Σύνθεση νανοϋδροξυαπατίτη με υπερήχους
Ο υδροξυαπατίτης (HA ή HAp) είναι ένα βιοδραστικό κεραμικό υλικό που χρησιμοποιείται ευρέως για ιατρικούς σκοπούς λόγω της δομικής του ομοιότητας με το οστικό υλικό. Η υποβοηθούμενη με υπερήχους σύνθεση (ηχοσύνθεση) του υδροξυαπατίτη είναι μια επιτυχημένη τεχνική για την παραγωγή νανοδομημένου HAp σύμφωνα με τα υψηλότερα πρότυπα ποιότητας. Η μέθοδος με υπερήχους επιτρέπει την παραγωγή νανοκρυσταλλικού HAp, καθώς και τροποποιημένων σωματιδίων, π.χ. νανοσφαιρών πυρήνα–κελύφους, και σύνθετων υλικών.
Υδροξυαπατίτης: ένα ορυκτό με πολλαπλές χρήσεις
Στην ιατρική, ο νανοδομημένος πορώδης HAp αποτελεί ενδιαφέρον υλικό για εφαρμογές τεχνητού οστού. Λόγω της καλής βιοσυμβατότητάς του κατά την επαφή με το οστό και της χημικής του σύστασης που είναι παρόμοια με εκείνη του οστικού υλικού, το πορώδες κεραμικό HAp έχει βρει εκτεταμένη χρήση σε βιοϊατρικές εφαρμογές, όπως η αναγέννηση οστικού ιστού, ο κυτταρικός πολλαπλασιασμός και η χορήγηση φαρμάκων.
„Στη μηχανική οστικών ιστών έχει χρησιμοποιηθεί ως υλικό πλήρωσης οστικών ελλειμμάτων και οστικής επαύξησης, ως υλικό τεχνητών οστικών μοσχευμάτων και στη χειρουργική αναθεώρησης προθέσεων. Η μεγάλη επιφάνειά του οδηγεί σε εξαιρετική οστεοαγωγιμότητα και ικανότητα απορρόφησης από τον οργανισμό, επιτρέποντας την ταχεία ανάπτυξη οστού στο εσωτερικό του.” [Soypan et al. 2007] Έτσι, πολλά σύγχρονα εμφυτεύματα επικαλύπτονται με υδροξυλαπατίτη.
Μια άλλη πολλά υποσχόμενη εφαρμογή του μικροκρυσταλλικού υδροξυλαπατίτη είναι η χρήση του ως συμπληρώματος «οστικής δόμησης» με ανώτερη απορρόφηση σε σύγκριση με το ασβέστιο.
Εκτός από τη χρήση του ως υλικού αποκατάστασης οστών και δοντιών, άλλες εφαρμογές του HAp απαντώνται στην κατάλυση, στην παραγωγή λιπασμάτων, ως συστατικό φαρμακευτικών προϊόντων, σε εφαρμογές χρωματογραφίας πρωτεϊνών και σε διεργασίες επεξεργασίας νερού.
Υπέρηχοι ισχύος: δράσεις και επιδράσεις
Όταν αυτές οι ακραίες δυνάμεις, που δημιουργούνται κατά την κατάρρευση των φυσαλίδων σπηλαίωσης, διαδίδονται στο μέσο που υποβάλλεται σε κατεργασία με υπερήχους, επηρεάζονται τα σωματίδια και τα σταγονίδια – με αποτέλεσμα συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων που προκαλούν θραύση του στερεού. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνονται μείωση του μεγέθους των σωματιδίων, όπως με άλεση, αποσυσσωμάτωση και διασπορά. Τα σωματίδια μπορούν να μειωθούν σε υπομικρομετρικό και νανομετρικό μέγεθος.
Εκτός από τις μηχανικές επιδράσεις, η ισχυρή κατεργασία με υπερήχους μπορεί να δημιουργήσει ελεύθερες ρίζες, να διασπάσει μόρια μέσω διάτμησης και να ενεργοποιήσει τις επιφάνειες των σωματιδίων. Τα φαινόμενα αυτά είναι γνωστά ως ηχοχημεία.
Σύνθεση με υπερήχους
Η κατεργασία του πολφού με υπερήχους παράγει πολύ λεπτά σωματίδια με ομοιόμορφη κατανομή, δημιουργώντας έτσι περισσότερες θέσεις πυρηνοποίησης για την καταβύθιση.
Τα σωματίδια HAp που συντίθενται με υπερήχους παρουσιάζουν μειωμένο βαθμό συσσωμάτωσης. Η μικρότερη τάση συσσωμάτωσης του HAp που συντίθεται με υπερήχους επιβεβαιώθηκε, για παράδειγμα, με ανάλυση FESEM (ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης εκπομπής πεδίου) από τους Poinern και συν. (2009).
Οι υπέρηχοι υποβοηθούν και προάγουν τις χημικές αντιδράσεις μέσω της σπηλαίωσης που προκαλούν και των φυσικών επιδράσεών της, οι οποίες επηρεάζουν άμεσα τη μορφολογία των σωματιδίων κατά τη φάση ανάπτυξης. Τα κύρια οφέλη της κατεργασίας με υπερήχους κατά την παρασκευή υπέρλεπτων μειγμάτων αντίδρασης είναι
- 1) αυξημένη ταχύτητα αντίδρασης,
- 2) μειωμένος χρόνος επεξεργασίας
- 3) συνολική βελτίωση της αποδοτικής χρήσης της ενέργειας.
Οι Poinern και συν. (2011) ανέπτυξαν μια υγρή χημική μέθοδο που χρησιμοποιεί τετραϋδρικό νιτρικό ασβέστιο (Ca[NO3]2 · 4H2O) και δισόξινο φωσφορικό κάλιο (KH2PO4) ως κύρια αντιδρώντα. Για τον έλεγχο της τιμής του pH κατά τη σύνθεση, προστέθηκε υδροξείδιο του αμμωνίου (NH4OH).
Ο επεξεργαστής υπερήχων ήταν ένας UP50H (50 W, 30 kHz, ηχοτρόδιο MS7 με διάμετρο 7 mm) της Hielscher Ultrasonics.
Βήματα σύνθεσης νανο-HAP:
Διάλυμα 40 mL με συγκέντρωση 0,32M Ca(NO3)2 · 4H2O παρασκευάστηκε σε μικρό ποτήρι ζέσεως. Στη συνέχεια, το pH του διαλύματος ρυθμίστηκε σε 9,0 με περίπου 2,5mL NH4OH. Το διάλυμα υποβλήθηκε σε κατεργασία με υπερήχους με τον UP50H σε ρύθμιση πλάτους 100% για 1 ώρα.
Στο τέλος της πρώτης ώρας, διάλυμα 60 mL με συγκέντρωση 0,19M [KH2PO4] προστέθηκε στη συνέχεια αργά, στάγδην, στο πρώτο διάλυμα, ενώ αυτό υποβαλλόταν σε δεύτερη ώρα ακτινοβόλησης με υπερήχους. Κατά τη διαδικασία ανάμειξης, η τιμή του pH ελεγχόταν και διατηρούνταν στο 9, ενώ η αναλογία Ca/P διατηρούνταν στο 1,67. Στη συνέχεια, το διάλυμα διηθήθηκε με φυγοκέντρηση (~2000 g), και το λευκό ίζημα που προέκυψε χωρίστηκε σε επιμέρους δείγματα για θερμική κατεργασία.
Η παρουσία υπερήχων στη διαδικασία σύνθεσης πριν από τη θερμική κατεργασία επηρεάζει σημαντικά τον σχηματισμό των αρχικών πρόδρομων σωματιδίων νανο-HAP. Αυτό οφείλεται στο ότι το μέγεθος των σωματιδίων σχετίζεται με την πυρηνοποίηση και τον τρόπο ανάπτυξης του υλικού, ο οποίος με τη σειρά του σχετίζεται με τον βαθμό υπερκορεσμού στην υγρή φάση.
Επιπλέον, τόσο το μέγεθος των σωματιδίων όσο και η μορφολογία τους μπορούν να επηρεαστούν άμεσα κατά τη διαδικασία αυτή της σύνθεσης. Η επίδραση της αύξησης της ισχύος των υπερήχων από 0 σε 50W έδειξε ότι ήταν δυνατή η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων πριν από τη θερμική κατεργασία.
Η αύξηση της ισχύος των υπερήχων που χρησιμοποιούνταν για την ακτινοβόληση του υγρού έδειξε ότι παράγονταν περισσότερες φυσαλίδες/κοιλότητες σπηλαίωσης. Αυτό με τη σειρά του δημιούργησε περισσότερες θέσεις πυρηνοποίησης και, ως αποτέλεσμα, τα σωματίδια που σχηματίζονται γύρω από αυτές τις θέσεις είναι μικρότερα. Επιπλέον, τα σωματίδια που εκτίθενται σε μεγαλύτερες περιόδους ακτινοβόλησης με υπερήχους παρουσιάζουν μικρότερη συσσωμάτωση. Μεταγενέστερα δεδομένα FESEM επιβεβαίωσαν τη μειωμένη συσσωμάτωση των σωματιδίων όταν χρησιμοποιούνται υπέρηχοι κατά τη διαδικασία σύνθεσης.
Σωματίδια νανο-HAp με μέγεθος στην περιοχή των νανομέτρων και σφαιρική μορφολογία παρήχθησαν με τεχνική υγρής χημικής καταβύθισης παρουσία υπερήχων. Διαπιστώθηκε ότι η κρυσταλλική δομή και η μορφολογία των σκονών νανο-HAP που προέκυψαν εξαρτώνταν από την ισχύ της πηγής ακτινοβόλησης με υπερήχους και την επακόλουθη θερμική κατεργασία που χρησιμοποιήθηκε. Ήταν εμφανές ότι η παρουσία υπερήχων στη διαδικασία σύνθεσης προήγαγε τις χημικές αντιδράσεις και τις φυσικές επιδράσεις που στη συνέχεια οδήγησαν στην παραγωγή των υπέρλεπτων σκονών νανο- HAp μετά τη θερμική κατεργασία.
- κύριο ανόργανο ορυκτό φωσφορικού ασβεστίου
- υψηλή βιοσυμβατότητα
- χαμηλός ρυθμός βιοαποικοδόμησης
- οστεοαγώγιμος
- μη τοξικός
- μη ανοσογόνος
- μπορεί να συνδυαστεί με πολυμερή και/ ή γυαλί
- καλή δομική μήτρα απορρόφησης για άλλα μόρια
- εξαιρετικό υποκατάστατο οστού
Συσκευή υπερήχων τύπου καθετήρα UP50H
Σύνθεση HAp μέσω της μεθόδου sol-gel με υπερήχους
Μέθοδος sol-gel με υποβοήθηση υπερήχων για τη σύνθεση νανοδομημένων σωματιδίων HAp:
Υλικά:
– αντιδρώντα: νιτρικό ασβέστιο Ca(NO3)2, όξινο φωσφορικό διαμμώνιο (NH4)2HPO4, υδροξείδιο του νατρίου NaOH ;
– δοκιμαστικός σωλήνας 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.
- Κατεργασία με υπερήχους με συσκευή UP100H (ηχοτρόδιο MS10, πλάτος 100%)
- Οι υδροθερμικές συνθέσεις πραγματοποιήθηκαν στους 150°C για 24 h σε ηλεκτρικό κλίβανο.
- Μετά την αντίδραση, το κρυσταλλικό HAp μπορεί να συλλεχθεί με φυγοκέντρηση και πλύση με απιονισμένο νερό.
- Ανάλυση της νανοσκόνης HAp που προέκυψε με μικροσκοπία (SEM, TEM,) και/ή φασματοσκοπία (FT-IR). Τα συντεθειμένα νανοσωματίδια HAp παρουσιάζουν υψηλή κρυσταλλικότητα. Μπορεί να παρατηρηθεί διαφορετική μορφολογία ανάλογα με τον χρόνο κατεργασίας με υπερήχους. Η μεγαλύτερη διάρκεια κατεργασίας με υπερήχους μπορεί να οδηγήσει σε ομοιόμορφες νανοράβδους HAp με υψηλό λόγο μήκους προς διάμετρο και εξαιρετικά υψηλή κρυσταλλικότητα. [πρβλ. Manafi et al. 2008]
Τροποποίηση του HAp
Λόγω της ευθραυστότητάς του, η εφαρμογή του καθαρού HAp είναι περιορισμένη. Στην έρευνα υλικών έχουν καταβληθεί πολλές προσπάθειες για την τροποποίηση του HAp με πολυμερή, καθώς το φυσικό οστό είναι ένα σύνθετο υλικό που αποτελείται κυρίως από βελονοειδείς κρυστάλλους HAp νανομετρικού μεγέθους (αντιστοιχούν σε περίπου 65wt% του οστού). Η τροποποίηση του HAp με υποβοήθηση υπερήχων και η σύνθεση σύνθετων υλικών με βελτιωμένα χαρακτηριστικά προσφέρουν πολυάριθμες δυνατότητες (δείτε μερικά παραδείγματα παρακάτω).
Πρακτικά παραδείγματα:
Σύνθεση νανο-HAp
Σύνθεση ζελατίνης-υδροξυαπατίτη (Gel-HAp)
Ολόκληρο το διάλυμα υποβλήθηκε σε κατεργασία με υπερήχους για 1h. Η τιμή του pH ελεγχόταν και διατηρούνταν στο pH 9 καθ’ όλη τη διάρκεια και η αναλογία Ca/P ρυθμίστηκε στο 1,67. Η διήθηση του λευκού ιζήματος επιτεύχθηκε με φυγοκέντρηση, με αποτέλεσμα έναν παχύρρευστο πολφό. Διαφορετικά δείγματα υποβλήθηκαν σε θερμική κατεργασία σε σωληνωτό κλίβανο για 2h σε θερμοκρασίες 100, 200, 300 και 400°C. Έτσι προέκυψε σκόνη Gel–HAp σε κοκκώδη μορφή, η οποία αλέστηκε σε λεπτή σκόνη και χαρακτηρίστηκε με XRD, FE-SEM και FT-IR. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ήπια κατεργασία με υπερήχους και η παρουσία ζελατίνης κατά τη φάση ανάπτυξης του HAp ευνοούν τη χαμηλότερη προσκόλληση – οδηγώντας έτσι σε μικρότερα νανοσωματίδια Gel–HAp με κανονικό σφαιρικό σχήμα. Η ήπια κατεργασία με υπερήχους υποβοηθά τη σύνθεση σωματιδίων Gel–HAp νανομετρικού μεγέθους χάρη στις επιδράσεις της ομογενοποίησης με υπερήχους. Οι αμιδικές και καρβονυλικές ομάδες της ζελατίνης στη συνέχεια συνδέονται με τα νανοσωματίδια HAp κατά τη φάση ανάπτυξης μέσω αλληλεπίδρασης υποβοηθούμενης από ηχοχημικά φαινόμενα.
[Brundavanam et al. 2011]
Εναπόθεση HAp σε πλακίδια τιτανίου
HAp με επικάλυψη αργύρου
Μια διάταξη με μαγνητικό αναδευτήρα και συσκευή υπερήχων UP400S χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή Hap επικαλυμμένου με άργυρο [Ignatev et al 2013]
Οι ισχυρές συσκευές υπερήχων μας είναι αξιόπιστα εργαλεία για την επεξεργασία σωματιδίων στην περιοχή υπομικρομετρικών και νανομετρικών μεγεθών. Είτε θέλετε να συνθέσετε, να διασπείρετε ή να λειτουργικοποιήσετε σωματίδια σε μικρούς σωλήνες για ερευνητικούς σκοπούς είτε χρειάζεται να επεξεργαστείτε μεγάλους όγκους αιωρημάτων νανοσκόνης για εμπορική παραγωγή, η Hielscher προσφέρει την κατάλληλη συσκευή υπερήχων για τις απαιτήσεις σας!
Ομογενοποιητής υπερήχων UP400S
Βιβλιογραφία/Παραπομπές
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Επίδραση της αραιής ζελατίνης στη θερμικά υποβοηθούμενη σύνθεση νανοϋδροξυαπατίτη με υπερήχους. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697–703.
- Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Σύνθεση και χαρακτηρισμός νανοσωματιδίων υδροξυαπατίτη. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 322; 2008. 29–33.
- Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Επικαλύψεις υδροξυαπατίτη με νανοσωματίδια αργύρου μέσω ψεκασμού πλάσματος. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20–29.
- Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Ελεγχόμενη συναρμολόγηση νανοσφαιρών πυρήνα–κελύφους από πολυ(d,l-λακτίδιο-co-γλυκολίδιο)/ υδροξυαπατίτη υπό υπερηχητική ακτινοβόληση. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
- Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Παρασκευή υδροξυαπατίτη από οστό βοοειδών με συνδυασμό μεθόδων υπερήχων και ξήρανσης με ψεκασμό. Διεθνές Συνέδριο Χημικών, Βιοχημικών και Περιβαλλοντικών Επιστημών (ICBEE’2012) Σιγκαπούρη, December 14-15, 2012.
- Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Επίδραση των υπερήχων στην κρυσταλλικότητα του νανοϋδροξυαπατίτη μέσω υγρής χημικής μεθόδου. Ir J Pharma Sci 4/2; 2008. 163–168
- Ozhukil Kollatha, V.; Chenc, Q.; Clossetb, R.; Luytena, J.; Trainab, K.; Mullensa, S.; Boccaccinic, A. R.; Clootsb, R. (2013): Ηλεκτροφορητική εναπόθεση υδροξυαπατίτη σε τιτάνιο με εναλλασσόμενο έναντι συνεχούς ρεύματος. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715–2721.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Οι μηχανικές ιδιότητες ενός πορώδους κεραμικού που προέρχεται από σκόνη υδροξυαπατίτη αποτελούμενη από σωματίδια μεγέθους 30 nm για πιθανές εφαρμογές μηχανικής σκληρών ιστών. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278–286.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Θερμική επίδραση και επίδραση των υπερήχων στον σχηματισμό βιοκεραμικού υδροξυαπατίτη νανομετρικής κλίμακας. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Σύνθεση και χαρακτηρισμός νανοϋδροξυαπατίτη με χρήση μεθόδου υποβοηθούμενης από υπερήχους. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469– 474.
- Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Πορώδης υδροξυαπατίτης για εφαρμογές τεχνητού οστού. Science and Technology of Advanced Materials 8. 2007. 116.
- Suslick, K. S. (1998): Εγκυκλοπαίδεια Χημικής Τεχνολογίας Kirk-Othmer· 4η έκδοση. J. Wiley & Sons: New York, τόμ. 26, 1998. 517–541.
Συσκευή υπερήχων UIP1500hd με αντιδραστήρα συνεχούς ροής

