羟基磷灰石比表面积 - 被忽视的属性 2
文摘
科学
2024-10-18 12:51
上海
之前的文章中，我们曾经介绍过羟基磷灰石的一个核心特性 - 比表面积（点击阅读：吐了！羟基磷灰石助铁人完成三项？）。比表面积是吸附类材料的一个重要特性，它决定了中空类物质的重要的吸附能力，对于植入类的羟基磷灰石微球，比表面积也会有诸多的影响。因此我们特意撰写此文，希望能带给制剂开发工程师们更多的思考。测试 SSA 的方法通常是气体吸附法。根据气体在固体表面的吸附特性，在一定压力下，被测样品颗粒（吸附剂）表面在超低温下对气体分子（吸附质）具有可逆物理吸附作用，并对应一定压力存在确定的平衡吸附量。通过测定出该平衡吸附量，利用理论模型来等效求出样品的比表面积。粉体的比表面积（Specific Surface Area，SSA）是一个重要的物理性质，它是指每单位质量的粉体所具有的表面积总和（m2/g）。比表面积的大小与粉体的颗粒尺寸、形状、孔隙率等因素有关。一般来说，颗粒越小、孔隙率越高，比表面积就越大。- 颗粒大小是影响氧化物粉体比表面积的最直接因素。在相同质量下，颗粒越小，其比表面积就越大。这是因为小颗粒具有更多的表面原子或分子，从而增加了整个粉体的表面积；
- 颗粒形状也对氧化物粉体的比表面积有显著影响。在所有几何形状中，球形具有最小的面积/体积比，而具有复杂形状（如片状、针状等）的颗粒则具有更大的比表面积。这是因为复杂形状的颗粒在相同体积下能够暴露更多的表面积；
- 孔隙率是氧化物粉体中孔隙体积与总体积之比。孔隙率越高，粉体中的孔隙就越多，这些孔隙的存在增加了粉体的表面积。因此，高孔隙率的氧化物粉体通常具有更大的比表面积。孔隙率的调控可以通过改变制备工艺中的某些参数来实现，如调整反应温度、时间、压力等。
对于中空材料而言，由于外表面积相对内表面积而言很小，基本可以忽略不计，因此比表面积通常指“内表面积”。不同固体物质比表面积差别很大，通常用作吸附剂、脱水剂和催化剂的固体物质比表面积较大。比如氧化铝比表面通常在100－400m2/g，分子筛300-2000m2/g，活性碳可达1000m2/g以上。
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多孔的羟基磷灰石 SSA 大约在 30-40m2/g，实心的羟基磷灰石 SSA甚至可以低于1m2/g，例如上图， Merz Biomaterial（Radiesse®️ 的生产商）提供的羟基磷灰石微球为实心球，它的比表面积小于 0.10m2/g。
制备方法是影响粉体比表面积的关键因素之一。不同的制备方法会导致粉体颗粒的大小、形状和孔隙率等性质的差异，从而影响其比表面积。对于羟基磷灰石微球来说，越高的比表面积代表了越多的孔隙，也就是同样体积的微球，它的重量越小。那么比表面积会如何影响羟基磷灰石微球进入体内后的表现呢？
根据前文的描述，相同尺寸、孔隙率的羟基磷灰石微球，如果一个微球A的比表面积高于另一个微球B，那么很可能是因为微球 A 由更多纳米颗粒组成，微观下，微球 A 更加的“粗糙”，所以才会有更多的表面分子和原子暴露在外，增加其比表面积的读数，而这些纳米颗粒也许是有害的。当前，国际学术界关于纳米材料的安全性评价研究处于快速发展中，但均认为在含有纳米材料的医疗器械进入市场前，对其中所含纳米材料的安全性进行评估研究是必要的。纳米材料的特殊结构可突破传统的吸收途径和吸收方式，因此其在理化性质、药理学、毒理学、代谢动力学等方面可能表现出新的特性。感兴趣的读者可以阅读：https://www.horiba.com/chn/science-in-action/should-you-be-worried-about-nanotoxicity/
另一方面，孔隙率越高的微球，也许会更容易使得细胞黏附（可以把微孔想象成细胞的攀附点），这也是为何 3D 细胞培养都会采用粗糙的微球或者载片。 值得注意的是，当微球孔隙太小，细胞是无法进入微球颗粒内部的，即仅在表面黏附，有效的黏附面积不足。这也是为何用于骨修复的羟基磷灰石材质通常都是孔隙较高的颗粒（比如用贝壳或珊瑚来源的羟基磷灰石）。同理，我们可以合成细胞无法进入但易于在表面黏附的微球，这样既可以使得成纤维细胞容易通过机械转导力增加其生物活性，同时也可以避免成骨细胞的进入而导致意料之外的骨增生。
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此外，比表面积也会影响羟基磷灰石的钙释放。有研究表明，羟基磷灰石的比表面积对钙离子的释放有显著的影响（如上图）。在比表面积为240 m2/g，平均纳米颗粒尺寸为9 nm的羟基磷灰石晶体中（Type 1），观察到最高浓度的钙离子约为18 mg/L。随着比表面积的减少（Type 1 到 Type 6，这些型号的比表面积如下图），释放到PBS中的钙离子量减少。与Type 1 羟基磷灰石相比，即使是略大的2型和3型，也观察到溶解度和相关钙离子释放的显著减少。对于4-6型纳米颗粒，仅观察到少量钙离子的释放，范围从2.3 mg/L到4.1 mg/L。因此，似乎可以将4型纳米颗粒的尺寸和比表面积（SSA 为108m2/g）作为阈值，超过这个阈值，钙离子的释放量便不再与尺寸和比表面积显著相关。还有研究表明，高比表面积的羟基磷灰石纳米颗粒可以促进颗粒吸附更多的蛋白，从而提升与细胞的相互作用，进一步影响活性氧（ROS）的释放，结果就是导致了更高的细胞毒性。这里应该注意，ROS 只是细胞毒性的一个可能性因素，过多的钙离子、纳米颗粒的释放导致的穿透细胞膜，都可能是细胞毒性的因素。我们认为，比表面积增加可导致纳米颗粒产生活性，产生释放钙离子的倾向，使颗粒的稳定性降低，可视为一种生物活性。从比表面积来看，如下图所示，在183-240m2/g范围内的纳米颗粒中观察到钙离子浓度的显著差异。
在纳米技术领域，材料的化学组成是恒定的，但颗粒或材料的晶粒尺寸是可变的。比表面积定义为物质单位质量的外部表面积。这个比率取决于尺寸和形状参数；固体越小，形状越接近针棒状，比表面积就越大。在纳米颗粒中，大量的原子位于表面，因此与大颗粒相比，它们的自由能更高。
将比表面积视为关键参数，是因为纳米颗粒的尺寸很难用电子显微镜和XRD方法来确定，特别是对于复杂形状和存在尺寸丰度差异的情况。适当的钙磷稳态对正常骨功能至关重要。对于重度骨缺损患者，钙离子释放不足可能导致骨组织再生非常缓慢，因此最佳的比表面积应在180m²/g到200m²/g之间。在这一范围内，羟基磷灰石纳米颗粒的长径比降低到稳定水平，同时钙离子释放保持在较高水平。如果使用羟基磷灰石纳米颗粒作为骨修复材料，就有必要找到最佳的钙离子释放程度，再结合比表面积对钙离子释放的影响因素，反推计算出合适的比表面积，使钙信号加强诱导基因表达朝向骨组织再生。对于医美植入来说，钙离子的释放会对面部组织造成极大的影响，例如结节、钙沉积、皮肤硬化等等。我们在选择羟基磷灰石原料时应非常注意这一点，实心微球在生产时由于高温煅烧的作用下，纳米颗粒会彼此融合，其结晶度会变得更高，微球表面变得更光滑，比表面积自然就最低。然而这类微球虽然会有最低的钙离子释放，但由于其代谢非常缓慢，也会带来其他的困扰。另一方面，在不造成钙沉积的前提下，微量的钙离子释放事实上可以促进皮肤的修复。在表皮中，钙离子浓度呈现从基底层到角质层逐渐升高的“T”型梯度分布。这种特殊的浓度梯度分布是调控皮肤表皮细胞、屏障功能的重要因素。钙离子对表皮的影响作用很多，今天不多做赘述，在未来的文章中我们会更详细地介绍。需要注意的是，上文中的比表面积检测方法需要非常深入和系统性的研究，因为目前很多检测方法有可能存在极大的误差，从而干扰我们研究的结果和做出错误的预期。想了解更多计算 SSA 的读者，可以参考 10.1021/ja071174k 或者：http://www.cailiaoniu.com/30113.html，我们这里不过多赘述。
未来我们会继续分享羟基磷灰石及其在医美、环保、涂料、再生医学等多个领域的创新应用，以及这类微球作为注射材料的新思考、新灵感。请持续关注Herostem Lab汇融实验室及其下属单位BETAGENE Genetic贝融生物的研发进展。
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