Nano-hidroksiapatitin sonosintezi

Hidroksiapatit (HA və ya HAp) sümük materialına oxşar quruluşuna görə tibbi məqsədlər üçün çox geniş istifadə olunan bioaktiv keramikadır. Hidroksiapatitin ultrasəs dəstəkli sintezi (sonosintezi) ən yüksək keyfiyyət standartlarına uyğun nanostrukturlu HAp istehsalı üçün uğurlu üsuldur. Ultrasəs üsulu nanokristallik HAp, eləcə də modifikasiya olunmuş hissəciklər, məsələn, nüvə–qabıq nanosferləri və kompozitlər istehsal etməyə imkan verir.

Hidroksiapatit: çoxməqsədli mineral

Hidroksilapatit və ya hidroksiapatit (HAp, həmçinin HA) kalsium apatitinin təbiətdə rast gəlinən mineral formasıdır və onun formulu Ca₅(PO₄)₃(OH)-dır. Kristalın elementar qəfəsinin iki vahiddən ibarət olduğunu göstərmək üçün formula adətən belə yazılır: Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Hidroksilapatit mürəkkəb apatit qrupunun hidroksilli son üzvüdür. OH- ionu flüorid, xlorid və ya karbonatla əvəz oluna bilər və nəticədə flüorapatit və ya xlorapatit əmələ gəlir. O, heksaqonal kristal sistemində kristallaşır. HAp sümük materialı kimi tanınır, çünki sümüyün 50 wt%-ə qədəri hidroksiapatitin modifikasiya olunmuş formasıdır.
Tibbdə nanostrukturlu məsaməli HAp süni sümük tətbiqləri üçün maraqlı materialdır. Sümüklə təmasda yaxşı biouyğunluğuna və sümük materialına oxşar kimyəvi tərkibinə görə məsaməli HAp keramikası sümük toxumasının regenerasiyası, hüceyrə proliferasiyası və dərmanların çatdırılması daxil olmaqla biotibbi tətbiqlərdə olduqca geniş istifadə olunur.
„Sümük toxuması mühəndisliyində o, sümük qüsurlarının doldurulması və sümük həcminin artırılması üçün doldurucu material, süni sümük transplantatı materialı kimi və protezlərin reviziya əməliyyatlarında tətbiq edilmişdir. Onun böyük səth sahəsi əla osteokonduktivliyə və rezorbsiya qabiliyyətinə səbəb olaraq sümük toxumasının materialın daxilinə sürətlə böyüməsini təmin edir.” [Soypan et al. 2007] Buna görə də bir çox müasir implant hidroksilapatitlə örtülür.
Mikrokristallik hidroksilapatitin digər perspektivli tətbiqi onun kalsiumla müqayisədə daha üstün sorulmaya malik, “sümük əmələ gətirən” əlavə kimi istifadəsidir.
Sümük və dişlər üçün bərpa materialı kimi istifadəsi ilə yanaşı, HAp katalizdə, gübrə istehsalında, əczaçılıq məhsullarının tərkib hissəsi kimi, zülal xromatoqrafiyasında və suyun təmizlənməsi proseslərində də tətbiq olunur.

Yüksək güclü ultrasəs: təsirləri və nəticələri

Ultrasəslə emal maye mühitə ötürülən akustik sahədən istifadə olunan proses kimi təsvir edilir. Ultrasəs dalğaları mayedə yayılır və növbələşən yüksək təzyiq/aşağı təzyiq dövrləri (sıxılma və seyrəkləşmə) yaradır. Seyrəkləşmə mərhələsində mayedə kiçik vakuum qabarcıqları və ya boşluqlar əmələ gəlir; onlar bir neçə yüksək təzyiq/aşağı təzyiq dövrü ərzində, qabarcıq daha çox enerji uda bilməyənədək böyüyür. Bu mərhələdə qabarcıqlar sıxılma fazası zamanı şiddətlə içəriyə doğru çökür. Belə qabarcıq çökməsi zamanı zərbə dalğaları, yüksək temperatur (təqr. 5.000K) və təzyiq (təqr. 2.000atm) şəklində böyük miqdarda enerji ayrılır. Bundan əlavə, bu „qaynar nöqtələr” çox yüksək soyuma sürətləri ilə xarakterizə olunur. Qabarcığın içəriyə doğru çökməsi həmçinin sürəti 280m/s-ə qədər olan maye şırnaqları yaradır. Bu hadisə kavitasiya adlanır.
Kavitasiya qabarcıqlarının çökməsi zamanı yaranan bu ifrat qüvvələr ultrasəslə emal olunan mühitdə yayıldıqda hissəciklərə və damcılara təsir edir – nəticədə hissəciklər bir-biri ilə toqquşur və bərk maddə parçalanır. Beləliklə, üyütmə, deaqlomerasiya və dispersləşdirmə yolu ilə hissəcik ölçüsünün kiçildilməsi əldə olunur. Hissəciklər submikron və nanoölçüyə qədər kiçildilə bilər.
Mexaniki təsirlərlə yanaşı, güclü ultrasəslə emal sərbəst radikallar yarada, molekulları kəsici qüvvələrin təsiri ilə parçalaya və hissəciklərin səthlərini aktivləşdirə bilər. Bu hadisələr sonokimya kimi tanınır.

Sonosintez

Suspenziyanın ultrasəslə emalı bərabər paylanmış çox incə hissəciklərin yaranmasına səbəb olur və beləliklə, çökdürmə üçün daha çox nüvələşmə mərkəzi əmələ gəlir.
Ultrasəslə sintez olunmuş HAp hissəciklərində aqlomerasiya səviyyəsi azalır. Ultrasəslə sintez olunmuş HAp-nin aqlomerasiyaya daha az meyilli olduğu, məsələn, Poinern və b. (2009) tərəfindən aparılan FESEM (sahə emissiyalı skanedici elektron mikroskopiyası) təhlili ilə təsdiqlənmişdir.

Ultrasəs kavitasiya və onun böyümə mərhələsində hissəciklərin morfologiyasına birbaşa təsir edən fiziki təsirləri vasitəsilə kimyəvi reaksiyalara kömək edir və onları sürətləndirir. Son dərəcə incə reaksiya qarışıqlarının hazırlanmasını təmin edən ultrasəslə emalın əsas üstünlükləri bunlardır:

1) reaksiya sürətinin artması,
2) emal müddətinin azalması
3) enerjidən səmərəli istifadənin ümumilikdə yaxşılaşması.

Poinern və b. (2011) əsas reagentlər kimi kalsium nitrat tetrahidratdan (Ca[NO3]2 · 4H2O) və kalium dihidrogen fosfatdan (KH2PO4) istifadə edən yaş kimyəvi üsul işləyib hazırlamışlar. Sintez zamanı pH dəyərinə nəzarət etmək üçün ammonium hidroksid (NH4OH) əlavə edilmişdir.
İstifadə olunan ultrasəs prosessoru UP50H (50 W, 30 kHz, 7 mm diametrli MS7 sonotrodu) olmuşdur; bu cihaz Hielscher Ultrasonics tərəfindən istehsal edilmişdir.

Ultrasəslə dispersləşdirilmiş kalsium hidroksiapatit

Ultrasəslə ölçüsü kiçildilmiş və dispersləşdirilmiş kalsium hidroksiapatit

Nano-HAP sintezinin mərhələləri:

Kiçik bir kimyəvi stəkanda 40 mL həcmində 0,32M Ca(NO₃)₂ · 4H₂O məhlulu hazırlanmışdır. Sonra məhlulun pH dəyəri 9,0-a tənzimlənmişdir; bunun üçün təxminən 2,5mL NH₄OH-dan istifadə edilmişdir. Məhlulun ultrasəslə emalı üçün UP50H cihazından 100% amplituda parametrində 1 saat istifadə edilmişdir.
Birinci saatın sonunda 60 mL həcmində 0,19M [KH₂PO₄] məhlulu, ultrasəs şüalandırmasının ikinci saatı davam edərkən, birinci məhlula yavaş-yavaş damcı ilə əlavə edilmişdir. Qarışdırma zamanı pH dəyəri yoxlanılmış və 9 səviyyəsində saxlanılmış, Ca/P nisbəti isə 1,67 səviyyəsində saxlanılmışdır. Sonra məhlul sentrifuqalama (~2000 g) vasitəsilə süzülmüş və alınan ağ çöküntü istilik emalı üçün bir neçə nümunəyə bölünmüşdür.
İstilik emalından əvvəl sintez prosedurunda ultrasəsin mövcudluğu ilkin nano-HAP hissəcik prekursorlarının əmələ gəlməsinə əhəmiyyətli təsir göstərir. Bunun səbəbi hissəcik ölçüsünün nüvələşmə və materialın böyümə xarakteri ilə əlaqəli olmasıdır; bunlar isə öz növbəsində maye fazadakı ifrat doyma dərəcəsi ilə əlaqəlidir.
Bundan əlavə, bu sintez prosesi zamanı həm hissəcik ölçüsünə, həm də onun morfologiyasına birbaşa təsir etmək mümkündür. Ultrasəs gücünün 0-dan 50W-a artırılmasının təsiri istilik emalından əvvəl hissəcik ölçüsünü kiçiltməyin mümkün olduğunu göstərmişdir.
Mayenin şüalandırılması üçün istifadə olunan ultrasəs gücünün artırılması daha çox qabarcığın/kavitasiya hadisəsinin yarandığını göstərmişdir. Bu, öz növbəsində, daha çox nüvələşmə mərkəzi yaratmış və nəticədə bu mərkəzlərin ətrafında əmələ gələn hissəciklər daha kiçik olmuşdur. Bundan əlavə, daha uzun müddət ultrasəs şüalandırmasına məruz qalan hissəciklərdə aqlomerasiya daha az olur. Sonrakı FESEM məlumatları sintez prosesində ultrasəsdən istifadə edildikdə hissəcik aqlomerasiyasının azaldığını təsdiqləmişdir.
Ultrasəsin iştirakı ilə yaş kimyəvi çökdürmə üsulundan istifadə olunaraq nanometr ölçü diapazonunda və sferik morfologiyaya malik nano-HAp hissəcikləri istehsal edilmişdir. Alınan nano-HAP tozlarının kristal quruluşunun və morfologiyasının ultrasəs şüalandırma mənbəyinin gücündən və sonrakı istilik emalından asılı olduğu müəyyən edilmişdir. Aydın olmuşdur ki, sintez prosesində ultrasəsin mövcudluğu kimyəvi reaksiyaları və fiziki təsirləri gücləndirmiş, bunlar isə sonradan istilik emalından sonra son dərəcə incə nano- HAp tozlarının yaranmasını təmin etmişdir.

Şüşə axın hüceyrəsi ilə fasiləsiz ultrasəslə emal

Ultrasəs reaktor kamerasında ultrasəslə emal

Hielscher Ultrasonics Dərman Kimyası üzrə 7-ci Beynəlxalq Elektron Konfransa qürurla sponsorluq edir. Təqdimatlar və iştirak haqqında ətraflı məlumat almaq üçün buraya klikləyin!

Hidroksiapatit:

əsas qeyri-üzvi kalsium fosfat mineralı
yüksək biouyğunluq
yavaş bioloji parçalanma qabiliyyəti
osteokonduktiv
qeyri-toksik
qeyri-immunogen
polimerlər və/və ya şüşə ilə birləşdirilə bilər
digər molekulların absorbsiyası üçün yaxşı struktur matrisi
əla sümük əvəzedicisi

Ultrasəs homogenizatorları HAp kimi hissəciklərin sintezi və funksionallaşdırılması üçün güclü vasitələrdir

Zond tipli ultrasəs cihazı UP50H

Ultrasəs sol-gel üsulu ilə HAp sintezi

Nanostrukturlu HAp hissəciklərinin sintezi üçün ultrasəs dəstəkli sol-gel üsulu:
Material:
– reagentlər: kalsium nitrat Ca(NO₃)₂, diammonium hidrogen fosfat (NH₄)₂HPO₄, natrium hidroksid NaOH ;
– 25 ml sınaq şüşəsi

Aşağıdakıları həll edin: Ca(NO₃)₂ və (NH₄)₂HPO₄ – distillə edilmiş suda (kalsiumun fosfora molyar nisbəti: 1,67)
Məhlulun pH dəyərini təxminən 10 səviyyəsində saxlamaq üçün bir qədər NaOH əlavə edin.
Ultrasəslə emal üçün istifadə olunan cihaz: UP100H (MS10 sonotrodu, amplituda 100%)

Hidrotermal sintezlər elektrik sobasında 150°C-də 24 h ərzində aparılmışdır.
Reaksiyadan sonra kristallik HAp sentrifuqalama və deionlaşdırılmış su ilə yuma yolu ilə əldə edilə bilər.
Alınan HAp nanotozunun mikroskopiya (SEM, TEM,) və/və ya spektroskopiya (FT-IR) ilə təhlili. Sintez olunmuş HAp nanohissəcikləri yüksək kristallıq göstərir. Ultrasəslə emal müddətindən asılı olaraq müxtəlif morfologiyalar müşahidə oluna bilər. Daha uzun ultrasəslə emal yüksək uzunluq/diametr nisbətinə və son dərəcə yüksək kristallığa malik eynicinsli HAp nanoçubuqlarının yaranmasına səbəb ola bilər. [müq. Manafi və b. 2008]

HAp-nin modifikasiyası

Kövrəkliyinə görə saf HAp-nin tətbiqi məhduddur. Material tədqiqatlarında HAp-ni polimerlərlə modifikasiya etmək üçün çoxsaylı səylər göstərilmişdir, çünki təbii sümük əsasən nanoölçülü, iynəvari HAp kristallarından ibarət kompozitdir (sümüyün təxminən 65wt%-ni təşkil edir). HAp-nin ultrasəs dəstəkli modifikasiyası və təkmilləşdirilmiş material xüsusiyyətlərinə malik kompozitlərin sintezi çoxşaxəli imkanlar yaradır (aşağıdakı bir neçə nümunəyə baxın).

Praktik nümunələr:

Nano-HAp sintezi

Poinern və b. (2009) tərəfindən aparılan tədqiqatda Hielscher UP50H zond tipli ultrasəs cihazı HAp-nin sonosintezi üçün uğurla istifadə edilmişdir. Ultrasəs enerjisi artdıqca HAp kristallitlərinin hissəcik ölçüsü azalmışdır. Nanostrukturlu hidroksiapatit (HAp) ultrasəs dəstəkli yaş çökdürmə üsulu ilə hazırlanmışdır. Ca(NO₃) və KH₂₅PO₄ əsas material kimi istifadə edilmiş, NH₃ isə çökdürücü kimi istifadə edilmişdir. Ultrasəs şüalandırması altında hidrotermal çökdürmə nanometr ölçü diapazonunda (təqr. 30nm ± 5%) sferik morfologiyaya malik nanoölçülü HAp hissəciklərinin yaranması ilə nəticələnmişdir. Poinern və həmkarları sono-hidrotermal sintezin kommersiya istehsalına miqyaslandırılma imkanları yüksək olan qənaətli üsul olduğunu müəyyən etmişlər.

Jelatin-hidroksiapatitin (Gel-HAp) sintezi

Brundavanam və həmkarları mülayim ultrasəslə emal şəraitində jelatin–hidroksiapatit (Gel-HAp) kompozitini uğurla hazırlamışlar. Jelatin–hidroksiapatitin hazırlanması üçün 1g jelatin 40°C-də 1000mL MilliQ suyunda tam həll edilmişdir. Sonra hazırlanmış jelatin məhlulundan 2mL Ca2+/NH₃ qarışığına əlavə edilmişdir. Qarışığın ultrasəslə emalı üçün UP50H ultrasəs cihazından (50W, 30kHz) istifadə edilmişdir. Ultrasəslə emal zamanı 60mL həcmində 0,19M KH₂PO₄ qarışığa damcı ilə əlavə edilmişdir.
Bütün məhlul 1h ərzində ultrasəslə emal edilmişdir. pH dəyəri yoxlanılmış və bütün müddət ərzində pH 9 səviyyəsində saxlanılmış, Ca/P nisbəti isə 1,67-yə tənzimlənmişdir. Ağ çöküntünün süzülməsi sentrifuqalama ilə həyata keçirilmiş və nəticədə qatı suspenziya alınmışdır. Müxtəlif nümunələr borulu sobada 2h ərzində 100, 200, 300 və 400°C temperaturlarda istilik emalına məruz qoyulmuşdur. Beləliklə, dənəvər formada Gel–HAp tozu əldə edilmiş, bu toz incə toza qədər üyüdülmüş və XRD, FE-SEM və FT-IR ilə xarakterizə edilmişdir. Nəticələr göstərir ki, mülayim ultrasəslə emal və HAp-nin böyümə mərhələsində jelatinin mövcudluğu adheziyanın azalmasına kömək edir – bu da daha kiçik və müntəzəm sferik formalı Gel–HAp nanohissəciklərinin yaranması ilə nəticələnir. Mülayim ultrasəslə emal ultrasəs homogenləşdirmə təsirləri sayəsində nanoölçülü Gel–HAp hissəciklərinin sintezinə kömək edir. Jelatinin amid və karbonil qrupları sonradan böyümə mərhələsində sonokimyəvi dəstəkli qarşılıqlı təsir vasitəsilə HAp nanohissəciklərinə bağlanır.
[Brundavanam et al. 2011]

HAp-nin titan lövhəciklər üzərinə çökdürülməsi

Ozhukil Kollatha və b. (2013) Ti lövhələrini hidroksiapatitlə örtmüşlər. Çökdürmədən əvvəl HAp suspenziyası aşağıdakı cihazla homogenləşdirilmişdir: UP400S (H14 ultrasəs buynuzlu 400 vattlıq ultrasəs cihazı, 75% amplitudada ultrasəslə emal müddəti 40 san.).

Gümüşlə örtülmüş HAp

Ignatev və həmkarları (2013) antibakterial xüsusiyyətlərə malik HAp örtüyü əldə etmək və sitotoksik təsiri azaltmaq üçün gümüş nanohissəciklərinin (AgNp) HAp üzərinə çökdürüldüyü biosintetik üsul işləyib hazırlamışlar. Gümüş nanohissəciklərinin deaqlomerasiyası və hidroksiapatit üzərinə çökdürülməsi üçün Hielscher UP400S cihazından istifadə edilmişdir.

Maqnit qarışdırıcıdan və UP400S ultrasəs cihazından ibarət qurğu gümüşlə örtülmüş Hap hazırlanması üçün istifadə edilmişdir [Ignatev et al 2013]

Güclü ultrasəs cihazlarımız submikron və nanoölçü diapazonundakı hissəciklərin emalı üçün etibarlı vasitələrdir. İstər tədqiqat məqsədilə kiçik sınaq şüşələrində hissəcikləri sintez etmək, dispersləşdirmək və ya funksionallaşdırmaq istəyin, istərsə də kommersiya istehsalı üçün böyük həcmdə nanotoz suspenziyalarını emal etməyə ehtiyacınız olsun – Hielscher tələblərinizə uyğun ultrasəs cihazını təklif edir!

Ultrasəs homogenizatoru UP400S

Ədəbiyyat/İstinadlar

Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Durulaşdırılmış jelatinin nano-hidroksiapatitin ultrasəs və istilik dəstəkli sintezinə təsiri. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697–703.
Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Hidroksiapatit nanohissəciklərinin sintezi və xarakterizə edilməsi. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 322; 2008. 29–33.
Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Gümüş nanohissəcikli, plazma püskürtməsi ilə alınmış hidroksiapatit örtükləri. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20–29.
Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Ultrasəs şüalandırması altında poli(d,l-laktid-ko-qlikolid)/hidroksiapatit nüvə–qabıq nanosferlərinin idarə olunan yığılması. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Ultrasəs və püskürtmə ilə qurutma üsullarının birləşdirilməsi ilə iribuynuzlu mal-qara sümüyündən hidroksiapatitin hazırlanması. Kimya, Biokimya və Ətraf Mühit Elmləri üzrə Beynəlxalq Konfrans (ICBEE’2012) Singapore, December 14–15, 2012.
Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Yaş kimyəvi üsulla alınan nano-hidroksiapatitin kristallığına ultrasəsin təsiri. Ir J Pharma Sci 4/2; 2008. 163–168
Ozhukil Kollatha, V.; Chenc, Q.; Clossetb, R.; Luytena, J.; Trainab, K.; Mullensa, S.; Boccaccinic, A. R.; Clootsb, R. (2013): Hidroksiapatitin titan üzərinə dəyişən və sabit cərəyanla elektroforetik çökdürülməsinin müqayisəsi. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715–2721.
Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Potensial sərt toxuma mühəndisliyi tətbiqləri üçün 30 nm ölçülü hissəciklərə əsaslanan hidroksiapatit tozundan alınmış məsaməli keramikanın mexaniki xüsusiyyətləri. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278–286.
Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Nanometr ölçülü hidroksiapatit biokeramikasının əmələ gəlməsinə istilik və ultrasəsin təsiri. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Ultrasəs dəstəkli üsulla nano-hidroksiapatitin sintezi və xarakterizə edilməsi. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469– 474.
Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Süni sümük tətbiqləri üçün məsaməli hidroksiapatit. Science and Technology of Advanced Materials 8. 2007. 116.
Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Kimya Texnologiyası Ensiklopediyası; 4-cü nəşr. J. Wiley & Sons: New York, cild 26, 1998. 517–541.

Əlaqəli mövzular

UIP1500hd kimi laboratoriya masası üzərində istifadə və istehsal üçün nəzərdə tutulmuş ultrasəs cihazları tam sənaye səviyyəsini təmin edir.

Ultrasəs cihazı UIP1500hd axınlı reaktorla