参考文献：
S.V. Dorozhkin, M. Epple, Biological and Medical Significance of Calcium Phosphates, Angewandte Chemie International Edition. 41 (2002) 3130–3146. https://doi.org/10.1002/1521-3773(20020902)41:17%3C3130::AID-ANIE3130%3E3.0.CO;2-1.
摘要
哺乳动物硬组织（骨骼和牙齿）的无机部分由磷酸钙组成，主要是磷灰石结构。类似地，哺乳动物的大多数不希望的钙化（即由于各种疾病而出现的钙化）也含有磷酸钙。例如，动脉粥样硬化会导致由胆固醇与磷酸钙的固体复合物引起的血管阻塞。龋齿导致溶解性较差且较硬的磷灰石被较易溶解且较软的磷酸氢钙替代。骨质疏松症是骨骼的脱矿质。因此，从化学的角度来看，正常（骨骼和牙齿的形成和生长）和病理性（动脉粥样硬化和牙结石）钙化过程只是磷酸钙在体内的结晶。相似地，龋齿和骨质疏松可以认为是体内磷酸钙的溶解。另一方面，由于与生物钙化组织的化学相似性，所有磷酸钙都具有显着的生物相容性。这种特性在医学中广泛用于完全由磷酸钙制成或涂有磷酸钙的生物材料。例如，由磷酸钙制成的自凝骨水泥有助于骨骼修复，而覆盖有磷酸钙表面层的钛替代物则用于髋关节内置假体和牙齿替代物，以促进骨骼的生长，从而提高机械强度。
一、简介
磷酸钙是生物硬组织中最重要的无机成分。它们以碳酸羟基磷灰石 (hydroxyapatite, HA) 的形式存在于骨骼、牙齿和肌腱中，赋予这些器官稳定性、硬度和功能。磷酸钙晶体也存在于自然界中，作为相当大的矿床，在有时极端的压力和温度条件下生长多年。相比之下，生物形成的磷酸钙通常是在温和条件（环境压力，接近室温）下沉淀的纳米晶体。
生物体对矿物质的生物形成通常称为“生物矿化”。今天，已知有 60 多种矿物被有机体使用，例如用于保护（外壳）、工具（牙齿）、重力传感器（八角石或石柱）或骨骼。就绝对数量而言，磷酸钙与碳酸钙（$CaCO_3$）和二氧化硅（如硅酸$SiO_2 ⋅ n H_2O$）相比是次要的，两者都大量存在于海洋单细胞生物中。另一类非常重要的生物矿物质是氧化铁，例如存在于蜗牛牙齿或趋磁细菌中。脊椎动物（如人类）中磷酸钙的存在使其在生物医学中特别重要，因为许多疾病是由骨骼系统（即骨骼）或牙齿系统（牙齿）的不规则引起的。还必须强调的是，尽管在这些硬组织中存在磷酸钙对生存至关重要，但有时磷酸钙矿物质会在不希望的区域以不规则的方式结晶。这些现象被称为病理性结晶或异位矿化，其中动脉粥样硬化、结石形成或牙结石是突出的例子。
在此，我们概述了磷酸钙矿物质在生物体中的发生、形成和意义，特别强调了当前的生物医学问题。
二、地质和生物学起源
钙和磷是地球上广泛分布的元素。地球表层含有约 3.4 wt% 的钙和 0.10 wt% 的磷。这两种元素的氧化物结合或不结合水产生不同的磷酸钙。除非掺杂有色过渡金属离子（自然界中经常出现这种情况），否则所有的磷酸钙都是白色固体。大多数磷酸钙仅微溶于水，有些可以认为是不溶的，但都溶于酸。Ortho- ($PO_4^{3-} $)、pyro- ($P_2O_7^{4-} $) 和poly- ($(PO_3)_n^{n-}$) 磷酸盐可以在结构上加以区分。虽然焦磷酸钙出现在一些病理性钙化中，但这里只考虑正磷酸钙。它们是人体所有钙化组织的主要成分，而天然正磷酸钙是含磷肥料的来源。
在生物系统中，正磷酸钙作为正常（骨骼、牙齿、鱼釉质和某些种类的贝壳）和病理性（牙齿和泌尿系结石和结石、动脉粥样硬化病变）钙化的主要无机成分出现。从结构上讲，它们主要以结晶不良的非化学计量钠、镁和碳酸盐的 HA（通常称为“生物磷灰石”或 dahllite）的形式出现。人体骨骼的主要成分是正磷酸钙（≈50–60 wt%）、胶原蛋白（≈30–40 wt%）和水（≈10 wt%）。在对植入的磷酸钙生物材料与宿主骨之间界面的微观研究中，发现了与骨磷灰石相似的结晶不良的非化学计量碳酸磷灰石。
由于已知各种化学计量的磷酸钙，因此传统上引入缩写以区分不同的化合物。重要的参数是摩尔 Ca/P 比和溶解度。对于化学纯化合物，Ca/P 比率可以在 0.5–2.0 之间。通常，该比率越低，磷酸钙的酸性和水溶性越高。下面给出了所有正磷酸钙的简要描述。
| Ca/P ratio | Compound | Formula | Solubility at 25 °C, −log(Ksp) | Solubility at 37 °C, −log(Ksp) | pH stability range in aqueous solution at 25 °C |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.5 | monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) | $Ca(H_2PO_4)_2⋅H_2O$ | 1.14 | no data | 0.0–2.0 |
| 0.5 | monocalcium phosphate anhydrate (MCPA) | $Ca(H_2PO_4)2$ | 1.14 | no data | [d] |
| 1.0 | dicalcium phosphate dihydrate (DCPD, “brushite”) | $CaHPO_4⋅2 H_2O$ | 6.59 | 6.63 | 2.0–6.0 |
| 1.0 | dicalcium phosphate anhydrate (DCPA, “monetite”) | $CaHPO_4$ | 6.90 | 7.02 | [d] |
| 1.33 | octacalcium phosphate (OCP) | $Ca_8(HPO_4)_2(PO_4)_4⋅5 H_2O$ | 96.6 | 95.9 | 5.5–7.0 |
| 1.5 | α-tricalcium phosphate (α-TCP) | $α-Ca_3(PO_4)_2$ | 25.5 | 25.5 | [b] |
| 1.5 | β-tricalcium phosphate (β-TCP) | $β-Ca_3(PO_4)_2$ | 28.9 | 29.5 | [b] |
| 1.2–2.2 | amorphous calcium phosphate (ACP) | $Ca_x(PO_4)_y⋅n H_2O$ | [c] | [c] | [e] |
| 1.5–1.67 | calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) | $Ca_{10-x}(HPO_4)_x(PO_x)_{6-x}(OH)_{2-x} $(0<x<1) | ≈85.1 | ≈85.1 | 6.5–9.5 |
| 1.67 | hydroxyapatite (HA) | $Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2$ | 116.8 | 117.2 | 9.5–12 |
| 2.0 | tetracalcium phosphate (TTCP) | $Ca_4(PO_4)_2O$ | 38–44 | 37–42 | [b] |
- [a] 溶解度以给定分子式（不包括水合物水）的离子乘积的对数给出，浓度单位为 mol/L。[b] 这些化合物不能从水溶液中沉淀出来。[c] 无法精确测量。然而，报告了以下值：25.7±0.1 (pH 7.40)、29.9±0.1 (pH 6.00)、32.7±0.1 (pH 5.28)。[d] 在 100 °C 以上的温度下稳定。[e] 总是亚稳态的。沉淀物的组成取决于溶液的 pH 值和组成。
MCPM（磷酸一钙一水合物）是酸性和水溶性最强的磷酸钙化合物。它从通常用于工业生产含磷肥料（“三重过磷酸钙”）的强酸性溶液中沉淀出来。在高于 100 °C 的温度下，它会转化为 MCPA（无水磷酸二氢钙）。由于其较高的酸度和溶解度，MCPM 从未在生物钙化中发现。然而，MCPM在医学上用于一些磷酸钙骨水泥中。其他应用是作为发酵粉、食品和饮料的抗酸剂、酸化剂和矿物质补充剂。
MCPA 是 MCPM 的无水形式。它在与 MCPM 相似的条件下结晶，但温度高于 100 °C（例如来自化肥生产中的高度浓缩母液）。与MCPM一样，MCPA从不出现在钙化组织中，目前在医学上也没有应用；它主要用作肥料。
DCPD（磷酸氢钙二水合物）可以很容易地从水溶液中结晶出来。DCPD 在高于 80 °C 的温度下转化为无水磷酸二钙。DCPD 具有生物学重要性，因为它经常出现在病理性钙化中（牙结石、结晶尿、软骨钙质沉着症和泌尿系结石）。DCPD 已被提议作为骨矿化和牙釉质在酸中溶解（龋齿）的中间体。在外科手术中，DCPD 用于磷酸钙骨水泥中，并且，在牙科中，与含氟化合物（例如 NaF）一起用于牙膏中以防止龋齿。其他应用包括肥料、玻璃生产、食品中的钙补充剂和谷物中的矿物质补充剂。
DCPA（无水磷酸二钙）是 DCPD 的无水形式。DCPA 与 DCPD 一样，可以在 100 °C 的水溶液中结晶。与 DCPD 不同，DCPA 既不发生在正常钙化中，也不发生在病理性钙化中。它用于磷酸钙水泥和其他应用，如抛光剂、营养补充剂中钙和磷酸盐的来源、压片助剂和牙膏成分。
OCP（磷酸八钙）通常作为热力学更稳定的磷酸钙来自水溶液。OCP 由由水合层（水分子）隔开的磷灰石层（钙离子和磷酸根离子的原子排列类似于 HA）组成。OCP 具有重要的生物学意义，因为它是人类牙结石和泌尿结石的稳定成分之一。它在磷灰石生物矿物的体内形成中起重要作用。通过透射电子显微镜可以在许多生物磷灰石和一些合成沉淀的 HA 中看到“central OCP inclusion”（也称为“中央暗线”）尽管在血管钙化中未观察到 OCP，但强烈建议将其作为在天然和人工心脏瓣膜中发现的生物磷灰石的前体相。
β-TCP（β-磷酸三钙）是化学计量成分$Ca_3 (PO_4)^2$的“真正的正磷酸钙” 。它不能从溶液中沉淀出来，而只能通过煅烧来制备。在高于 1125 °C 的温度下，它转变为高温相 α-TCP。作为室温下的稳定相，β-TCP 在水中的溶解度低于 α-TCP。纯 β-TCP 不会出现在生物钙化中。仅在牙结石和泌尿系结石、龋齿、唾液结石、关节炎软骨中发现了称为“白硅石”的含镁形式，以及一些软组织沉积物。在生物医学中，β-TCP 用于磷酸钙骨水泥。与 HA 结合使用，β-TCP 用作“双相磷酸钙” (“BCP”)作为骨替代陶瓷。其他应用包括肥料、抛光和牙科粉末、瓷器、陶器、搪瓷和动物食品补充剂。
α-TCP（α-磷酸三钙）在室温下是一种亚稳态相，由β-TCP在1125°C以上制备而成。α-TCP 在水系统中比 β-TCP 更具反应性，并且可以水解成其他磷酸钙的混合物。它从不发生在生物钙化中，并且在磷酸钙骨水泥中的医学应用有限。α-TCP也用作肥料。
ACP（无定形磷酸钙）在水性体系中磷酸钙形成过程中经常作为过渡相遇到。通常，ACP 是从通过快速混合含有钙阳离子和磷酸根阴离子的溶液制备的过饱和溶液中沉淀出来的第一相。ACP 的化学成分很大程度上取决于溶液的 pH 值以及母液中钙离子和磷酸根离子的浓度。例如，ACP 相的 Ca/P 比范围为 1.18:1（在溶液 pH 6.6 下沉淀）到 1.53:1（在溶液 pH 11.7 下沉淀）甚至高达2.5:1 。
ACP的结构仍然不确定。ACP 的电子显微镜通常显示典型直径为 20-200 nm 的球形颗粒。然而，ACP 很可能具有磷灰石短程结构，但晶体尺寸非常小，以至于在 X 射线衍射实验中呈现为无定形（无相干 X 射线散射）。在生物学上，ACP（通常含有镁、碳酸盐和焦磷酸盐）存在于软组织病理性钙化（例如尿毒症患者的心脏瓣膜钙化）中。在医学上，ACP 有时用于磷酸钙骨水泥中。ACP 与聚合物的生物活性复合材料具有适用于牙科的特性和手术。
CDHA（缺钙羟基磷灰石）可以很容易地通过将含钙和磷酸盐的溶液同时加入沸水中，然后将悬浮液煮几个小时来制备。在此期间，最初沉淀的 OCP 或 ACP（这取决于溶液的 pH 值）转化为 CDHA。在加热到 700 °C 以上时，Ca/P=1.5:1 的干 CDHA 将转化为 β-TCP，而 1.5:1<Ca/P<1.67:1 的干 CDHA 将转化为 HA 和 β-TCP 的混合物（即上述双相磷酸钙，BCP)。
HA（羟基磷灰石）是所有正磷酸钙中最稳定且溶解度最低的。HA可以通过在pH>9下精确混合化学计量的含钙和磷酸盐溶液，然后在不含$CO_2$的气氛下煮沸几天、过滤和干燥，在水溶液中制备。HA 的微晶样品也可以通过其他磷酸钙（例如 MCPM、DCPA、DCPD、OCP）与 $CaO$、$Ca(OH)_2$或 $CaCO_3$在 1200 °C 以上的温度下，在等体积的水和氮气。HA的单晶可以通过水热合成来制备。
纯 HA 不会出现在生物系统中。然而，由于与骨骼和牙齿矿物质的化学相似性，HA 被广泛用作骨科（例如髋关节假体）和牙科植入物的涂层，还开发了含 HA 的水泥。由于与骨矿物质非常相似，HA 也用于蛋白质和其他生物化合物的液相色谱分析。
TTCP（磷酸四钙）是最基本的正磷酸钙。然而，其在水中的溶解度高于 HA。TTCP 不能从水溶液中沉淀出来，因此只能通过 1300 °C 以上的固态反应制备。TTCP在水溶液中不是很稳定；它会缓慢水解成 HA 和氢氧化钙。因此，在生物钙化中从未发现过 TTCP。在医学上，TTCP被广泛用于制备各种自凝性磷酸钙骨水泥。
三、生物矿化和生物硬组织
生物矿化（biomineralization）是无机矿物质在体内形成的过程。在人体中，所有正常和大多数病理性钙化都由磷酸钙组成。其他矿物质，例如碳酸钙（存在于软体动物贝壳、藻类、鱼类、海鞘和植物中）、草酸钙（存在于植物中）、$CaSO_4$（水母）、$SrSO_4$ （棘蛉属的单细胞海洋生物）、和 $BaSO_4$（藻类）、二氧化硅（海藻和植物）和氧化铁（在细菌、帽贝、石鳖或软体动物牙齿中）也存在于生物系统中，不过那是另一回事了。这里只讨论由磷酸钙组成的钙化组织的化学和结构特性。
骨
骨是存在于人体中的主要钙化物。它是身体的结构（机械）支撑，也是各种代谢功能所必需的钙离子和磷酸根离子的主要储存库。从化学角度看，骨是磷酸钙和胶原蛋白的复合材料。存在于骨骼中的生理液体起到增塑剂的作用。孔隙率是骨的一个重要特性，因为它允许体液和细胞进入骨组织的各个区域，同时也影响机械各向异性。
通常，骨骼由相对致密的外层（皮质或致密骨）组成，周围是密度较低的多孔组织（松质骨），其中充满称为骨髓的凝胶状组织。骨骼是一种高度复杂的材料，在不同的长度尺度上表现出强烈的层次结构。
在显微镜下，骨骼的组成成分是 80-100 nm 厚度和几到几十微米长度的矿化胶原原纤维。这些原纤维是生物磷灰石（即具有离子取代的CDHA）和I型胶原分子的复合物。骨中的生物磷灰石晶体始终呈片状（沿晶体学c轴伸长）且非常薄；2-4 nm。晶体以平行方式将自身插入胶原原纤维中，而后者是由胶原三螺旋自组装形成的。最近，通过 HA 沉淀在两亲性肽纳米纤维上成功模拟了这种最低级别的骨分层组织。然而，胶原蛋白和生物磷灰石晶体之间的界面仍然知之甚少。不知道为什么生物磷灰石的晶体是片状的。
通常，在骨形成过程中有一系列时间事件。第一阶段涉及原纤维的胶原蛋白 I 基质框架的合成和细胞外组装，然后是其矿化。生物磷灰石晶体以特定的晶体取向生长——晶体的c轴大致平行于它们所在的胶原原纤维的长轴。牙本质和牙釉质以及更原始的生物体也是如此。平行于有机骨架长轴的 CDHA 晶体取向可能是磷酸钙生物矿化过程的一般特征。
与其他矿化组织不同，骨骼不断经历所谓的“重塑”过程，因为它被称为破骨细胞的特殊细胞吸收，并由另一种称为成骨细胞的细胞在微妙的平衡中形成。骨质疏松症是骨吸收占主导地位的疾病，而在骨质疏松症中，相反的过程占主导地位。这就是为什么成熟的骨骼由非常复杂的骨骼“补丁”组合而成，每个“补丁”的结构和年龄都略有不同。
与布朗同时，由波斯纳领导的研究小组提出，ACP 是体内骨形成的最初沉淀阶段。这一结论是根据以下事实得出的：
- 当通过在体外 pH>8.5 的含有钙阳离子和磷酸根阴离子的水溶液中快速沉淀制备正磷酸钙时，出现的初始固相是无定形的。
- 成熟的骨矿物质是 ACP 和结晶不良的 CDHA 的混合物。
- 早期骨矿物质的结晶度低于成熟骨，这表明骨矿物质晶体形成后在成熟过程中经历了一些转变。
由于显而易见的原因，只有间接证据表明骨矿物质在体内晶体生长。对不同年龄动物骨骼的研究表明，随着年龄的增长，X射线衍射峰变得越来越尖锐，即结晶度和/或域尺寸增加。这种变化是各向异性发生的，也就是说，它在晶体学a轴 中比c轴更明显。除此之外，随着年龄的增长，骨矿物质中还会发生其他变化，例如钙含量的增加和 $HPO_4^{2-}$的减少。在大鼠和奶牛的衰老过程中，晶体大小和碳酸盐含量都会增加。从化学角度来看，这些变化表明结晶较差的 CDHA 缓慢转变为结晶较好的 HA。
目前关于骨形成是主动过程还是被动过程的问题存在争议。作为一个“主动过程”，人们描述了磷酸钙纳米晶体在成骨细胞空间受限的隔间内的组装，即在基质囊泡内。这些结构已通过透射电子显微镜发现，用于骨骼和牙齿的形成。“被动过程”一词源于观察到血清对于磷酸钙沉淀而言是过饱和的，因此矿化应该在合适的细胞核（即胶原原纤维上）自发发生。胶原原纤维具有特定的结构，其周期性为 67 nm，胶原分子末端之间有 35-40 nm 的间隙或孔洞，骨矿物质掺入矿化原纤维中。这些孔内的成核会导致离散晶体的大小与胶原原纤维中的成核腔有关。有人提出暂时缺乏特异性抑制剂会导致沉淀，从而调节这种物理化学骨形成。细胞是否会积极形成和沉积骨矿物质，或者抑制剂的系统性调节是否控制骨形成的问题仍然悬而未决。事实可能介于两者之间，也就是说，磷酸钙纳米晶体是在过饱和介质的细胞内形成的，并在最终沉积的胶原纤维附近排出。
四、磷酸钙被作为生物材料
磷酸钙具有优异的生物相容性，因此被广泛应用在生物材料中，特别是硬组织再生。在化学上，合成骨替代材料通常基于 HA、β-TCP 或 BCP（即 HA 和 β-TCP 的复合材料）。对理想替代品的要求通常是：
- 孔隙直径约为 100 μm 大小，以允许骨细胞向内生长
- 与骨组织形成相当的生物降解率（即几个月到大约两年），以及
- 足够的机械稳定性
HA 在生理条件下比 α- 和 β-TCP 更稳定，因为它具有较低的溶解度和较慢的再吸收动力学。高结晶度的煅烧HA植入物即使在植入数年后仍以几乎不变的形式存在于缺损中。
使用基于磷酸钙的骨水泥引入了治疗骨缺损的新概念。优点是水泥比以固体形式植入的陶瓷材料更能适应缺损几何形状。硬化后的磷酸钙结构和组成接近于骨矿物质。
金属上的磷酸钙涂层是一种改善界面处结合的方法。目前应用两种骨涂层方法：通过高温等离子喷涂应用熔融磷酸钙和从过饱和磷酸钙溶液中沉淀。从化学观点来看第一种方法非常粗糙。将固体磷酸钙注入等离子火焰中并引导至适当旋转的植入物以实现均匀涂层。这种极快的淬火导致在植入物表面形成磷酸钙混合物。在此过程之后，金属和磷酸钙牢固地结合在一起。第二种方法是将金属植入物浸入过饱和磷酸钙溶液中。经过适当的表面蚀刻后，金属和陶瓷之间会形成稳定的界面。该方法还允许对内表面进行涂层（难以用等离子喷涂）并将生物活性物质（例如蛋白质或抗生素）掺入涂层中。一个特殊情况是通过浸入模拟体液 (SBF) 中用仿生缺陷磷灰石进行表面涂层，该溶液含有几乎自然浓度的人体血浆无机离子。