研究中，研究人员将Fe-ACP颗粒置于水以及模拟体液（SBF）中研究其稳定性。结果表明，Fe-ACP的稳定性与制备过程中使用的AIC浓度高度相关（图3a，b）。同时Fe-ACP纳米颗粒的热稳定性结果显示，非晶相纳米颗粒在800 ℃时会向结晶相纳米颗粒转变（图4c, d）。研究人员进一步研究了其在醋酸缓冲液（pH=4）中的稳定性，结果表明Fe-ACP颗粒抗酸溶出稳定性最高（图4 e，f）。

    研究者进一步研究了不同浓度纳米颗粒对细胞的增殖活性以及成骨性能的影响。结果显示Fe-ACP纳米粒子对细胞增殖无明显抑制作用（图5a,b,c）。并且随着纳米粒子浓度的增加，成骨性能逐渐增强（图5d，e）。以上结果表明，Fe-ACP颗粒具有良好的生物相容性和成骨性能，在生物医学领域具有应用潜力。

    最后，研究者以Fe-ACP纳米颗粒为原料，利用放电等离子体烧结制备磷酸钙铁陶瓷。结果显示不含铁的陶瓷硬度为3.0 GPa，以Fe-ACP（AIC010）为原料烧结的陶瓷硬度达到4.0 GPa，高于人牙釉质硬度（2.7 GPa-3.7 GPa）。但过量的铁元素会导致烧结陶瓷硬度下降（2.3 GPa）（图6a,b）。对烧结陶瓷表面形貌进行观察发现，以AIC000和AIC004为原料的陶瓷表面呈现出许多微纳孔（图6c,d），而以AIC010和AIC004为原料烧结的陶瓷表面更加致密（图6e,f）。

    综上所述，研究者制备了高稳定性的非晶磷酸钙铁颗粒，并对其在生物医用领域的潜在应用进行了探索。该研究对于理解自然界中含铁磷酸钙矿物的形成和矿化过程具有重要意义，也为新型高性能生物陶瓷材料的开发提供了新的可能。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301422