Sono-sinteza nano-hidroksiapatita
Hidroksiapatit (HA ili HAp) je vrlo popularna bioaktivna keramika u medicinske svrhe zbog svoje strukture slične koštanom materijalu. Ultrazvučno potpomognuta sinteza (sono-sinteza) hidroksiapatita je uspješna tehnika za proizvodnju nanostrukturiranog HAp-a po najvišim standardima kvalitete. Ultrazvučni put omogućava proizvodnju nano-kristalnog HAp-a, kao i modificiranih čestica, npr. nanosfera jezgra-ljuska i kompozita.
Hidroksiapatit: svestran mineral
U medicini, nanostrukturirani porozni HAp je zanimljiv materijal za primjenu umjetne kosti. Zbog svoje dobre biokompatibilnosti u kontaktu s kostima i sličnog hemijskog sastava kao i koštani materijal, porozna HAp keramika je našla ogromnu upotrebu u biomedicinskim aplikacijama, uključujući regeneraciju koštanog tkiva, proliferaciju ćelija i isporuku lijekova.
„U inženjerstvu koštanog tkiva primijenjen je kao materijal za punjenje za koštane defekte i augmentaciju, materijal za umjetni koštani transplantat i hirurgiju revizije proteza. Njegova velika površina dovodi do odlične osteokonduktivnosti i resorptivnosti osiguravajući brzo urastanje kosti.“ [Soypan et al. 2007] Dakle, mnogi moderni implantati su obloženi hidroksilapatitom.
Još jedna obećavajuća primjena mikrokristalnog hidroksilapatita je njegova upotreba kao “izgradnju kostiju” suplement sa boljom apsorpcijom u odnosu na kalcijum.
Osim njegove upotrebe kao materijala za popravku kostiju i zuba, druge primjene HAp-a mogu se naći u katalizi, proizvodnji gnojiva, kao spoj u farmaceutskim proizvodima, u primjeni proteinske hromatografije i procesima obrade vode.
Snažni ultrazvuk: efekti i uticaj
Kada se ove ekstremne sile, koje nastaju tokom kolapsa kavitacionih mjehurića, prošire u soniciranom mediju, čestice i kapljice su pogođene – što dovodi do sudara između čestica tako da se čvrsta materija razbije. Time se postiže smanjenje veličine čestica kao što je mljevenje, deaglomeracija i disperzija. Čestice se mogu smanjiti na submikronsku i nano-veličinu.
Osim mehaničkih efekata, moćna sonikacija može stvoriti slobodne radikale, smične molekule i aktivirati površine čestica. Ovaj fenomen je poznat kao sonohemija.
sono-sinteza
Ultrazvučna obrada suspenzije rezultira vrlo finim česticama sa ravnomjernom distribucijom tako da se stvara više nukleacijskih mjesta za taloženje.
HAp čestice sintetizirane ultrazvučnom obradom pokazuju smanjeni nivo aglomeracije. Niža tendencija aglomeracije ultrazvučno sintetiziranog HAp-a potvrđena je npr. FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) analizom Poinern et al. (2009).
Ultrazvuk pomaže i promoviše hemijske reakcije ultrazvučnom kavitacijom i njenim fizičkim efektima koji direktno utiču na morfologiju čestica tokom faze rasta. Glavne prednosti ultrazvučne obrade koja rezultira pripremom superfinih reakcijskih smjesa su
- 1) povećana brzina reakcije,
- 2) skraćeno vrijeme obrade
- 3) opšte poboljšanje u efikasnom korišćenju energije.
Poinern et al. (2011) razvili su mokri hemijski put koji koristi kalcijum nitrat tetrahidrat (Ca[NO3]2 · 4H2O) i kalijum dihidrogen fosfat (KH2PO4) kao glavne reaktante. Za kontrolu pH vrijednosti tokom sinteze dodat je amonijum hidroksid (NH4OH).
Ultrazvučni procesor je bio UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode sa prečnikom 7 mm) od Hielscher Ultrasonics.
Koraci nano-HAP sinteze:
40 mL rastvora 0,32M Ca(NO3)2 · 4H2O je pripremljen u maloj čaši. pH rastvora je zatim podešen na 9,0 sa približno 2,5 mL NH4OH. Rešenje je sonicirano sa UP50H pri postavci amplitude od 100% tokom 1 sata.
Na kraju prvog sata 60 mL rastvora 0,19M [KH2PO4] je zatim polako ukapavan u prvu otopinu dok je bio podvrgnut ultrazvučnom zračenju drugog sata. Tokom procesa miješanja, pH vrijednost je provjerena i održavana na 9, dok je odnos Ca/P održavan na 1,67. Otopina je zatim filtrirana centrifugiranjem (~2000 g), nakon čega je nastali bijeli talog razdijeljen u više uzoraka za termičku obradu.
Prisustvo ultrazvuka u postupku sinteze prije termičke obrade ima značajan utjecaj na formiranje početnih prekursora nano-HAP čestica. To je zbog toga što je veličina čestica povezana sa nukleacijom i obrascem rasta materijala, što je zauzvrat povezano sa stepenom superzasićenosti unutar tečne faze.
Pored toga, i veličina čestica i njihova morfologija mogu biti pod direktnim uticajem tokom ovog procesa sinteze. Efekat povećanja snage ultrazvuka od 0 do 50W pokazao je da je moguće smanjiti veličinu čestica prije termičke obrade.
Povećana snaga ultrazvuka koja se koristi za ozračivanje tečnosti pokazala je da se stvara veći broj mjehurića/kavitacija. Ovo je zauzvrat proizvelo više mjesta nukleacije i kao rezultat toga čestice formirane oko ovih mjesta su manje. Nadalje, čestice izložene dužim periodima ultrazvučnog zračenja pokazuju manje aglomeracije. Naknadni FESEM podaci su potvrdili smanjenu aglomeraciju čestica kada se koristi ultrazvuk tokom procesa sinteze.
Nano-HAp čestice u rasponu nanometarskih veličina i sferne morfologije proizvedene su tehnikom mokre kemijske precipitacije uz prisustvo ultrazvuka. Utvrđeno je da kristalna struktura i morfologija rezultirajućih nano-HAP prahova ovisi o snazi izvora ultrazvučnog zračenja i naknadnom korištenom termičkom tretmanu. Bilo je evidentno da je prisustvo ultrazvuka u procesu sinteze potaknulo kemijske reakcije i fizičke efekte koji su potom proizveli ultrafine nano-HAp prahove nakon termičke obrade.
- glavni neorganski mineral kalcijum fosfata
- visoka biokompatibilnost
- spora biorazgradljivost
- osteokonduktivna
- netoksičan
- neimunogene
- može se kombinovati sa polimerima i/ili staklom
- dobra apsorpciona struktura matrice za druge molekule
- odlična zamjena za kosti

Ultrasonikator tipa sonde UP50H
HAp sinteza putem ultrazvučnog sol-gel puta
Ultrazvučno potpomognut sol-gel put za sintezu nanostrukturiranih HAp čestica:
Materijal:
– reaktanti: kalcijum nitrat Ca(NO3)2, di-amonijum hidrogen fosfat (NH4)2HPO4, Natrijum hidroksid NaOH ;
– 25 ml epruvete
- Otopiti Ca(NO3)2 i (NH4)2HPO4 u destilovanoj vodi (molarni odnos kalcijuma i fosfora: 1,67)
- Dodajte malo NaOH u otopinu da zadržite pH oko 10.
- Ultrazvučni tretman sa an UP100H (sonotroda MS10, amplituda 100%)
- Hidrotermalne sinteze su sprovedene na 150°C tokom 24 h u električnoj peći.
- Nakon reakcije, kristalni HAp se može sakupiti centrifugiranjem i ispiranjem deioniziranom vodom.
- Analiza dobijenog HAp nanopraha mikroskopijom (SEM, TEM) i/ili spektroskopijom (FT-IR). Sintetizirane HAp nanočestice pokazuju visoku kristalnost. Može se uočiti različita morfologija ovisno o vremenu obrade sonikacijom. Duža sonikacija može dovesti do ujednačenih HAp nanošipova s visokim omjerom i ultra visokom kristalinom. [cp. Manafi i dr. 2008]
Modifikacija HAp
Zbog svoje krhkosti, primjena čistog HAp-a je ograničena. U istraživanju materijala uloženo je mnogo napora da se HAp modificira polimerima jer je prirodna kost kompozit koji se uglavnom sastoji od kristala HAp nano veličine, igličastih (zahvaća oko 65 tež.% kosti). Ultrazvučno potpomognuta modifikacija HAp-a i sinteza kompozita sa poboljšanim karakteristikama materijala nudi mnogostruke mogućnosti (pogledajte nekoliko primjera u nastavku).
Praktični primjeri:
Sinteza nano-HAp
Sinteza želantin-hidroksiapatita (Gel-HAp)
Cijeli rastvor je sonikiran 1h. pH vrijednost je provjeravana i održavana na pH 9 cijelo vrijeme, a omjer Ca/P je podešen na 1,67. Filtracija bijelog taloga je postignuta centrifugiranjem, što je rezultiralo gustom suspenzijom. Različiti uzorci su termički obrađeni u cevnoj peći 2 sata na temperaturama od 100, 200, 300 i 400°C. Time je dobijen Gel–HAp prah u granuliranom obliku, koji je samljeven u fini prah i karakteriziran XRD, FE-SEM i FT-IR. Rezultati pokazuju da blaga ultrazvučna obrada i prisustvo želatine tokom faze rasta HAp-a pospješuju nižu adheziju – što rezultira manjim i formiranjem pravilnog sfernog oblika Gel-HAp nano-čestica. Blaga sonikacija pomaže u sintezi nano-veličinih Gel-HAp čestica zbog efekata ultrazvučne homogenizacije. Amidne i karbonilne vrste iz želatine se zatim vezuju za HAp nanočestice tokom faze rasta putem sonohemijski potpomognute interakcije.
[Brundavanam et al. 2011]
Depozicija HAp-a na titanijumskim trombocitima
Silver Coated HAp

Postavka magnetne mješalice i ultrazvučnog aparata UP400S korišćen je za preparat Hap presvučen srebrom [Ignatev et al 2013]
Naši moćni ultrazvučni uređaji su pouzdani alati za tretiranje čestica submikronskih i nano-veličina. Bilo da želite sintetizirati, dispergirati ili funkcionalizirati čestice u malim epruvetama u svrhu istraživanja ili trebate tretirati velike količine nano-praškaste kaše za komercijalnu proizvodnju – Hielscher nudi odgovarajući ultrasonikator za vaše zahtjeve!

ultrazvučni homogenizator UP400S
Literatura/Reference
- Brundavanam, RK; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, GEJ (2011): Učinak razrijeđene želatine na ultrazvučnu termički potpomognutu sintezu nano hidroksiapatita. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktaš, Z.; Calimli, A. (2008): Sinteza i karakterizacija hidrojapatitnih nanočestica. Koloidi i površine A: Physicochem. inž. Aspects 322; 2008. 29-33.
- Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Plazma raspršeni hidroksiapatitni premazi sa srebrnim nanočesticama. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
- Jevtića, M.; Radulović, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Kontrolirano sklapanje nanosfera poli(d,l-laktid-ko-glikolid)/hidroksiapatit jezgro–ljuska pod ultrazvučnim zračenjem. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
- Kusrini, E.; Pudjiastuti, AR; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Priprema hidroksiapatita iz goveđe kosti kombinovanim metodama ultrazvučnog i sušenja raspršivanjem. Intl. Konf. on Chemical, Bio-Chemical and Environmental Sciences (ICBEE'2012) Singapur, 14.-15. decembar 2012.
- Manafi, S.; Badiee, SH (2008): Efekat ultrazvuka na kristalnost nano-hidroksiapatita putem vlažne hemijske metode. Ir J Pharma Sci 4/2; 2008. 163-168
- Ozhukil Kollatha, V.; Chenc, Q.; Closetb, R.; Luytena, J.; Trainab, K.; Mullensa, S.; Boccaccinic, AR; Clootsb, R. (2013): AC vs. DC Elektroforetsko taloženje hidroksiapatita na titanijumu. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715–2721.
- Poinern, GEJ; Brundavanam, RK; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Mehanička svojstva porozne keramike izvedene iz praha hidroksiapatita na bazi čestica veličine 30 nm za potencijalne primjene u inženjerstvu tvrdih tkiva. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278-286.
- Poinern, GJE; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Đorđević, S.; Prokić, M.; Fawcett, D. (2011): Toplotni i ultrazvučni utjecaj u formiranju nanometarske hidroksiapatitne biokeramike. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, GJE; Brundavanam, RK; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Sinteza i karakterizacija nanohidroksiapatita uz pomoć ultrazvučne metode. Ultrasonics Sonochemistry, 16/4; 2009. 469-474.
- Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, KA: (2007): Porozni hidroksiapatit za primjenu umjetne kosti. Nauka i tehnologija naprednih materijala 8. 2007. 116.
- Suslick, KS (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sinovi: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.

Ultrazvučni uređaj UIP1500hd sa protočnim reaktorom