作者简介

朱英杰 研究员（中国科学院上海硅酸盐研究所）

博士，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员、博士研究生导师。已在国际学术期刊发表SCI论文400余篇，多篇论文入选“ESI高被引论文”、“封面论文”等，论文被引用约2.5万次，单篇论文最高被引1235次，H-index为83；2014年至2025年连续12次入选Elsevier发布的“中国高被引学者榜”。出版1本英文专著和7本英文专著章节。申请发明专利90项，获授权发明专利73项，其中1项美国专利获授权。

主要研究领域：纳米生物材料、新型耐火纸。

文章导读

羟基磷灰石作为人体骨和牙齿的主要无机成分，具有优异的生物相容性和生物活性，是一种重要的无机生物材料，其被广泛应用于生物医学领域。传统羟基磷灰石材料的合成采用磷酸盐作为磷源，由于钙离子和磷酸根离子以自由离子的形式存在于反应溶液中，容易发生快速化学反应，晶体成核和生长速率快，因而产物的结构、形貌和尺寸难以控制。羟基磷灰石超长纳米线具有超高长径比和优异的性能，例如高柔韧性、高生物相容性、生物活性和优异的力学性能，在多个领域具有良好的应用前景。

然而，羟基磷灰石超长纳米线的合成是一个挑战。近年来，中国科学院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员团队发展出油酸钙前驱体溶剂热法和油酸钙前驱体水热法，成功地制备出羟基磷灰石超长纳米线，但是这些制备方法采用无机磷酸盐作为磷源。该研究发展了一种环境友好、快速、高效的羟基磷灰石超长超细纳米线的合成方法，其采用高生物相容性的生物分子磷酸肌酸作为有机磷源、通过油酸钙前驱体微波辅助水热法实现羟基磷灰石超长超细纳米线的快速合成。得益于含磷生物分子磷酸肌酸的可控水解以及微波高效快速加热特性，可在60分钟内快速合成出直径数纳米、长度数百微米、长径比>1万的羟基磷灰石超长超细纳米线。与传统水热法相比，该方法可有效缩短合成时间约2个数量级。羟基磷灰石超长超细纳米线在原位修饰生物活性磷酸肌酸，并沿其纵向方向在纳米尺度上自组装形成纳米线束。此外，羟基磷灰石超长超细纳米线表现出高比表面积，由其构建的柔性生物医用纸具有较高的药物装载能力，可在磷酸盐缓冲液中持续释放药物，该材料在组织再生、药物缓释等生物医学领域具有良好的应用前景。

研究背景

近年来，微波加热技术正逐渐成为一种用于快速高效加热的替代热源。与传统加热方法相比，微波加热所需的时间更短、反应速率更快、选择性和产率更高。因此，微波加热技术为在短时间内实现快速化学反应与材料制备提供了可能性。传统加热方式以小时甚至以天为计算单位，而微波快速加热所需时间通常以分钟为计算单位，可实现高效率、低成本、节省能源的目标 (Chemical Reviews, 2014, 114, 6462−6555)。相比之下，传统加热方式通常涉及对反应容器和反应物通过热对流及热传导方式进行由外到里的缓慢加热，达到目标温度所需时间显著延长，并且通常会导致整个反应体系内的热呈现不均匀梯度分布，反应效率较低，耗能较高。

另一方面，与无机磷源磷酸盐相比，生物分子磷源中的磷酸基团存在于生物分子中，反应体系中不存在自由的磷酸根离子，只有在特定的条件下生物分子磷源才能水解逐步释放出磷酸根离子，因此磷酸根离子的浓度可通过水解条件来进行调控，进而可调控晶体的成核、生长以及产物的结构、尺寸、形貌和自组装。该研究团队长期研究并发展了生物分子辅助合成磷酸钙纳米材料的方法，此前利用多种高生物相容性的含磷生物分子如三磷酸腺苷、1,6-二磷酸果糖、磷酸肌酸、胞苷-5’-磷酸、磷酸吡哆醛、核黄素磷酸钠等作为有机磷源，结合微波辅助水热法快速合成了多种磷酸钙纳米材料，并对其结构、形貌、尺寸和自组装进行调控 (Chemical Society Reviews, 2019, 48, 2698–2737)。本研究以含磷生物分子磷酸肌酸作为磷源、以油酸钙作为前驱体，利用磷酸肌酸可控水解和高生物相容性，结合微波快速均匀加热的优点，协同调控羟基磷灰石的成核与生长过程，制备出具有超细直径 (约6纳米)、长度达数百微米、长径比大于1万的羟基磷灰石超长超细纳米线。与传统颗粒、棒状或短纤维状羟基磷灰石材料不同，羟基磷灰石超长超细纳米线具有高柔韧性，可解决传统羟基磷灰石材料的高脆性难题，以其可以构建各种高性能柔性无机生物材料。

研究内容

• 羟基磷灰石超长超细纳米线的合成

磷酸肌酸生物分子由磷酸基团和肌酸组成。在常温下，磷酸肌酸不会水解释放磷酸根离子，这可以避免磷酸根离子与油酸钙前驱体过早反应形成磷酸钙晶核。在微波加热的过程中，反应体系的温度迅速升高，触发磷酸肌酸水解逐步释放出磷酸根离子，并促进磷酸根离子和钙离子反应形成磷酸钙晶核，引导其取向晶体生长，形成高柔性羟基磷灰石超长超细纳米线 (图1)。得益于微波均匀且快速加热的特点，整个反应过程可在60分钟内完成，与合成羟基磷灰石材料的传统水热法和溶剂热法比较，可缩短时间大约2个数量级，具有高效、快速、节能等优点。

图1. (a) 磷酸肌酸为磷源油酸钙前驱体微波辅助水热法快速合成羟基磷灰石超长超细纳米线示意图。(b) 磷酸肌酸的结构式。(c) 羟基磷灰石超长超细纳米线合成过程中涉及的化学反应方程式。

• 羟基磷灰石超长超细纳米线的结构、尺寸和形貌表征

X-射线粉末衍射分析结果显示，所制备的产物为六方结构羟基磷灰石。扫描电子显微照片和透射电子显微照片显示，羟基磷灰石超长超细纳米线的直径约为6 纳米，长度达数百微米，具有超高的长径比 (>1万)。在纳米尺度下，羟基磷灰石超长超细纳米线会自发沿其长轴方向有序自组装，形成直径为数十到数百纳米的纳米线束。与传统羟基磷灰石颗粒、棒和片不同，羟基磷灰石超长超细纳米线具有高柔韧性，在微观尺度下能够自然弯曲而不断裂，表现出“刚柔并济”的力学特性 (图2)，可解决传统羟基磷灰石材料的高脆性难题。

图2. 羟基磷灰石超长超细纳米线的扫描电子显微 (SEM) 照片 (a-d) 和透射电子显微 (TEM) 照片 (e，f)。

• 基于羟基磷灰石超长超细纳米线组装的柔性生物医用纸及其药物缓释性能

如图3所示，由于其超细的直径、超长的长度以及超高的长径比，所制备的羟基磷灰石超长超细纳米线具有高的比表面积，是理想的药物递送载体。以布洛芬为药物模型，羟基磷灰石超长超细纳米线具有较高的药物装载容量。进一步将负载布洛芬药物的羟基磷灰石超长超细纳米线通过真空抽滤技术组装，使纳米线之间相互交织形成多孔网络结构，获得装载药物的高柔性生物医用纸 (图3e)。该生物医用纸在磷酸盐缓冲液中能够缓慢释放布洛芬药物 (图3f)。因此，所制备的装载药物的高柔性生物医用纸在抗炎、镇痛、伤口愈合和骨缺损修复等生物医学领域具有良好的应用前景。

图3. (a，b) 羟基磷灰石超长超细纳米线负载布洛芬药物前后的热重 (TG) 曲线 (a) 和差示扫描量热 (DSC) 曲线 (b)。(c，d) 羟基磷灰石超长超细纳米线负载布洛芬药物前 (c) 和后 (d) 的氮气吸附/脱附曲线。(e) 扫描电子显微 (SEM) 照片显示由羟基磷灰石超长超细纳米线组装而成的生物医用纸具有多孔网络结构，插图展示该生物医用纸具有高柔韧性。(f) 装载药物的柔性羟基磷灰石超长超细纳米线生物医用纸在磷酸盐缓冲液 (PBS) 中的布洛芬药物释放曲线。

研究结论

本研究发展了油酸钙前驱体微波辅助水热法，以磷酸肌酸作为生物磷源，实现了柔性羟基磷灰石超长超细纳米线的快速合成。该方法具有环境友好、制备效率高、反应时间短、节省能源等优势。磷酸肌酸的可控水解可有效抑制磷酸钙的异常过早成核，而微波加热能快速均匀地提升反应体系的温度，促使磷酸肌酸水解逐步释放出游离的磷酸根离子，从而形成超细 (单根纳米线直径仅约6纳米)、超长 (数百微米) 且长径比极高 (>1万) 的纳米线，制备过程中微波加热保温时间仅需60分钟，较传统水热法时间缩短约2个数量级。羟基磷灰石超长超细纳米线可沿其纵向方向自组装形成纳米线束。此外，所制备的羟基磷灰石超长超细纳米线表现出较高的比表面积和药物装载能力。负载药物的羟基磷灰石超长超细纳米线可进一步组装成柔性多孔网络结构的生物医用纸，并能在磷酸盐缓冲液中持续释放药物，在生物医学领域具有良好的应用潜力。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/1420-3049/30/5/996

• Molecules 期刊介绍

主编：Thomas J. Schmidt, University of Münster, Germany

期刊发表化学各学科领域的基础、应用以及交叉学科研究的原创性、首创性成果，主题涵盖有机化学、无机化学、药物化学、材料化学、分析化学、应用化学、天然产物化学、食品化学、物理化学、生物化学、计算与理论化学、光电化学、交叉化学、绿色化学等。目前已被SCIE (Web of Science)、Scopus、PubMed、MEDLINE、PMC、DOAJ、CAplus/SciFinder等数据库收录。

2024 Impact Factor：4.6

2024 CiteScore：8.6

Time to First Decision：15.1 Days

Acceptance to Publication：2.6 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/molecules