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.

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 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 mezcla, 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.

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:

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.

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.