Hielscher Ultraschalltechnik

Sono-Synthese von Nano-Hydroxylapatit

Hydroxylapatit (HA oder HAp) ist häufig verwendete bioaktive Keramik, die sich aufgrund ihrer knochen-ähnlichen Struktur für medizinische Zwecke eignet. Die ultraschall-gestützte Synthese (Sono-Synthese) von Hydroxyapatit ist eine effektive Methode, um qualitativ hochwertiges, nanostrukturiertes HAp zu produzieren. Der sonochemische Syntheseweg erlaubt es, nano-kristallines HAp sowie modifizierte HAp-Partikel zu produzieren, z.B. Core-Shell-Nanosphären und Komposite.

Hydroxylapatit: Ein vielseitiges Mineral

Hydroxylapatit (HAp, auch HA) ist ein natürlich vorkommendes Mineral aus Calcium-Apatit mit der Formel Ca5(PO4)3(OH). Um anzuzeigen, dass die Kristall-Einheitszelle aus zwei Einheiten besteht, wird in der Regel Ca10(PO4)6(OH)2geschrieben. Hydroxylapatit ist das letzte Hydroxyl-Mineral in der komplexen Apatit-Gruppe. Die OH-Ionen können durch Fluorid, Chlorid oder Calciumcarbonat ersetzt werden, so dass Fluorapatit oder Chlorapatit entstehen. Es kristallisiert im hexagonalen Kristallsystem und entwickelt meist kurz- bis langprismatische Kristalle. HAp ist als Knochenmaterial bekannt, da bis zu 50% des Knochens aus einer modifizierten Hydroxylapatit-Form bestehen.
In der Medizin gilt nanostrukturiertes poröses HAp als interessantes Material für künstliche Knochen. Aufgrund seiner guten Biokompatibilität mit Knochenmaterial und aufgrund seiner ähnlichen chemischen Zusammensetzung findet poröse HAp Keramik zahlreiche Anwendungen im biomedizinischen Bereich, z.B. für die Regeneration von Knochengewebe,die Zellproliferation und den Drug-Delivery.
"In der Knochengewebezüchtung (Bone Tissue Engineering) wird es als Füllmaterial und Knochenaufbaumaterial bei Knochendefekten, Knochentransplantationen und Revisionsprothesen-Operationen eingesetzt. Die große Partikeloberfläche führt zu einer hervorragenden Osteokonduktivität, Resorbierbarkeit, so dass das Knochengewebe schnell zusammenwächst." [Soypan et al. 2007] Daher werden bereits die meisten modernen Implantate mit Hydroxylapatit beschichtet.
Eine weitere vielversprechende Anwendung von mikrokristallinem Hydroxylapatit ist seine Verwendung als „Knochen aufbauendes“ Nahrungsergänzungsmittel mit einer deutlich besseren Absorption im Vergleich zu Kalzium.
Neben seiner Verwendung als Reparatur- und Aufbaumaterial für Knochen und Zähne wird HAp u.a. auch für Katalyseprozesse, in der Düngemittelproduktion, als Verbundstoff in pharmazeutischen Produkten, in der Protein-Chromatographie und Wasseraufbereitungsprozessen eingesetzt.

Hochleistung-Ultraschall: Effekte und Wirkung

Die Beschallung mit Hochleistungsultraschall ist ein Prozess, bei dem ein akustisches Feld erzeugt wird, welches in ein flüssiges Medium gekoppelt wird. Die Ultraschallwellen erzeugen in der Flüssigkeit alternierene Hochdruck-/ Niederdruck-Zyklen (Kompression und Rarefaktion). Während der Rarefaktions-Phase entstehen kleine Vakuumblasen bzw. Hohlräume in der Flüssigkeit, die über mehrere Hochdruck-/Niederdruckzyklen anwachsen. Wenn die Vakuumblase zu einer Größe herangewachsen ist, bei der sie keine weitere Energie mehr absorbieren kann, implodiert sie während eines Hochdruckzyklusses. Bei einer solchen Blasenimplosion wird lokal hohe Energie in Form von Schockwellen, hohen Temperaturen (ca. 5000 K) und Drücken (ca. 2000atm) freigesetzt. Darüber hinaus zeichnen sich diese "Hot Spots" durch sehr hohe Kühlraten aus. Bei einer Blasenimplosion werden zudem Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 280m/s erzeugt. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet.
Wenn diese extremen Kräfte, die während der Implosion der Kavitationsblasen generiert werden, sich im beschallten Medium ausbreiten, werden Partikel und Tröpfchen beeinflusst – Tropfen und Partikel werden beschleunigt und prallen auseinander. Durch die interpartikuläre Kollision werden Tröpfen zerrissen und Partikel zerschlagen. Dadurch werden Effekte wie die Vermahlung, Dispergierung, Desagglomeration und Emulgierung erreicht. Partikel und Tropfen können durch die Beschallung effektiv auf submikron - und nano-skalige Größen reduziert werden.
Neben den mechanischen Effekten können durch eine intensive Beschallung (Sonorisierung) freie Radikale erzeugt, Moleküle geschert und Partikeloberflächen aktiviert werden. Der Einfluss von Hochleistungsultraschll auf chemische Systeme wird als Sonochemie bezeichnet.

Sono-Synthese

Mit einer Ultraschall-Behandlung von Flüssigkeiten bzw. Slurries können sehr feine Partikel mit sehr gleichmäßiger Verteilung erzeugt werden, so dass während Fällungsreaktionen eine hohe Dichte an Kristallisationskeimen entsteht.
Hydroxylapatit-Partikel, die mit Ultraschall synthetisiert wurden, zeigen eine geringere Agglomeration. Die geringere Tendenz zur Agglomeration von ultraschall-synthetisierten HAp bestätigt Poinern et al. (2009) in seinen Analysen, z.B. FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy).

Ultraschall unterstützt und fördert die chemische Reaktion durch die Ultraschallkavitation und ihre physikalischen Effekte, welche die Partikelmorphologie direkt während der Wachstumsphase beeinflussen. Die wesentlichen Vorteile der Ultraschall-Synthese liegen in der Herstellung einer sehr feinen Reaktionslösung, wodurch

  • die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht wird,
  • die Verarbeitungszeit reduziert wird
  • und die Energieeffizienz gesteigert wird.

Poinern et al. (2011) hat einen nasschemischen Syntheseweg entwickelt, bei dem Calciumnitrat-Tetrahydrat (Ca[NO3]2 · 4H2O) und Kaliumdihydrogenphosphat (KH2PO4) als Hauptedukte verwendet werden. Um den pH-Wert während der Synthese zu kontrollieren, wurde Ammoniumhydroxid (NH4OH) hinzugefügt.
Ponnern et al. (2011) verwendete in seiner Studie den Ultraschallprozessor UP50H (50 W, 30 kHz, MS7-Sonotrode mit einem Durchmesser von 7mm) von Hielscher Ultrasonics.

Schritte der Nano-Hydroxylapatit-Synthese:

40mL einer Lösung aus 0,32M Ca(NO3)2 · 4H2O wurden in einem kleinen Becherglas vorbereitet. Der pH-Wert der Lösung wurde mit ca. 2,5ml NH 4OH auf pH9,0 korrigiert. Die Lösung wurde mit dem Ultraschallstabgerät UP50H bei 100 % Amplitudeneinstellung für 1 Stunde beschallt.
Nachdem die einstündige Beschallung abgeschlossen war, wurde in der zweiten, ebenfalls einstündigen Beschallungsphase 60ml der 0,19M [KH2PO4]-Lösung tropfenweise der Ausgangslösung hinzugefügt. Während des Mischprozesses wurde der pH-Wert überprüft und konstant bei pH9 gehalten, während das Ca/P-Verhältnis bei 1,67 gehalten wurde. Die Lösung wurde anschließend zentrifugiert (~ 2000 g), wodurch ein weißer Niederschlag gewonnen wurde, der für eine Wärmebehandlung in mehrere Proben portioniert wurde.
Die Beschallung mit Hochleistungs-Ultraschall während des Synthese-Verfahrens vor der thermischen Behandlung zeigt deutliche Effekte auf die Entstehung der Vorläufer der ersten Nano-Hydroxylapatit-Partikel. Dies ist der Partikelgröße geschuldet, welche in Zusammenhang mit der Keimbildung und dem Wachstumsmuster des Materials steht, welche wiederum mit dem Übersättigungsgrad der Lösung zusammenhängt.
Darüber hinaus können die Korngröße und die Morphologie direkt während der Synthese beeinflusst werden. Die eingetragene Ultraschall-Leistung zwischen 0 bis 50W zeigte, dass es möglich war, die Korngröße vor der thermischen Behandlung zu verringern.
Der zunehmende Eintrag an Ultraschall-Leistung lässt darauf schließen, dass bei höherer Beschallungsintensität mehr Kavitationsblasen erzeugt wurden. Dies wiederum führte zu einer vermehrten Keimbildung, wodurch die Partikel, die sich an diesen Keimpunkten bilden, kleiner sind. Zudem ist zu beobachten, dass Partikel, die länger beschallt wurden, weniger agglomerieren. Nachfolgende FESEM-Daten bestätigen, dass die Partikel weniger agglomerieren, wenn während des Syntheseprozesses Ultraschall eingesetzt wird.
Pointern et al. (2011) gelang es mittels ultraschall-gestützter nasschemischer Fällungsreaktion Nano-HAp-Partikel im Nanometerbereich und mit sphärischer Morphologie herzustellen. Die Studie ergab, dass die kristalline Struktur und Morphologie des produzierten Nano-HAP-Pulvers abhängig von der Beschallungsintensität und der anschließend verwendeten Wärmebehandlung war. Es ist offensichtlich, dass Ultraschall die Synthese positiv beeinflusst, so dass ultrafeines Nano-HAp-Pulver ausgefällt wurde.

Kontinuierliche Behandlung mit Ultraschall mit einem Glas Durchflußzelle

Beschallung im Ultraschallreaktor

Hydroxylapatit:

  • wichtigstes anorganisches Kalziumphosphat-Mineral
  • hohe Biokompatibilität
  • langsame Abbaubarkeit
  • Osteokonduktivität
  • nicht toxisch
  • nicht immunogen
  • mit Polymeren und/oder Glas kombinierbar
  • gute Absorptionsstruktur-Matrix für andere Moleküle
  • ausgezeichnetes Knochenersatzmaterial

  • Ultraschall-Homogenisatoren sind leistungsfähige Werkzeuge zu synthetisieren und funktionalisieren Teilchen, wie HAp

    Ultraschall-Stabschwinger UP50H

    HAp-Synthese via sonochemisches Sol-Gel-Verfahren

    Ultraschall-gestützter Sol-Gel-Weg für die Synthese von nanostrukturierten HAp-Partikeln:
    Material:
    – Edukte: Kalziumnitrat Ca(NO3)2, Di-Ammoniumhydrogenphosphat (NH4)2HPO4Natriumhydroxyd NaOH;
    – 25ml Reagenzglas

    1. Lösen Sie Ca(NO3)2 und (NH4)2HPO4 in destilliertem Wasser (molares Verhältnis Kalzium : Phosphor = 1,67)
    2. Fügen Sie der Lösung etwas NaOH hinzu, um pH-Wert bei ca. pH 10 zu halten.
    3. Beschallen Sie die Lösung mit dem Ultraschallstabschwinger UP100H (Sonotrode MS10, Amplitude 100 %)
  • Die hydrothermale Synthese wurde bei 150°C für 24h in einem Ofen durchgeführt.
  • Nach der Reaktion wurde das kristalline HAp mit einer Zentrifuge abgetrennt und mit entionisiertem Wasser gewaschen.
  • Das gewonnene HAp-Nanopulver wurde mittels Mikroskopie (SEM, TEM) und/oder Spektroskopie (FT-IR) analysiert. Die synthetisierten HAp-Nanopartikel zeigten eine hohe Kristallinität. Je nach Beschallungsintensität und -dauer konnte eine unterschiedliche Morphologie beobachtet werden. Eine längere Beschallungsdauer erzeugte einheitliche HAp-Nanorods mit einem hohen Aspektverhältnis und ultra-hoher Kristallinität. [vgl. Manafi et al. 2008]
  • Modifiziertes Hydroxylapatit

    Durch seine Sprödigkeit ist die Anwendung reinen Hydroxylapatits nur beschränkt möglich. In der Materialforschung wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um HAp mit Polymeren zu modifizieren, da natürliches Knochenmaterial vor allem aus nadelförmigen Nano-Hydroxylapatitkristallen zusammensetzt (ca. 65wt % des Knochens). Durch die ultraschall-gestützte Modifikation von Hydroxylapatit und die Synthese von Kompositen mit verbesserten Materialeigenschaften öffnen sich vielfältige neue Möglichkeiten (s. Beispiele unten).

    Beispiele aus der Praxis:

    Synthese von Nano-HAp

    In der Studie von Poinern et al. (2009) wurde das Hielscher Ultraschallgerät UP50H erfolgreich für die Sono-Synthese von HAp benutzt. Mit zunehmendem Ultraschall-Energieeintrag verringerte sich die Partikelgröße der HAp-Kristalle. Es wurde nanostrukturiertes Hydroxylapatit (HAp) mittels ultraschall-gestützter nasschemischer Füllungsreaktion produziert. Ca(NO3) und KH25PO4 dienten als Ausgangsstoffe und NH3 wurde als Ausfällpräparat eingesetzt. Durch die hydrothermale Ausfällung mit Ultraschall konnten nano-skalige HAp-Partikel mit sphärischer Morphologie im Nanobereich von ca. 30nm ± 5 % hergestellt werden. Poinern und seine Kollegen haben gezeigt, dass die Ultraschall-gestützte Hydrothermalsynthese eine ökonomische Methode ist, die einfach zur kommerziellen Produktion hochskaliert werden kann.

    Synthese von Gelantine-Hydroxylapatit (Gel-HAp)

    Brundavanam und seine Kollegen haben mittels Ultraschall eine Gelantine-Hydroxylapatit (Gel-HAp) Zusammensetzung hergestellt. Für die Herstellung des Gelantine-Hydroxylapatits wurde 1g Gelatine bei 40°C vollständig in 1000 mL MilliQ Wasser aufgelöst. Daraufhin wurden 2mL der vorbereiteten Gelatine-Lösung zu der Ca2+/NH3 -Mischung hinzugefügt. Die Mischung wurde mit einem UP50H Ultrasonicator (50W, 30kHz) beschallt. Während der Beschallung wurden 60ml 0,19M KH2PO4 tropfenweise hinzugefügt.
    Die Lösung wurde 1h beschallt. Der pH-Wert wurde kontrolliert und konstant bei pH9 gehalten. Das Ca/P-Verhältnis wurde bei 1,67 gehalten. Die Filtration des weißen Niederschlags wurde durch Zentrifugation separiert, so dass man eine viskose Slurry erhielt. Verschiedene Proben wurden in einem Rohr-Ofen für 2h bei Temperaturen von 100, 200, 300 und 400°C wärmebehandelt. Dabei wurde ein Gel–HAp-Pulver in Granulat-Form gewonnen, welches zu einem feinen Pulver gemahlen wurde. Dieses Pulver wurde mittels XRD, FE-SEM und FT-IR analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die milde Beschallung mit Ultraschall und das Vorhandensein der Gelatine während der Wachstumsphase des HAp zu einer geringeren Adhäsion führt. Dadurch konnten kleinere Partikel synthetisiert werden. Diese Gel–HAp Nanopartikel weisen eine regelmäßige sphärische Form auf. Die Synthese von nanoskaligen Gel–HAp Partikel wird durch den Homogenisierungseffekt des Ultraschalls äußerst positiv beeinflusst. Die Amid- und Carbonyl-Arten der Gelatine lagern sich während der sonochemisch unterstützten Wachstumsphase an die HAp-Nanopartikel an.
    [Brundavanam et al. 2011]

    Abscheiden von HAp auf Titanplättchen

    Ozhukil Kollatha et al. (2013) haben Titanplättchen mit Hydroxylapatit beschichtet. Vor dem Abscheiden wurde die HAp-Suspension mit mit einem UP400S (400 Watt Ultraschallgerät mit Ultraschallhorn H14, Sonorisierungsdauer 40 Sek. bei 75 % Amplitude) beschallt.

    Silber-beschichtetes HAp

    Ignatev hat mit seiner Forschergruppe (2013) eine biosynthetische Methode entwickelt, bei der Silber-Nanopartikel (AgNp) auf HAp angelagert wurden, um den eine HAp-Partikeln durch die Silber-Beschichtung antibakterielle Eigenschaften zu verleihen und die zytotoxische Wirkung zu verringern. Für die Desagglomeration der Silber-Nanopartikel und für ihre Anlagerung auf den Hydroxylapatit wurde das Hielscher Ultraschallgerät UP400S verwendet.
    Ignatev und seine Mitarbeiter verwendet, um die Ultraschallsonde artige Vorrichtung UP400S für die silberbeschichteten HAp-Produktion.

    Ein Aufbau mit Magnetrührer und Ultraschallgerät UP400S für die Herstellung von silber-beschichteten HAp-Partikeln [Ignatev et al. 2013]


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    UP400S mit Ultraschallreaktor

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    Literatur

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