Sonosíntesis de nanohidroxiapatita

La hidroxiapatita (HA o HAp) es una cerámica bioactiva muy utilizada con fines médicos debido a su estructura similar a la del material óseo. La síntesis asistida por ultrasonidos (sonosíntesis) de hidroxiapatita es una técnica eficaz para producir HAp nanoestructurada con los más altos estándares de calidad. La vía ultrasónica permite producir HAp nanocristalina, así como partículas modificadas, por ejemplo, nanoesferas con núcleo y compuestos.

Hidroxiapatita: Un mineral versátil

La hidroxiapatita o hidroxiapatita (HAp, también HA) es una forma mineral natural de la apatita cálcica con la fórmula Ca5(PO4)3(OH). Para denotar que la celda unitaria cristalina comprende dos entidades, se suele escribir Ca10(PO4)6(OH)2. La hidroxiapatita es el extremo hidroxilado del grupo de las apatitas complejas. El ion OH- puede ser sustituido por fluoruro, cloruro o carbonato, produciendo fluorapatita o clorapatita. Cristaliza en el sistema cristalino hexagonal. La HAp se conoce como material óseo, ya que hasta el 50% en peso del hueso es una forma modificada de hidroxiapatita.
En medicina, el HAp poroso nanoestructurado es un material interesante para la aplicación del hueso artificial. Debido a su buena biocompatibilidad en contacto con el hueso y a su composición química similar a la del material óseo, la cerámica HAp porosa ha encontrado un enorme uso en aplicaciones biomédicas que incluyen la regeneración del tejido óseo, la proliferación celular y la administración de fármacos.
"En ingeniería de tejidos óseos se ha aplicado como material de relleno para defectos óseos y aumento, material de injerto óseo artificial y cirugía de revisión de prótesis. Su elevada superficie le confiere una excelente osteoconductividad y reabsorbibilidad, proporcionando un rápido crecimiento óseo" [Soypan et al. 2007]. [Soypan et al. 2007] Así pues, muchos implantes modernos están recubiertos de hidroxiapatita.
Otra aplicación prometedora de la hidroxiapatita microcristalina es su uso como “fortalecedor de huesos” suplemento con una absorción superior en comparación con el calcio.
Además de su uso como material de reparación para huesos y dientes, se pueden encontrar otras aplicaciones del HAp en catálisis, producción de fertilizantes, como compuesto en productos farmacéuticos, en aplicaciones de cromatografía de proteínas y en procesos de tratamiento de aguas.

Ultrasonidos de potencia: Efectos e impacto

La sonicación se describe como un proceso en el que se utiliza un campo acústico acoplado a un medio líquido. Las ondas ultrasónicas se propagan en el líquido y producen ciclos alternos de alta presión/baja presión (compresión y rarefacción). Durante la fase de rarefacción surgen pequeñas burbujas de vacío o vacíos en el líquido, que crecen a lo largo de varios ciclos de alta presión/baja presión hasta que la burbuja no puede absorber más energía. En esta fase, las burbujas implosionan violentamente durante una fase de compresión. Durante el colapso de la burbuja se libera una gran cantidad de energía en forma de ondas de choque, altas temperaturas (aprox. 5.000K) y presiones (aprox. 2.000atm). Además, estos "puntos calientes" se caracterizan por tasas de enfriamiento muy elevadas. La implosión de la burbuja también da lugar a chorros de líquido de hasta 280 m/s de velocidad. Este fenómeno se denomina cavitación.
Cuando estas fuerzas extremas, que se generan durante el colapso de las burbujas de cavitación, se expanden en el medio sonicado, las partículas y las gotitas se ven afectadas – dando lugar a una colisión entre partículas de modo que el sólido se fragmenta. De este modo, se consigue la reducción del tamaño de las partículas, como la molienda, la desaglomeración y la dispersión. Las partículas pueden reducirse a tamaños submicrónicos y nanométricos.
Además de los efectos mecánicos, la potente sonicación puede crear radicales libres, cizallar moléculas y activar las superficies de las partículas. Este fenómeno se conoce como sonoquímica.

sonosíntesis

El tratamiento ultrasónico de los lodos da lugar a partículas muy finas con una distribución uniforme, de modo que se crean más puntos de nucleación para la precipitación.
Las partículas de HAp sintetizadas mediante ultrasonidos muestran un menor nivel de aglomeración. La menor tendencia a la aglomeración de las HAp sintetizadas por ultrasonidos fue confirmada, por ejemplo, por el análisis FESEM (Microscopía Electrónica de Barrido por Emisión de Campo) de Poinern et al. (2009).

Los ultrasonidos ayudan y promueven las reacciones químicas mediante la cavitación ultrasónica y sus efectos físicos que influyen directamente en la morfología de las partículas durante la fase de crecimiento. Las principales ventajas de la ultrasonicación en la preparación de mezclas de reacción superfinas son las siguientes

  • 1) mayor velocidad de reacción,
  • 2) reducción del tiempo de tramitación
  • 3) una mejora general del uso eficiente de la energía.

Poinern et al. (2011) desarrollaron una vía húmeda-química que utiliza nitrato de calcio tetrahidratado (Ca[NO3]2 - 4H2O) y dihidrogenofosfato de potasio (KH2PO4) como reactivos principales. Para controlar el valor del pH durante la síntesis, se añadió hidróxido de amonio (NH4OH).
El procesador de ultrasonidos era un UP50H (50 W, 30 kHz, sonotrodo MS7 con 7 mm de diámetro) de Hielscher Ultrasonics.

Calcio-hidroxiapatita dispersada por ultrasonidos

Calcio-hidroxiapatita reducida y dispersada por ultrasonidos

Pasos de la síntesis de nano-HAP:

Una solución de 40 mL de 0,32M Ca(NO3)2 - 4H2O en un vaso de precipitados pequeño. A continuación, se ajustó el pH de la solución a 9,0 con aproximadamente 2,5 ml de NH4OH. La solución se sonicó con el UP50H al 100% de amplitud durante 1 hora.
Al final de la primera hora, una solución de 60 mL de 0,19M [KH2PO4A continuación, se añadió lentamente gota a gota a la primera solución mientras se sometía a una segunda hora de irradiación ultrasónica. Durante el proceso de mezclado, se comprobó el valor del pH y se mantuvo en 9, mientras que la relación Ca/P se mantuvo en 1,67. A continuación, la solución se filtró mediante centrifugación (~2000 g), tras lo cual el precipitado blanco resultante se dosificó en varias muestras para su tratamiento térmico.
La presencia de ultrasonidos en el procedimiento de síntesis previo al tratamiento térmico tiene una influencia significativa en la formación de los precursores iniciales de partículas de nano-HAP. Esto se debe a que el tamaño de las partículas está relacionado con la nucleación y el patrón de crecimiento del material, que a su vez está relacionado con el grado de supersaturación dentro de la fase líquida.
Además, durante este proceso de síntesis se puede influir directamente tanto en el tamaño de las partículas como en su morfología. El efecto de aumentar la potencia de los ultrasonidos de 0 a 50 W demostró que era posible disminuir el tamaño de las partículas antes del tratamiento térmico.
El aumento de la potencia de los ultrasonidos utilizados para irradiar el líquido indicaba que se producía un mayor número de burbujas/cavitaciones. Esto, a su vez, produjo más sitios de nucleación y, como resultado, las partículas formadas alrededor de estos sitios son más pequeñas. Además, las partículas expuestas a periodos más largos de irradiación ultrasónica muestran menos aglomeración. Los datos FESEM posteriores han confirmado la menor aglomeración de partículas cuando se utilizan ultrasonidos durante el proceso de síntesis.
Se produjeron partículas de nano-HAp de tamaño nanométrico y morfología esférica mediante una técnica de precipitación química húmeda en presencia de ultrasonidos. Se comprobó que la estructura cristalina y la morfología de los polvos de nano-HAP resultantes dependían de la potencia de la fuente de irradiación ultrasónica y del posterior tratamiento térmico utilizado. Era evidente que la presencia de ultrasonidos en el proceso de síntesis promovía las reacciones químicas y los efectos físicos que posteriormente producían los polvos ultrafinos de nano-HAP tras el tratamiento térmico.

Ultrasonidos continuos con una célula de flujo de vidrio

Sonicación en una cámara de reacción ultrasónica

Hidroxiapatita:

  • principal mineral inorgánico de fosfato cálcico
  • alta biocompatibilidad
  • biodegradabilidad lenta
  • osteoconductor
  • No tóxico
  • no inmunogénico
  • puede combinarse con polímeros y/o vidrio
  • buena matriz de estructura de absorción para otras moléculas
  • excelente sustituto del hueso

Los homogeneizadores ultrasónicos son potentes herramientas para sintetizar y funcionalizar partículas, como HAp

Ultrasonicador con sonda UP50H

Síntesis de HAp por vía ultrasónica Sol-Gel

Ruta sol-gel asistida por ultrasonidos para la síntesis de partículas nanoestructuradas de HAp:
Material:
– reactivos: Nitrato de calcio Ca(NO3)2hidrogenofosfato de di-amonio (NH4)2HPO4, Hidróxido sódico NaOH ;
– Tubo de ensayo de 25 ml

  1. Disolver Ca(NO3)2 y (NH4)2HPO4 en agua destilada (relación molar calcio-fósforo: 1,67)
  2. Añade un poco de NaOH a la solución para mantener su pH en torno a 10.
  3. Tratamiento ultrasónico con un UP100H (sonotrodo MS10, amplitud 100%)
  • Las síntesis hidrotermales se realizaron a 150°C durante 24 h en un horno eléctrico.
  • Tras la reacción, la HAp cristalina puede recogerse por centrifugación y lavado con agua desionizada.
  • Análisis del nanopolvo de HAp obtenido mediante microscopía (SEM, TEM,) y/o espectroscopía (FT-IR). Las nanopartículas de HAp sintetizadas muestran una elevada cristalinidad. Se observan diferentes morfologías en función del tiempo de sonicación. Una sonicación más prolongada puede dar lugar a nanorods de HAp uniformes con una elevada relación de aspecto y una cristalinidad ultra alta. [cp. Manafi et al. 2008].

Modificación de HAp

Debido a su fragilidad, la aplicación de la HAp pura es limitada. En la investigación de materiales, se han realizado muchos esfuerzos para modificar la HAp con polímeros, ya que el hueso natural es un compuesto formado principalmente por cristales de HAp de tamaño nanométrico y con forma de aguja (representa aproximadamente el 65% en peso del hueso). La modificación de la HAp asistida por ultrasonidos y la síntesis de compuestos con características materiales mejoradas ofrecen múltiples posibilidades (véanse algunos ejemplos a continuación).

Ejemplos prácticos:

Síntesis de nano-HAp

En el estudio de Poinern et al. (2009), un Hielscher UP50H Se utilizó con éxito un ultrasonicador tipo sonda para la sonosíntesis de HAp. Con el aumento de la energía ultrasónica, el tamaño de las partículas de los cristalitos de HAp disminuyó. Se preparó hidroxiapatita (HAp) nanoestructurada mediante una técnica de precipitación húmeda asistida por ultrasonidos. Se utilizó Ca(NO3) y KH25PO4 como material principal y NH3 como precipitador. La precipitación hidrotérmica bajo irradiación ultrasónica dio lugar a partículas de HAp de tamaño nanométrico con una morfología esférica en el rango de tamaño nanométrico (aprox. 30 nm ± 5%). Poinern y sus colaboradores consideraron que la síntesis sonohidrotérmica era una ruta económica con una gran capacidad de escalado para la producción comercial.

Síntesis de gelantina-hidroxiapatita (Gel-HAp)

Brundavanam y colaboradores han preparado con éxito un compuesto de gelantina-hidroxiapatita (Gel-HAp) en condiciones de sonicación suave. Para la preparación de gelantina-hidroxiapatita, se disolvió completamente 1g de gelatina en 1000mL de agua MilliQ a 40°C. A continuación, se añadieron 2mL de la solución de gelatina preparada a la solución de Ca2+/NH3 mezcla. La mezcla se sonicó con un UP50H ultrasonicador (50W, 30kHz). Durante la sonicación, se añadieron 60 ml de KH2PO4 se añadieron gota a gota a la mezcla.
Se sonicó toda la solución durante 1h. Se comprobó el valor del pH y se mantuvo en pH 9 en todo momento y la relación Ca/P se ajustó a 1,67. El precipitado blanco se filtró por centrifugación, obteniéndose una pasta espesa. Las diferentes muestras se trataron térmicamente en un horno tubular durante 2 h a temperaturas de 100, 200, 300 y 400°C. De este modo, se obtuvo un polvo de Gel-HAp en forma granular, que se trituró hasta obtener un polvo fino y se caracterizó por DRX, FE-SEM y FT-IR. Los resultados muestran que la ultrasonicación suave y la presencia de gelatina durante la fase de crecimiento del HAp favorecen una menor adhesión, lo que resulta en un menor tamaño y en la formación de una forma esférica regular de las nanopartículas de Gel-HAp. La sonicación suave ayuda a la síntesis de nanopartículas de Gel-HAp debido a los efectos de homogeneización ultrasónica. Las especies amida y carbonilo de la gelatina se adhieren posteriormente a las nanopartículas de HAp durante la fase de crecimiento a través de una interacción asistida por sonoquímica.
[Brundavanam et al. 2011]

Deposición de HAp sobre plaquetas de titanio

Ozhukil Kollatha et al. (2013) han recubierto placas de Ti con hidroxiapatita. Antes de la deposición, la suspensión de HAp se homogeneizó con un UP400S (aparato ultrasónico de 400 vatios con bocina ultrasónica H14, tiempo de sonicación 40 seg. al 75% de amplitud).

HAp recubierto de plata

Ignatev y colaboradores (2013) desarrollaron un método biosintético en el que se depositaron nanopartículas de plata (AgNp) sobre HAp para obtener un recubrimiento de HAp con propiedades antibacterianas y disminuir el efecto citotóxico. Para la desaglomeración de las nanopartículas de plata y para su sedimentación sobre la hidroxiapatita, se utilizó un método de Hielscher UP400S se utilizó.

Ignatev y sus colaboradores utilizaron el dispositivo ultrasónico tipo sonda UP400S para la producción de HAp recubierto de plata.

Una configuración de agitador magnético y ultrasonidos UP400S se utilizó para la preparación de Hap recubiertos de plata [Ignatev et al 2013].


Nuestros potentes dispositivos ultrasónicos son herramientas fiables para tratar partículas de tamaño inferior a micras y nanómetros. Tanto si desea sintetizar, dispersar o funcionalizar partículas en tubos pequeños con fines de investigación como si necesita tratar grandes volúmenes de lechadas de nanopolvos para la producción comercial... – Hielscher le ofrece el ultrasonido adecuado a sus necesidades.

UP400S con reactor ultrasónico

Homogeneizador ultrasónico UP400S


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Literatura/Referencias

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