Соно-синтез на нано-хидроксиапатит
Хидроксиапатитът (HA или HAp) е силно посещавана биоактивна керамика за медицински цели поради сходната си структура с костния материал. Ултразвуковият синтез (соно-синтез) на хидроксиапатит е успешна техника за производство на наноструктуриран HAp при най-високи стандарти за качество. Ултразвуковият път позволява да се произвеждат нанокристални HAp, както и модифицирани частици, например наносфери с ядро-обвивка и композити.
Хидроксиапатит: универсален минерал
В медицината наноструктурираният порест HAp е интересен материал за приложение с изкуствена кост. Поради добрата си биосъвместимост при костен контакт и сходния си химичен състав с костния материал, порестата HAp керамика е намерила огромно приложение в биомедицински приложения, включително регенерация на костна тъкан, клетъчна пролиферация и доставка на лекарства.
"В инженерството на костната тъкан той се прилага като пълнеж за костни дефекти и аугментация, материал за изкуствена костна присадка и ревизионна хирургия на протеза. Високата му повърхност води до отлична остеопроводимост и резорбируемост, осигурявайки бързо врастване на костите." [Soypan et al. 2007] И така, много съвременни импланти са покрити с хидроксилапатит.
Друго обещаващо приложение на микрокристалния хидроксилапатит е използването му като “изграждане на кости” добавка с превъзходна абсорбция в сравнение с калция.
Освен използването му като възстановителен материал за кости и зъби, други приложения на HAp могат да бъдат намерени в катализата, производството на торове, като съединение във фармацевтичните продукти, в приложенията за протеинова хроматография и процесите на пречистване на водата.
Мощен ултразвук: ефекти и въздействие
Когато тези екстремни сили, които се генерират по време на колапса на кавитационните мехурчета, се разширяват в ултразвуковата среда, частиците и капчиците се засягат – което води до сблъсък между частиците, така че твърдото тяло се разпада. По този начин се постига намаляване на размера на частиците като смилане, деагломерация и дисперсия. Частиците могат да бъдат раздробени до субмикрон- и наноразмер.
Освен механичните ефекти, мощната ултразвук може да създаде свободни радикали, да срязва молекули и да активира повърхностите на частиците. Тези явления са известни като сонохимия.
Соно-синтез
Ултразвуковата обработка на суспензията води до много фини частици с равномерно разпределение, така че да се създадат повече места за нуклеация за утаяване.
HAp частиците, синтезирани под ултразвук, показват намалено ниво на агломерация. По-ниската тенденция към агломерация на ултразвуково синтезиран HAp е потвърдена например чрез FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) анализ на Poinern et al. (2009).
Ултразвукът подпомага и насърчава химичните реакции чрез ултразвукова кавитация и нейните физически ефекти, които пряко влияят върху морфологията на частиците по време на фазата на растеж. Основните предимства на ултразвука, водещ до приготвянето на свръхфини реакционни смеси, са
- 1) повишена скорост на реакция,
- 2) намалено време за обработка
- 3) цялостно подобряване на ефективното използване на енергията.
Poinern et al. (2011) разработиха мокър химичен път, който използва калциев нитрат тетрахидрат (Ca[NO3]2 · 4H2O) и калиев дихидроген фосфат (KH2PO4) като основни реагенти. За контрол на стойността на рН по време на синтеза се добавя амониев хидроксид (NH4OH).
Ултразвуковият процесор беше UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode с диаметър 7 mm) от Hielscher Ultrasonics.
Ултразвуково редуциран и диспергиран калциево-хидроксиапатит
Стъпки на нано-HAP синтеза:
40 ml разтвор от 0,32M Ca(NO3)2 · 4 часа2O беше приготвена в малка чаша. След това рН на разтвора се коригира до 9,0 с приблизително 2,5 ml NH4О. Решението беше озвучавано с UP50H при настройка на 100% амплитуда за 1 час.
В края на първия час 60 ml разтвор от 0,19M [KH2ОП4] след това бавно се добавя на капки в първия разтвор, докато се подлага на втори час ултразвуково облъчване. По време на процеса на смесване стойността на pH се проверява и поддържа на 9, докато съотношението Ca/P се поддържа на 1,67. След това разтворът се филтрира с помощта на центрофугиране (~2000 g), след което получената бяла утайка се разпределя в няколко проби за термична обработка.
Наличието на ултразвук в процедурата на синтез преди термичната обработка оказва значително влияние върху образуването на първоначалните прекурсори на нано-HAP частици. Това се дължи на размера на частиците, свързан с нуклеацията и модела на растеж на материала, което от своя страна е свързано със степента на супернасищане в течната фаза.
В допълнение, както размерът на частиците, така и нейната морфология могат да бъдат пряко повлияни по време на този процес на синтез. Ефектът от увеличаването на ултразвуковата мощност от 0 до 50W показва, че е възможно да се намали размерът на частиците преди термичната обработка.
Нарастващата ултразвукова мощност, използвана за облъчване на течността, показва, че се произвеждат по-голям брой мехурчета/кавитации. Това от своя страна създава повече места за нуклеация и в резултат на това частиците, образувани около тези места, са по-малки. Освен това частиците, изложени на по-дълги периоди на ултразвуково облъчване, показват по-малко агломерация. Последващите данни на FESEM потвърждават намалената агломерация на частиците, когато се използва ултразвук по време на процеса на синтез.
Нано-HAp частиците в нанометровия диапазон на размерите и сферичната морфология са произведени с помощта на техника на мокро химическо утаяване в присъствието на ултразвук. Установено е, че кристалната структура и морфологията на получените нано-HAP прахове зависят от мощността на ултразвуковия източник на облъчване и последващата използвана термична обработка. Очевидно е, че наличието на ултразвук в процеса на синтез насърчава химичните реакции и физичните ефекти, които впоследствие произвеждат ултрафините нано-HAp прахове след термична обработка.
Соникация в ултразвукова реакторна камера
- Основен неорганичен калциев фосфат минерал
- висока биосъвместимост
- бавна биоразградимост
- остеопроводящ
- Нетоксичен
- неимуногенен
- може да се комбинира с полимери и/или стъкло
- Матрица с добра абсорбционна структура за други молекули
- отличен заместител на костите
ултразвуков звук тип сонда UP50H
HAp синтез чрез ултразвуков сол-гел път
Ултразвуково асистиран сол-гел път за синтез на наноструктурирани HAp частици:
Материал:
– реагенти: Калциев нитрат Ca(NO)3)2, ди-амониев хидроген фосфат (NH4)2HPO4, Натриев хидроксид NaOH ;
– 25 мл епруветка
- Разтваряне Ca(NO3)2 и (NH4)2HPO4 в дестилирана вода (моларно съотношение калций към фосфор: 1,67)
- Добавете малко NaOH към разтвора, за да запазите рН около 10.
- Ултразвукова обработка с UP100H (сонотроде MS10, амплитуда 100%)
- Хидротермалните синтези се провеждат при 150°C в продължение на 24 часа в електрическа фурна.
- След реакцията кристалният HAp може да бъде събран чрез центрофугиране и измиване с дейонизирана вода.
- Анализ на получения HAp нанопрах чрез микроскопия (SEM, TEM,) и/или спектроскопия (FT-IR). Синтезираните HAp наночастици показват висока кристалност. Може да се наблюдава различна морфология в зависимост от времето на ултразвук. По-дългата ултразвук може да доведе до равномерни HAp нанопръчки с високо съотношение на страните и свръхвисока кристалност. [ср. Manafi et al. 2008]
Модификация на HAp
Поради крехкостта си, прилагането на чист HAp е ограничено. В изследването на материалите са положени много усилия за модифициране на HAp чрез полимери, тъй като естествената кост е композит, състоящ се главно от наноразмерни, игловидни HAp кристали (представляват около 65wt% от костта). Ултразвуковата модификация на HAp и синтезът на композити с подобрени характеристики на материала предлага многобройни възможности (вижте няколко примера по-долу).
Практически примери:
Синтез на нано-HAp
Синтез на гелантин-хидроксиапатит (Gel-HAp)
Целият разтвор беше ултразвук за 1 час. Стойността на рН се проверява и поддържа на рН 9 през цялото време и съотношението Ca/P се коригира на 1,67. Филтрирането на бялата утайка се постига чрез центрофугиране, което води до гъста каша. Различни проби са термично обработени в тръбна пещ в продължение на 2 часа при температури 100, 200, 300 и 400°C. По този начин се получава Gel-HAp прах в гранулирана форма, който се смила до фин прах и се характеризира с XRD, FE-SEM и FT-IR. Резултатите показват, че лекият ултразвук и наличието на желатин по време на фазата на растеж на HAp насърчават по-ниската адхезия – като по този начин водят до по-малка и образуваща правилна сферична форма на наночастиците Gel-HAp. Леката ултразвук подпомага синтеза на наноразмерни Gel-HAp частици поради ултразвукови хомогенизиращи ефекти. Амидните и карбонилните видове от желатина впоследствие се прикрепят към HAp наночастиците по време на фазата на растеж чрез сонохимично подпомагано взаимодействие.
[Brundavanam et al. 2011]
Отлагане на HAp върху титанови тромбоцити
HAp със сребърно покритие
Настройка на магнитна бъркалка и ултразвук UP400S е използван за сребърния препарат на Hap [Ignatev et al 2013]
Нашите мощни ултразвукови устройства са надеждни инструменти за третиране на частици в диапазона на субмикрони и наноразмери. Независимо дали искате да синтезирате, диспергирате или функционализирате частици в малки епруветки за изследователска цел или трябва да третирате големи обеми нано-прахообразни суспензии за търговско производство – Hielscher предлага подходящия ултразвук за вашите изисквания!
Ултразвуков хомогенизатор UP400S
Литература/Препратки
- Брундаванам, Р. К.; Джинаг, З.-Т., Чапман, П.; Le, X.-T.; Мондинос, Н.; Фосет, Д.; Poinern, G. E. J. (2011): Ефект на разредения желатин върху ултразвуковия термично подпомаган синтез на нано хидроксиапатит. Ултрасон. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Дженгиз, Б.; Гьокче, Й.; Йълдъз, Н.; Акташ, З.; Калимли, А. (2008): Синтез и характеризиране на наночастици от хидрояпатит. Колоиди и повърхности А: Физикохимия. Инж. Аспекти 322; 2008. 29-33.
- Игнатев, М.; Рибак, Т.; Colonges, G.; Шарф, У.; Марке, С. (2013): Плазмено пръскани хидроксиапатитови покрития със сребърни наночастици. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
- Jevtića, M.; Радулович, А.; Игнятовича, Н.; Митричб, М.; Ускокович, Д. (2009): Контролирано сглобяване на поли(d,l-лактид-ко-гликолид)/ хидроксиапатит ядро-обвивка наносфери при ултразвуково облъчване. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
- Кусрини, Е.; Пуджиастути, А. Р.; Астутинингси, С.; Harjanto, S. (2012): Получаване на хидроксиапатит от говежди кости чрез комбинирани методи на ултразвуково и спрей сушене. Международна конференция по химични, биохимични и екологични науки (ICBEE'2012) Сингапур, 14-15 декември 2012 г.
- , С.; Badiee, S.H. (2008): Ефект на ултразвука върху кристалността на нано-хидроксиапатит чрез мокър химичен метод. Ir J Pharma Sci 4/2; 2008. 163-168
- Ожукил Коллата, В.; Ченк, К.; Клосетб, Р.; Луйтена, Дж.; Трейнаб, К.; Мъленса, С.; Бокачиник, А. Р.; Clootsb, R. (2013): AC срещу DC електрофоретично отлагане на хидроксиапатит върху титан. Вестник на Европейското керамично дружество 33; 2013. 2715–2721.
- Пойнерн, G.E.J.; Брундаванам, Р.К.; Тхи Ле, Х.; Фосет, Д. (2012): Механичните свойства на пореста керамика, получена от прах на основата на частици с размер 30 nm хидроксиапатит за потенциални инженерни приложения на твърди тъкани. Американски вестник за биомедицинско инженерство 2/6; 2012. 278-286.
- Пойнерн, G.J.E.; Брундаванам, Р.; Тхи Ле, Х.; Джорджевич, С.; Прокич, М.; Фосет, Д. (2011): Термично и ултразвуково влияние при образуването на биокерамика с хидроксиапатит в нанометров мащаб. Международно списание по наномедицина 6; 2011. 2083–2095.
- Пойнерн, G.J.E.; Брундаванам, Р.К.; Мондинос, Н.; Дзян, З.-Т. (2009): Синтез и характеризиране на нанохидроксиапатит с помощта на ултразвуков метод. Ултразвук Сонохимия, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Сойпан, И.; Мел, М.; Рамеш, С.; Khalid, K.A: (2007): Порест хидроксиапатит за приложения с изкуствена кост. Наука и технология на съвременните материали 8. 2007. 116.
- Съслик, К. С. (1998): Енциклопедия по химическа технология на Кърк-Отмер; 4-то издание Дж. & Синове: Ню Йорк, том 26, 1998. 517-541.
Ултразвуково устройство UIP1500hd с проточен реактор