Hielscher Ultrasonics
Biće nam drago da razgovaramo o vašem procesu.
Pozovite nas: +49 3328 437-420
Pošaljite nam mail: info@hielscher.com

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

Hidroksilapatit ili hidroksiapatit (HAp, također HA) je prirodni mineralni oblik kalcijum apatita formule Ca5(PO4)3(OH). Da bi se označilo da se kristalna jedinična ćelija sastoji od dva entiteta, obično se piše Ca10(PO4)6(OH)2. Hidroksilapatit je hidroksilni kraj kompleksne apatitne grupe. OH- jon se može zamijeniti fluorom, hloridom ili karbonatom, stvarajući fluorapatit ili hlorapatit. Kristalizira u heksagonalnom kristalnom sistemu. HAp je poznat kao koštani materijal jer je do 50 težinskih postotaka kosti modificirani oblik hidroksiapatita.
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

Sonikacija je opisana kao proces u kojem se koristi akustičko polje koje je spojeno na tekući medij. Ultrazvučni talasi se šire u tečnosti i proizvode naizmjenične cikluse visokog/niskog pritiska (kompresija i razrjeđivanje). Tokom faze razrjeđivanja pojavljuju se mali vakuumski mjehurići ili praznine u tečnosti, koje rastu tokom različitih ciklusa visokog/niskog pritiska sve dok mehur više ne može apsorbovati energiju. U ovoj fazi, mjehurići snažno implodiraju tokom faze kompresije. Prilikom takvog kolapsa mjehurića oslobađa se velika količina energije u obliku udarnih valova, visokih temperatura (cca. 5.000 K) i pritisaka (cca. 2.000 atm). Štaviše, ove „vruće tačke“ karakterišu veoma visoke stope hlađenja. Implozija mjehurića također rezultira mlazovima tekućine brzine do 280 m/s. Ovaj fenomen se naziva kavitacija.
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.

Ultrazvučno dispergovan kalcijum-hidroksiapatit

Ultrazvučno reduciran i dispergovan kalcijum-hidroksiapatit

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.

Kontinuirano ultrazvuk sa staklenom protočnom ćelijom

Sonikacija u ultrazvučnoj reaktorskoj komori

hidroksiapatit:

  • 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

Ultrazvučni homogenizatori su moćni alati za sintetizaciju i funkcionalizaciju čestica, kao što je HAp

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

  1. Otopiti Ca(NO3)2 i (NH4)2HPO4 u destilovanoj vodi (molarni odnos kalcijuma i fosfora: 1,67)
  2. Dodajte malo NaOH u otopinu da zadržite pH oko 10.
  3. 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

U studiji Poinern et al. (2009), Hielscher UP50H ultrasonikator tipa sonde uspješno je korišten za sono-sintezu HAp. Sa povećanjem energije ultrazvuka smanjila se veličina čestica kristalita HAp. Nanostrukturirani hidroksiapatit (HAp) je pripremljen ultrazvučnom tehnikom mokrog taloženja. Ca(BR3) i KH25PO4 werde se koristi kao glavni materijal i NH3 kao taložnik. Hidrotermalna precipitacija pod ultrazvučnim zračenjem rezultirala je HAp česticama nano veličine sa sfernom morfologijom u rasponu veličina nanometara (cca. 30nm ± 5%). Poinern i saradnici su otkrili da je sono-hidrotermalna sinteza ekonomski put sa snažnom sposobnošću povećanja do komercijalne proizvodnje.

Sinteza želantin-hidroksiapatita (Gel-HAp)

Brundavanam i saradnici su uspješno pripremili kompozit želantin-hidroksiapatit (Gel-HAp) pod blagim uvjetima sonikacije. Za pripremu želantin-hidroksiapatita, 1 g želatina je potpuno rastvoren u 1000 mL MilliQ vode na 40°C. Zatim je u Ca2+/NH dodato 2 mL pripremljenog rastvora želatine3 mješavina. Smjesa je sonicirana sa an UP50H ultrazvučni aparat (50W, 30kHz). Tokom sonikacije, 60mL 0,19M KH2PO4 ukapavanjem su dodavani u smjesu.
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

Ozhukil Kollatha i dr. (2013) obložili su Ti ploče hidroksiapatitom. Prije taloženja, suspenzija HAp je homogenizirana sa an UP400S (Ultrazvučni uređaj 400 vati sa ultrazvučnom sirenom H14, vrijeme obrade ultrazvukom 40 sek. pri 75% amplitude).

Silver Coated HAp

Ignatev i saradnici (2013) razvili su biosintetičku metodu u kojoj su nanočestice srebra (AgNp) deponovane na HAp kako bi se dobio HAp premaz s antibakterijskim svojstvima i kako bi se smanjio citotoksični učinak. Za deaglomeraciju srebrnih nanočestica i za njihovu sedimentaciju na hidroksiapatitu, Hielscher UP400S je korišten.

Ignatev i njegovi saradnici koristili su ultrazvučni uređaj tipa sonde UP400S za proizvodnju posrebrenog HAp-a.

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!

UP400S sa ultrazvučnim reaktorom

ultrazvučni homogenizator UP400S


Kontaktirajte nas / zatražite više informacija

Razgovarajte s nama o vašim zahtjevima obrade. Mi ćemo preporučiti najprikladnije parametre podešavanja i obrade za vaš projekat.





Molimo obratite pažnju na naše Politika privatnosti.


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 uređaji za sto i proizvodnju, kao što je UIP1500hd, pružaju punu industrijsku razinu.

Ultrazvučni uređaj UIP1500hd sa protočnim reaktorom

Biće nam drago da razgovaramo o vašem procesu.

Let's get in contact.