通过热控方法将丁香油引入具有抗菌功能的缺钙羟基磷灰石中

《Materials Chemistry and Physics》：Thermally controlled incorporation of clove oil into calcium-deficient hydroxyapatite with antibacterial activity

　　

贾斯蒂娜·卡西亚乌斯凯特|马布·埃尔谢赫|苏陈颖|莫妮卡·莫蒂默|卡琳·瓦尔姆森|齐维莱·斯坦克维丘特|方秀伟|艾瓦拉斯·卡雷瓦

立陶宛维尔纽斯大学化学研究所，Naugarduko 24号，03225维尔纽斯

摘要

将易挥发的、热不稳定的生物活性物质掺入多孔的缺钙羟基磷灰石（CDHA；Ca₉(HPO₄)(PO₄)₅OH）生物材料中存在一个设计上的难题：热处理虽然能提升生物材料的完整性，却可能使活性成分发生降解，从而丧失生物活性。在本研究中，以10%重量比的丁香油加入沉淀法制备的CDHA复合材料中，然后分别在70°C（CEO-70）和100°C（CEO-100）下进行热处理，以此探究这种利弊关系。通过布鲁内恩-埃米特-特勒法检测表面面积，发现100°C下处理的材料表面面积更高，为106.54平方米/克，而70°C下干燥处理的仅为10.75平方米/克。傅里叶变换红外光谱分析显示，100°C处理后与丁香油相关的振动峰强度显著降低，这表明那些对温度敏感的生物活性成分发生了部分损失或分解。相应地，抗菌试验表明，尽管70°C处理后的材料表面面积较低，但其抗菌效果更为优异。这些结果说明，在含有易挥发生物活性物质的体系中，较高的表面面积并不一定意味着更好的生物活性，同时也揭示了加工条件与材料功能之间的权衡关系。因此，温度成为控制羟基磷灰石基复合材料中材料结构优化与生物活性保持之间平衡的关键设计参数。

引言

骨骼是一种典型的纳米复合材料，约25%为蛋白质类有机物，其主要无机成分则是羟基磷灰石（CHA：Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂）[1,2]。值得注意的是，CHA的晶体结构在生物体内会不断发生变化。在天然骨组织中，矿化过程发生在低温的体液环境中，由于钙空位缺陷的存在，从而形成了缺钙羟基磷灰石（CDHA：Ca₉(HPO₄)(PO₄)₅OH）[3]。在CDHA形成过程中，周围溶液中的质子会与羟基和磷酸根反应，生成水以及氢磷酸根离子（HPO₄^2?）。这一过程促进了钙的沉淀，并在晶体结构中形成钙空位。为了保持电荷中性，钙空位随后会被附近的H₂O和HPO₄^2?离子填补，最终在骨组织中形成CDHA [4]。在CDHA溶液中，质子间的相互作用会生成水（H₂O）和氢磷酸根离子（HPO₄^2?），从而导致pH值下降，钙磷比也相应发生变化[5,6]。鉴于其钙含量和结晶度与人类骨骼和牙齿相似，CDHA受到了广泛关注[7]。它的高溶解度和离子释放特性使其成为药物递送和骨再生领域的理想材料[8]。

在再生医学领域，实现快速、有效且安全的组织修复仍然是一项重大挑战，尤其是在那些细胞再生对于恢复功能至关重要的不良临床环境中。这一挑战促使人们探索各种创新的治疗方法，包括开发能与细胞刺激技术相结合的生物活性材料，以此增强机体自身的愈合能力[9,10]。多种生物材料被用作支持骨再生的支架。用于药物递送、组织工程和伤口愈合等生物医学领域的合成材料中，常常会用到氧化石墨烯。由于其巨大的表面积和出色的机械性能，氧化石墨烯被广泛应用于骨组织工程领域[11]。理想的支架应具备相互连通的多孔结构、可控的生物降解性、与天然骨骼相似的机械性能以及优异的生物相容性。此外，适当大小的孔隙对于促进细胞增殖和营养物质的有效扩散也非常重要。支架的孔隙率对于调控细胞粘附、生长、血管生成、营养物质输送以及细胞活动的其他关键方面起着重要作用[[12], [13], [14], [15]]。将CHA或CDHA这类无机材料与聚合物材料结合使用，主要可以提升植入物的生物相容性和机械性能。尽管CHA的机械性能相对较弱，但它仍可作为骨组织工程中的复合成分[16,17]。研究表明，添加壳聚糖、透明质酸、胶原蛋白和角蛋白等天然聚合物，能够改善支架与细胞之间的相互作用[18]。

从丁香属植物中提取的丁香精油，被视为一种极具潜力的材料，可用于构建CDHA结构，进而形成无机-有机混合材料。丁香属于桃金娘科植物，其精油含量极高，约占其重量的15%至20%[19,20]。丁香精油富含酚类化合物，具有多种生物活性，包括抗菌、抗真菌、杀虫和抗氧化作用[[20], [21], [22]]。美国食品药品监督管理局已将其认定为安全物质[23]。丁香是一种属于桃金娘科的芳香树木，因其含有大量丁香酚而备受工业界重视，丁香酚是一种苯丙素类化合物，在制药、化妆品和食品工业中有着广泛的用途[24]。marshmallow油与丁香油的混合物显示出一定的药理作用，但它们的治疗效果受到溶解度低、生物利用度低以及易受pH值、温度和光线影响的限制[25,26]。此外，丁香油还被广泛用于牙科领域，作为一种天然的镇痛剂。其丰富的生物活性成分，尤其是丁香酚，为其多样的治疗应用奠定了基础[19,27]。有研究指出丁香油具有治疗龋齿的潜力[28]。尽管已有许多研究探讨了含有精油的CHA基复合材料[29,30]，但关于CDHA-丁香油复合材料的报道却相对较少，尤其是关于热处理对其形态结构和抗菌性能影响的研究更为缺乏。温度处理在有机化合物与无机基质之间的相互作用中起着重要作用，可能会影响丁香油等生物活性物质的效力。因此，本研究通过比较两种不同温度下的热处理方式（70°C和100°C），且在两种条件下丁香油的浓度保持一致，以此来探究这种利弊关系，将温度作为核心设计变量。

我们通过沉淀反应合成了含有CDHA和丁香油的新型复合材料。通过对这些复合材料的化学成分、结构形态以及抗菌性能进行系统分析，评估了它们在医学和牙科领域的应用潜力。

章节节选

合成方法

本研究以四水合硝酸钙（Ca(NO₃)₂?4H₂O，纯度98.0%，Showa公司生产）和二铵氢磷酸盐（(NH₄)₂HPO₄，纯度98.0%，Showa公司生产）分别作为钙离子和磷离子的来源。在磁力搅拌器上，将3.1703克的四水合硝酸钙溶解在45毫升蒸馏水中，得到溶液I。接着，将1.0616克的二铵氢磷酸盐溶解在20毫升蒸馏水中，得到溶液II。向溶液I中加入25%的氨水（NH₃(aq.)，Fisher Scientific公司产品），将溶液的pH值维持在10.5左右，随后继续搅拌

结果与讨论

图2展示了通过沉淀法合成的CDHA以及含有丁香油的复合材料的XRD图谱。

从衍射图谱可以看出，这些材料的峰形较宽且强度较低，这说明它们的结晶度较低。所有样品在2θ值为25.85°、31.79°、32.78°和33.95°处都出现了特征性的衍射峰，这些峰位与标准JCPDS文件编号00-046-0905中所记载的CDHA的(002)、(211)、(300)和(202)晶面相对应[32]。这些

结论

本研究成功合成了含有丁香油的缺钙羟基磷灰石复合材料，并系统研究了温和热处理对其结构及抗菌性能的影响。傅里叶变换红外光谱和热重分析结果表明，与100°C下处理相比，70°C下干燥处理能使更多丁香油保留在CDHA基质中，而XRD分析则证实，所有样品中都保留了低结晶度的CDHA相

作者贡献说明

贾斯蒂娜·卡西亚乌斯凯特：撰写初稿、实验研究。马布·埃尔谢赫：撰写初稿、数据整理。苏陈颖：项目管理、方法设计。莫妮卡·莫蒂默：撰写初稿、方法设计。卡琳·瓦尔姆森：结果可视化、实验研究。齐维莱·斯坦克维丘特：项目监督、项目管理。方秀伟：项目监督、资金筹集。艾瓦拉斯·卡雷瓦：文章审阅与编辑、撰写初稿、项目监督。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。