Sonosyntese af nanohydroxyapatit

Hydroxyapatit (HA eller HAp) er en meget anvendt bioaktiv keramik til medicinske formål på grund af dens struktur, der ligner knoglematerialets. Ultralydsassisteret syntese (sonosyntese) af hydroxyapatit er en vellykket teknik til fremstilling af nanostruktureret HAp efter de højeste kvalitetsstandarder. Ultralydsmetoden gør det muligt at fremstille nanokrystallinsk HAp samt modificerede partikler, f.eks. kerne-skal-nanosfærer, og kompositter.

Sonosyntese

Ultralydsbehandling af opslæmningen resulterer i meget fine partikler med ensartet fordeling, så der dannes flere kimdannelsessteder til udfældning.
HAp-partikler syntetiseret under ultralydsbehandling udviser en lavere grad af agglomerering. Den lavere tendens til agglomerering af ultralydssyntetiseret HAp blev f.eks. bekræftet ved FESEM-analyse (feltemissions-scanningselektronmikroskopi) af Poinern et al. (2009).

Ultralyd understøtter og fremmer kemiske reaktioner gennem ultralydskavitation og dens fysiske virkninger, som direkte påvirker partikelmorfologien under vækstfasen. De vigtigste fordele ved ultralydsbehandling, der resulterer i fremstilling af superfine reaktionsblandinger, er

• 1) øget reaktionshastighed,
• 2) kortere behandlingstid
• 3) en samlet forbedring af den effektive energiudnyttelse.

Poinern et al. (2011) udviklede en vådkemisk metode, der anvender calciumnitrattetrahydrat (Ca[NO3]2 · 4H2O) og kaliumdihydrogenphosphat (KH2PO4) som hovedreaktanter. Til regulering af pH-værdien under syntesen blev der tilsat ammoniumhydroxid (NH4OH).
Ultralydsprocessoren var en UP50H (50 W, 30 kHz, sonotrode MS7 med en diameter på 7 mm) fra Hielscher Ultrasonics.

Calciumhydroxyapatit størrelsesreduceret og dispergeret ved hjælp af ultralyd

Trin i syntesen af nano-HAP:

En 40 mL opløsning af 0,32M Ca(NO₃)₂ · 4H₂O blev fremstillet i et lille bægerglas. Opløsningens pH blev derefter justeret til 9,0 med ca. 2,5mL NH₄OH. Opløsningen blev sonikeret med UP50H ved en amplitudeindstilling på 100% i 1 time.
Ved slutningen af den første time blev en 60 mL opløsning af 0,19M [KH₂PO₄] derefter langsomt tilsat dråbevis til den første opløsning, mens den gennemgik endnu en times ultralydsbestråling. Under blandingsprocessen blev pH-værdien kontrolleret og holdt på 9, mens Ca/P-forholdet blev holdt på 1,67. Opløsningen blev derefter filtreret ved hjælp af centrifugering (~2000 g), hvorefter det resulterende hvide bundfald blev fordelt på et antal prøver til varmebehandling.
Tilstedeværelsen af ultralyd i synteseproceduren før den termiske behandling har en betydelig indflydelse på dannelsen af de indledende prækursorer til nano-HAP-partikler. Dette skyldes, at partikelstørrelsen er relateret til kimdannelsen og materialets vækstmønster, som igen er relateret til graden af overmætning i væskefasen.
Desuden kan både partikelstørrelsen og morfologien påvirkes direkte under denne synteseproces. Virkningen af at øge ultralydseffekten fra 0 til 50W viste, at det var muligt at reducere partikelstørrelsen før termisk behandling.
Den stigende ultralydseffekt, der blev anvendt til at bestråle væsken, indikerede, at der blev dannet flere bobler/kavitationer. Dette skabte igen flere kimdannelsessteder, og som følge heraf er de partikler, der dannes omkring disse steder, mindre. Desuden udviser partikler, der udsættes for længere perioder med ultralydsbestråling, mindre agglomerering. Efterfølgende FESEM-data har bekræftet den reducerede partikelagglomerering, når ultralyd anvendes under synteseprocessen.
Nano-HAp-partikler i nanometerstørrelsesområdet og med sfærisk morfologi blev fremstillet ved hjælp af en vådkemisk udfældningsteknik i tilstedeværelse af ultralyd. Det blev konstateret, at krystalstrukturen og morfologien af de resulterende nano-HAP-pulvere afhang af ultralydsbestrålingskildens effekt og den efterfølgende termiske behandling. Det var tydeligt, at tilstedeværelsen af ultralyd i synteseprocessen fremmede de kemiske reaktioner og fysiske virkninger, der efterfølgende frembragte de ultrafine nano-HAp-pulvere efter termisk behandling.

HAp-syntese via en ultralydsbaseret sol-gel-metode

Ultralydsassisteret sol-gel-metode til syntese af nanostrukturerede HAp-partikler:
Materiale:
– reaktanter: calciumnitrat Ca(NO₃)₂, diammoniumhydrogenphosphat (NH₄)₂HPO₄, natriumhydroxid NaOH ;
– 25 ml reagensglas

1. Opløs Ca(NO₃)₂ og (NH₄)₂HPO₄ i destilleret vand (molforhold mellem calcium og phosphor: 1,67)
2. Tilsæt lidt NaOH til opløsningen for at holde dens pH omkring 10.
3. Ultralydsbehandling med en UP100H (sonotrode MS10, amplitude 100%)

• De hydrotermiske synteser blev udført ved 150°C i 24 h i en elektrisk ovn.
• Efter reaktionen kan krystallinsk HAp opsamles ved centrifugering og vask med deioniseret vand.
• Analyse af det opnåede HAp-nanopulver ved mikroskopi (SEM, TEM,) og/eller spektroskopi (FT-IR). De syntetiserede HAp-nanopartikler udviser høj krystallinitet. Forskellig morfologi kan observeres afhængigt af sonikeringstiden. Længere sonikering kan føre til ensartede HAp-nanostave med et højt længde-bredde-forhold og ultrahøj krystallinitet. [jf. Manafi et al. 2008]

Modifikation af HAp

På grund af sin skørhed er anvendelsen af rent HAp begrænset. Inden for materialeforskning er der gjort mange forsøg på at modificere HAp med polymerer, da naturlig knogle er en komposit, der hovedsageligt består af nålelignende HAp-krystaller i nanostørrelse (udgør ca. 65wt% af knogle). Ultralydsassisteret modifikation af HAp og syntese af kompositter med forbedrede materialeegenskaber giver mange muligheder (se nogle få eksempler nedenfor).

Praktiske eksempler:

Sølvbelagt HAp

Ignatev og medarbejdere (2013) udviklede en biosyntetisk metode, hvor sølvnanopartikler (AgNp) blev aflejret på HAp for at opnå en HAp-belægning med antibakterielle egenskaber og reducere den cytotoksiske virkning. Til deagglomerering af sølvnanopartiklerne og deres sedimentation på hydroxyapatitten blev en Hielscher UP400S anvendt.

En opstilling med magnetomrører og ultralydsapparatet UP400S blev anvendt til fremstilling af sølvbelagt Hap [Ignatev et al 2013]

Vores kraftige ultralydsapparater er pålidelige værktøjer til behandling af partikler i submikrometer- og nanostørrelsesområdet. Uanset om du ønsker at syntetisere, dispergere eller funktionalisere partikler i små rør til forskningsformål, eller du har behov for at behandle store volumener af nanopulveropslæmninger til kommerciel produktion – Hielscher tilbyder det ultralydsapparat, der passer til dine krav!