Sono-syntese af nano-hydroxyapatit

Hydroxyapatit (HA eller HAp) er en meget besøgt bioaktiv keramik til medicinske formål på grund af dens lignende struktur som knoglemateriale. Den ultralydassisterede syntese (sono-syntese) af hydroxyapatit er en vellykket teknik til at producere nanostruktureret HAp ved højeste kvalitetsstandarder. Ultralydsruten gør det muligt at producere nanokrystallinsk HAp såvel som modificerede partikler, f.eks. kerne-skal nanosfærer og kompositter.

Sono-syntese

En ultralydsbehandling af gyllen resulterer i meget fine partikler med jævn fordeling, så der skabes flere kimdannelsessteder til nedbør.
HAp-partikler syntetiseret under ultralydbehandling viser et nedsat niveau af agglomeration. Den lavere tendens til agglomerering af ultralydsyntetiseret HAp blev bekræftet f.eks. af FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) analyse af Poinern et al. (2009).

Ultralyd hjælper og fremmer kemiske reaktioner ved ultralydskavitation og dens fysiske virkninger, der direkte påvirker partikelmorfologi i vækstfasen. De vigtigste fordele ved ultralydbehandling, der resulterer i fremstilling af superfine reaktionsblandinger, er

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

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

Ultralydsreduceret og dispergeret calcium-hydroxyapatit

Trin i nano-HAP-syntese:

En 40 ml opløsning af 0,32 M Ca(NO₃)₂ · 4 timer₂O blev tilberedt i et lille bægerglas. Opløsningens pH blev derefter justeret til 9,0 med ca. 2,5 ml NH₄NÅ. Opløsningen blev sonikeret med UP50H ved 100 % amplitudeindstilling i 1 time.
Ved slutningen af den første time en 60 ml opløsning på 0,19 M [KH₂PO₄] blev derefter langsomt tilsat dråbe i den første opløsning, mens den gennemgik en anden times ultralydsbestråling. Under blandingsprocessen blev pH-værdien kontrolleret og opretholdt på 9, mens Ca/P-forholdet blev opretholdt på 1,67. Opløsningen blev derefter filtreret ved hjælp af centrifugering (~2000 g), hvorefter det resulterende hvide bundfald blev proportioneret til et antal prøver til varmebehandling.
Tilstedeværelsen af ultralyd i synteseproceduren før den termiske behandling har en betydelig indflydelse på dannelsen af de indledende nano-HAP-partikelforløbere. Dette skyldes, at partikelstørrelsen er relateret til kimdannelse og materialets vækstmønster, hvilket igen er relateret til graden af overmætning i væskefasen.
Derudover kan både partikelstørrelsen og dens morfologi påvirkes direkte under denne synteseproces. Effekten af at øge ultralydseffekten fra 0 til 50W viste, at det var muligt at reducere partikelstørrelsen før termisk behandling.
Den stigende ultralydseffekt, der blev brugt til at bestråle væsken, indikerede, at der blev produceret et større antal bobler/kavitationer. Dette producerede igen flere kimdannelsessteder, og som følge heraf er de partikler, der dannes omkring disse steder, mindre. Desuden viser partikler, der udsættes for længere perioder med ultralydsbestråling, mindre agglomeration. Efterfølgende FESEM-data har bekræftet den reducerede partikelagglomeration, når ultralyd anvendes under synteseprocessen.
Nano-HAp-partikler i nanometerstørrelsesområdet og sfærisk morfologi blev fremstillet ved hjælp af en våd kemisk udfældningsteknik i nærvær af ultralyd. Det blev fundet, at den krystallinske struktur og morfologi af de resulterende nano-HAP-pulvere var afhængig af ultralydsbestrålingskildens kraft og den efterfølgende termiske behandling, der blev anvendt. Det var tydeligt, at tilstedeværelsen af ultralyd i synteseprocessen fremmede de kemiske reaktioner og fysiske virkninger, der efterfølgende producerede de ultrafine nano-HAp-pulvere efter termisk behandling.

HAp-syntese via ultralyd Sol-Gel rute

Ultralydassisteret sol-gel-rute til syntese af nanostrukturerede HAp-partikler:
Materiale:
– reaktanter: Calciumnitrat Ca(NO₃)₂, di-ammoniumhydrogenphosphat (NH₄)₂HPO₄, Natriumhydroxyd NaOH;
– 25 ml reagensglas

1. Opløs Ca(NO₃)₂ og (NH₄)₂HPO₄ i destilleret vand (molært forhold calcium til fosfor: 1,67)
2. Tilføj 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 timer i en elektrisk ovn.
• Efter reaktionen kan krystallinsk HAp høstes 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 viser høj krystallinitet. Forskellig morfologi kan observeres afhængigt af sonikeringstiden. Længere sonikering kan føre til ensartede HAp-nanostænger med et højt billedformat og ultrahøj krystallinitet. [jf. Manafi et al. 2008]

Ændring af HAp

På grund af dets skørhed er anvendelsen af ren HAp begrænset. I materialeforskning er der gjort mange bestræbelser på at modificere HAp af polymerer, da den naturlige knogle er en komposit, der hovedsageligt består af nano-størrelse, nålelignende HAp-krystaller (tegner sig for ca. 65 vægt% af knoglen). Den ultralydassisterede modifikation af HAp og syntese af kompositter med forbedrede materialeegenskaber giver mange muligheder (se et par 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 for at mindske den cytotoksiske effekt. Til deagglomerering af sølvnanopartiklerne og til deres sedimentering på hydroxyapatiten er en Hielscher UP400S blev brugt.

En opsætning af magnetisk omrører og ultralydsapparat UP400S blev brugt til det sølvbelagte Hap-præparat [Ignatev et al 2013]

Vores kraftfulde ultralydsenheder er pålidelige værktøjer til behandling af partikler i submikron- og nanostørrelsesområdet. Uanset om du ønsker at syntetisere, sprede eller funktionalisere partikler i små rør til forskningsformål, eller du har brug for at behandle store mængder nanopulveropslæmninger til kommerciel produktion – Hielscher tilbyder den passende ultralydsapparat til dine behov!