Sono-σύνθεση νανο-υδροξυαπατίτη
Ο υδροξυαπατίτης (HA ή HAp) είναι ένα πολύ συχνό βιοδραστικό κεραμικό για ιατρικούς σκοπούς λόγω της παρόμοιας δομής του με το οστικό υλικό. Η υπερηχητικά υποβοηθούμενη σύνθεση (sono-σύνθεση) του υδροξυαπατίτη είναι μια επιτυχημένη τεχνική για την παραγωγή νανοδομημένου HAp στα υψηλότερα πρότυπα ποιότητας. Η υπερηχητική οδός επιτρέπει την παραγωγή νανοκρυσταλλικού HAp καθώς και τροποποιημένων σωματιδίων, π.χ. νανοσφαιρίδια πυρήνα-κελύφους και σύνθετα υλικά.
Υδροξυαπατίτης: Ένα ευπροσάρμοστο ορυκτό
Στην ιατρική, το νανοδομημένο πορώδες HAp είναι ένα ενδιαφέρον υλικό για εφαρμογή τεχνητών οστών. Λόγω της καλής βιοσυμβατότητάς του στην επαφή με τα οστά και της παρόμοιας χημικής σύνθεσής του με το οστικό υλικό, το πορώδες κεραμικό HAp έχει βρει τεράστια χρήση σε βιοϊατρικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της αναγέννησης του οστικού ιστού, του πολλαπλασιασμού των κυττάρων και της χορήγησης φαρμάκων.
„In bone tissue engineering it has been applied as filling material for bone defects and augmentation, artificial bone graft material, and prosthesis revision surgery. Its high surface area leads to excellent osteoconductivity and resorbability providing fast bone ingrowth.” [Soypan et al. 2007] So, many modern implants are coated with hydroxylapatite.
Μια άλλη πολλά υποσχόμενη εφαρμογή του μικροκρυσταλλικού υδροξυλαπατίτη είναι η χρήση του ως “κατασκευή οστών” συμπλήρωμα με ανώτερη απορρόφηση σε σύγκριση με το ασβέστιο.
Εκτός από τη χρήση του ως επισκευαστικό υλικό για τα οστά και τα δόντια, άλλες εφαρμογές του HAp μπορούν να βρεθούν στην κατάλυση, την παραγωγή λιπασμάτων, ως ένωση σε φαρμακευτικά προϊόντα, σε εφαρμογές χρωματογραφίας πρωτεϊνών και διεργασίες επεξεργασίας νερού.
Υπερηχογράφημα ισχύος: Επιδράσεις και επιπτώσεις
Όταν αυτές οι ακραίες δυνάμεις, οι οποίες δημιουργούνται κατά την κατάρρευση των φυσαλίδων σπηλαίωσης, επεκτείνονται στο μέσο υπερήχων, επηρεάζονται σωματίδια και σταγονίδια – με αποτέλεσμα τη σύγκρουση μεταξύ σωματιδίων έτσι ώστε το στερεό να θρυμματίζεται. Με αυτόν τον τρόπο, επιτυγχάνεται μείωση του μεγέθους των σωματιδίων, όπως άλεση, αποσυσσωμάτωση και διασπορά. Τα σωματίδια μπορούν να διακοπούν σε μέγεθος υπομικρονίου και νανο-μεγέθους.
Εκτός από τα μηχανικά φαινόμενα, η ισχυρή υπερήχηση μπορεί να δημιουργήσει ελεύθερες ρίζες, μόρια διάτμησης, και να ενεργοποιήσει τις επιφάνειες σωματιδίων. Αυτά τα φαινόμενα είναι γνωστά ως sonochemistry.
sono-σύνθεση
Μια υπερηχητική επεξεργασία του πολτού έχει ως αποτέλεσμα πολύ λεπτά σωματίδια με ομοιόμορφη κατανομή, έτσι ώστε να δημιουργούνται περισσότερες θέσεις πυρήνωσης για καθίζηση.
Τα σωματίδια HAp που συντίθενται υπό υπερήχους δείχνουν μειωμένο επίπεδο συσσωμάτωσης. Η χαμηλότερη τάση συσσωμάτωσης του υπερηχητικά συντιθέμενου HAp επιβεβαιώθηκε π.χ. από την ανάλυση FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) των Poinern et al. (2009).
Ο υπέρηχος βοηθά και προάγει τις χημικές αντιδράσεις με υπερηχητική σπηλαίωση και τις φυσικές επιδράσεις της που επηρεάζουν άμεσα τη μορφολογία των σωματιδίων κατά τη διάρκεια της φάσης ανάπτυξης. Τα κύρια οφέλη της υπερήχων με αποτέλεσμα την παρασκευή υπερλεπτών μιγμάτων αντίδρασης είναι:
- 1) αυξημένη ταχύτητα αντίδρασης,
- 2) μειωμένος χρόνος επεξεργασίας
- 3) συνολική βελτίωση της αποδοτικής χρήσης της ενέργειας.
Οι Poinern et al. (2011) ανέπτυξαν μια υγρή χημική οδό που χρησιμοποιεί τετραένυδρο νιτρικό ασβέστιο (Ca[NO3]2 · 4H2O) και δισόξινο φωσφορικό κάλιο (KH2PO4) ως κύρια αντιδραστήρια. Για τον έλεγχο της τιμής του pH κατά τη διάρκεια της σύνθεσης, προστέθηκε υδροξείδιο του αμμωνίου (NH4OH).
Ο επεξεργαστής υπερήχων ήταν ένας UP50Η (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode w / 7 mm διάμετρος) από Hielscher Υπέρηχοι.
Βήματα σύνθεσης nano-HAP:
Διάλυμα 40 ml 0,32M Ca(NO3)2 · 4Ώρες2O παρασκευάστηκε σε ένα μικρό ποτήρι ζέσεως. Το pH του διαλύματος στη συνέχεια προσαρμόστηκε στο 9,0 με περίπου 2,5mL NH4Ω. Η λύση υπερήχων με το UP50Η σε ρύθμιση πλάτους 100% για 1 ώρα.
Στο τέλος της πρώτης ώρας ένα διάλυμα 60 ml 0,19M [KH2Τ.Κ.4] στη συνέχεια προστέθηκε αργά σταγόνα στο πρώτο διάλυμα, ενώ υποβλήθηκε σε μια δεύτερη ώρα υπερηχητικής ακτινοβολίας. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάμιξης, η τιμή pH ελέγχθηκε και διατηρήθηκε στο 9, ενώ η αναλογία Ca/P διατηρήθηκε στο 1,67. Το διάλυμα στη συνέχεια διηθήθηκε με φυγοκέντρηση (~2000 g), μετά την οποία το προκύπτον λευκό ίζημα αναλογούσε σε αριθμό δειγμάτων για θερμική επεξεργασία.
Η παρουσία υπερήχων στη διαδικασία σύνθεσης πριν από τη θερμική επεξεργασία έχει σημαντική επίδραση στο σχηματισμό των αρχικών πρόδρομων σωματιδίων nano-HAP. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το μέγεθος των σωματιδίων σχετίζεται με την πυρήνωση και το πρότυπο ανάπτυξης του υλικού, το οποίο με τη σειρά του σχετίζεται με τον βαθμό υπερκορεσμού εντός της υγρής φάσης.
Επιπλέον, τόσο το μέγεθος των σωματιδίων όσο και η μορφολογία τους μπορούν να επηρεαστούν άμεσα κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας σύνθεσης. Η επίδραση της αύξησης της ισχύος υπερήχων από 0 σε 50W έδειξε ότι ήταν δυνατό να μειωθεί το μέγεθος των σωματιδίων πριν από τη θερμική επεξεργασία.
Η αυξανόμενη ισχύς υπερήχων που χρησιμοποιείται για την ακτινοβόληση του υγρού έδειξε ότι παράγεται μεγαλύτερος αριθμός φυσαλίδων / σπηλαίωσης. Αυτό με τη σειρά του παρήγαγε περισσότερες θέσεις πυρήνωσης και ως αποτέλεσμα τα σωματίδια που σχηματίστηκαν γύρω από αυτές τις θέσεις είναι μικρότερα. Επιπλέον, τα σωματίδια που εκτίθενται σε μεγαλύτερες περιόδους ακτινοβόλησης με υπερήχους παρουσιάζουν λιγότερη συσσωμάτωση. Μεταγενέστερα δεδομένα της FESEM επιβεβαίωσαν τη μειωμένη συσσώρευση σωματιδίων όταν χρησιμοποιείται υπερηχογράφημα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σύνθεσης.
Τα σωματίδια νανο-HAp στο εύρος μεγέθους νανομέτρων και στη σφαιρική μορφολογία παρήχθησαν χρησιμοποιώντας μια τεχνική υγρής χημικής κατακρήμνισης παρουσία υπερήχων. Διαπιστώθηκε ότι η κρυσταλλική δομή και μορφολογία των προκύπτοντων σκονών nano-HAP εξαρτιόταν από τη δύναμη της πηγής ακτινοβολίας υπερήχων και την επακόλουθη θερμική επεξεργασία που χρησιμοποιήθηκε. Ήταν προφανές ότι η παρουσία υπερήχων στη διαδικασία σύνθεσης προώθησε τις χημικές αντιδράσεις και τα φυσικά αποτελέσματα που στη συνέχεια παρήγαγαν τις εξαιρετικά λεπτές σκόνες νανο-HAp μετά από θερμική επεξεργασία.
- Κύριο ανόργανο ορυκτό φωσφορικού ασβεστίου
- υψηλή βιοσυμβατότητα
- αργή βιοδιασπασιμότητα
- οστεοαγώγιμη
- Μη τοξικό
- μη ανοσογόνο
- μπορεί να συνδυαστεί με πολυμερή ή/και γυαλί
- καλή μήτρα δομής απορρόφησης για άλλα μόρια
- εξαιρετικό υποκατάστατο οστών
υπερήχων τύπου καθετήρα UP50Η
Σύνθεση HAp μέσω υπερήχων Sol-Gel διαδρομή
Υπερήχων υποβοηθούμενη οδός sol-gel για τη σύνθεση νανοδομημένων σωματιδίων HAp:
Υλικός:
– αντιδρώντα: Νιτρικό ασβέστιο Ca(NO3)2, όξινο φωσφορικό διαμμώνιο (NH4)2HPO4, υδροξυδαίο νάτριο NaOH ;
– Δοκιμαστικός σωλήνας των 25 ml
- Διαλύστε Ca(NO3)2 και (NH4)2HPO4 σε απεσταγμένο νερό (μοριακή αναλογία ασβεστίου προς φώσφορο: 1,67)
- Προσθέστε λίγο NaOH στο διάλυμα για να διατηρήσετε το pH του γύρω στο 10.
- Θεραπεία με υπερήχους με UP100Η (sonotrode MS10, πλάτος 100%)
- Οι υδροθερμικές συνθέσεις πραγματοποιήθηκαν στους 150°C για 24 ώρες σε ηλεκτρικό φούρνο.
- Μετά την αντίδραση, το κρυσταλλικό HAp μπορεί να συλλεχθεί με φυγοκέντρηση και έκπλυση με απιονισμένο νερό.
- Ανάλυση της λαμβανόμενης νανοσκόνης HAp με μικροσκοπία (SEM, TEM,) ή/και φασματοσκοπία (FT-IR). Τα συνθετικά νανοσωματίδια HAp παρουσιάζουν υψηλή κρυσταλλικότητα. Διαφορετική μορφολογία μπορεί να παρατηρηθεί ανάλογα με το χρόνο υπερήχων. Μεγαλύτερη υπερήχηση μπορεί να οδηγήσει σε ομοιόμορφες νανοράβδους HAp με υψηλή αναλογία διαστάσεων και εξαιρετικά υψηλή κρυσταλλικότητα. [cp. Manafi et al. 2008]
Τροποποίηση του HAp
Λόγω της ευθραυστότητάς του, η εφαρμογή καθαρού HAp είναι περιορισμένη. Στην έρευνα υλικών, έχουν γίνει πολλές προσπάθειες για την τροποποίηση του HAp από πολυμερή, δεδομένου ότι το φυσικό οστό είναι ένα σύνθετο που αποτελείται κυρίως από κρυστάλλους HAp νανο-μεγέθους, που μοιάζουν με βελόνες (αντιπροσωπεύει περίπου το 65wt% των οστών). Η υπερηχητικά υποβοηθούμενη τροποποίηση του HAp και η σύνθεση σύνθετων υλικών με βελτιωμένα χαρακτηριστικά υλικού προσφέρει πολλαπλές δυνατότητες (δείτε μερικά παραδείγματα παρακάτω).
Πρακτικά παραδείγματα:
Σύνθεση νανο-HAp
Σύνθεση ζελαντίνης-υδροξυαπατίτη (Gel-HAp)
Το όλο διάλυμα υποβλήθηκε σε υπερήχους για 1 ώρα. Η τιμή του pH ελέγχθηκε και διατηρήθηκε στο pH 9 ανά πάσα στιγμή και η αναλογία Ca/P προσαρμόστηκε στο 1,67. Η διήθηση του λευκού ιζήματος επιτεύχθηκε με φυγοκέντρηση, με αποτέλεσμα έναν παχύ πολτό. Διαφορετικά δείγματα υποβλήθηκαν σε θερμική επεξεργασία σε κλίβανο σωλήνων για 2 ώρες σε θερμοκρασίες 100, 200, 300 και 400 ° C. Με αυτόν τον τρόπο, ελήφθη σκόνη Gel-HAp σε κοκκώδη μορφή, η οποία αλέθεται σε λεπτή σκόνη και χαρακτηρίζεται από XRD, FE-SEM και FT-IR. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ήπια υπερήχους και η παρουσία ζελατίνης κατά τη διάρκεια της φάσης ανάπτυξης του HAp προάγουν χαμηλότερη πρόσφυση – με αποτέλεσμα ένα μικρότερο και σχηματίζοντας ένα κανονικό σφαιρικό σχήμα των νανοσωματιδίων Gel-HAp. Η ήπια υπερήχηση βοηθά στη σύνθεση νανο-μεγέθους σωματιδίων Gel-HAp λόγω των αποτελεσμάτων ομογενοποίησης υπερήχων. Τα είδη αμιδίου και καρβονυλίου από τη ζελατίνη προσκολλώνται στη συνέχεια στα νανοσωματίδια HAp κατά τη διάρκεια της φάσης ανάπτυξης μέσω sonoχημικά υποβοηθούμενης αλληλεπίδρασης.
[Brundavanam et al. 2011]
Εναπόθεση HAp στα αιμοπετάλια τιτανίου
Ασημένια επικάλυψη HAp
Μια ρύθμιση μαγνητικού αναδευτήρα και υπερήχων UP400S χρησιμοποιήθηκε για το επικαλυμμένο με ασήμι παρασκεύασμα Hap [Ignatev et al 2013]
Οι ισχυρές συσκευές υπερήχων μας είναι αξιόπιστα εργαλεία για τη θεραπεία σωματιδίων στην περιοχή μεγέθους sub micron και nano. Είτε θέλετε να συνθέσετε, να διασκορπίσετε ή να λειτουργήσετε σωματίδια σε μικρούς σωλήνες για ερευνητικούς σκοπούς είτε πρέπει να επεξεργαστείτε μεγάλους όγκους πολτού νανοσκόνης για εμπορική παραγωγή – Hielscher προσφέρει το κατάλληλο υπερήχων για τις απαιτήσεις σας!
Υπερηχητικός ομογενοποιητής UP400S
Βιβλιογραφία/Αναφορές
- Brundavanam, Ρ. Κ.; Jinag, Ζ.-Τ., Chapman, Π.; Le, X.-T.; Mondinos, Ν.; Fawcett, Δ.; Poinern, G. E. J. (2011): Επίδραση της αραιής ζελατίνης στην υπερηχητικά θερμικά υποβοηθούμενη σύνθεση νανο υδροξυαπατίτη. Υπέρηχος. Σονοχέμ. 18, 2011. 697-703.
- Cengiz, Β.; Gokce, Γ.; Yildiz, Ν.; Ακτάς, Ζ.; Calimli, A. (2008): Σύνθεση και χαρακτηρισμός νανοσωματιδίων υδροϋαπατίτη. Κολλοειδή και επιφάνειες Α: Physicochem. Eng. Πτυχές 322; 2008. 29-33.
- Ignatev, Μ.; Rybak, Τ.; Colonges, Γ.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Επικαλύψεις υδροξυαπατίτη με ψεκασμό πλάσματος με νανοσωματίδια αργύρου. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
- Jevtića, Μ.; Radulovićc, Α.; Ignjatovića, Ν.; Mitrićb, Μ.; Uskoković, D. (2009): Ελεγχόμενη συναρμολόγηση νανοσφαιριδίων πυρήνα-κελύφους πολυ(d, l-λακτιδίου-συν-γλυκολιδίου) / υδροξυαπατίτη υπό υπερηχητική ακτινοβολία. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
- Kusrini, Ε.; Pudjiastuti, Α. Ρ.; Astutiningsih, Σ.; Harjanto, S. (2012): Παρασκευή υδροξυαπατίτη από οστά βοοειδών με συνδυασμένες μεθόδους υπερήχων και ξήρανσης με ψεκασμό. Intl. Conf. on Chemical, Bio-Chemical and Environmental Sciences (ICBEE'2012) Σιγκαπούρη, 14-15 Δεκεμβρίου 2012.
- Manafi, Σ.; Badiee, S.H. (2008): Επίδραση των υπερήχων στην κρυσταλλικότητα του νανο-υδροξυαπατίτη μέσω υγρής χημικής μεθόδου. Ir J Pharma Sci 4/2; 2008. 163-168
- Ozhukil Kollatha, V.; Chenc, Q.; Clossetb, Ρ.; Luytena, J.; Trainab, Κ.; Mullensa, Σ.; Boccaccinic, Α. Ρ.; Clootsb, R. (2013): AC έναντι DC ηλεκτροφορητική εναπόθεση υδροξυαπατίτη στο τιτάνιο. Εφημερίδα της Ευρωπαϊκής Κεραμικής Εταιρείας 33; 2013. 2715–2721.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, Ρ.Κ.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Οι μηχανικές ιδιότητες ενός πορώδους κεραμικού που προέρχεται από σκόνη υδροξυαπατίτη με βάση σωματίδια μεγέθους 30 nm για πιθανές εφαρμογές μηχανικής σκληρών ιστών. Αμερικανικό περιοδικό βιοϊατρικής μηχανικής 2/6; 2012. 278-286.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, Ρ.; Thi Le, X.; Djordjevic, Σ.; Prokic, Μ.; Fawcett, D. (2011): Θερμική και υπερηχητική επίδραση στο σχηματισμό βιο-κεραμικού υδροξυαπατίτη κλίμακας νανομέτρων. Διεθνές περιοδικό νανοϊατρικής 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, Ρ.Κ.; Mondinos, Ν.; Jiang, Ζ.-Τ. (2009): Σύνθεση και χαρακτηρισμός νανοϋδροξυαπατίτη με τη μέθοδο υπερήχων. Υπερήχων Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Soypan, Ι.; Mel, Μ.; Ramesh, Σ.; Khalid, K.A: (2007): Πορώδης υδροξυαπατίτης για εφαρμογές τεχνητών οστών. Επιστήμη και Τεχνολογία Προηγμένων Υλικών 8. 2007. 116.
- Suslick, Κ. Σ. (1998): Εγκυκλοπαίδεια Kirk-Othmer της χημικής τεχνολογίας. 4η έκδοση J. Wiley & Υιοί: Νέα Υόρκη, τόμος 26, 1998. 517-541.
Συσκευή υπερήχων UIP1500hd με αντιδραστήρα ροής

