Nano-hüdroksüapatiidi sonosüntees

Hüdroksüapatiit (HA või HAp) on meditsiinilistel eesmärkidel laialdaselt kasutatav bioaktiivne keraamika, kuna selle struktuur sarnaneb luumaterjaliga. Hüdroksüapatiidi ultraheli abil toimuv süntees (sonosüntees) on edukas meetod nanostruktuurse HAp tootmiseks kõrgeimatele kvaliteedistandarditele vastavalt. Ultraheli meetod võimaldab toota nanokristallilist HAp-d, aga ka modifitseeritud osakesi, nt tuum-kest-nanosfääre, ning komposiite.

Hüdroksüapatiit: mitmekülgne mineraal

Hüdroksüapatiit ehk hüdroksüülapatiit (HAp, ka HA) on looduslikult esinev kaltsiumapatiidi mineraalne vorm valemiga Ca₅(PO₄)₃(OH). Et näidata, et kristalli elementaarrakk sisaldab kahte üksust, kirjutatakse see tavaliselt kujul Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Hüdroksüülapatiit on keerulise apatiidirühma hüdroksüülne lõpp-liige. OH- ioon võib olla asendatud fluoriidi, kloriidi või karbonaadiga, mille tulemusel tekib fluorapatiit või klorapatiit. See kristalliseerub heksagonaalses kristallisüsteemis. HAp on tuntud kui luumaterjal, kuna kuni 50 wt% luust on hüdroksüapatiidi modifitseeritud vorm.
Meditsiinis on nanostruktuurne poorne HAp huvitav materjal tehisluu rakenduste jaoks. Tänu heale biosobivusele luukontaktis ja luumaterjaliga sarnasele keemilisele koostisele on poorne HAp-keraamika leidnud tohutut kasutust biomeditsiinilistes rakendustes, sealhulgas luukoe regeneratsioonis, rakkude proliferatsioonis ja ravimite kohaletoimetamisel.
„Luukoe inseneerias on seda kasutatud luudefektide täitematerjalina ja luu augmentatsiooniks, tehisluu siirdematerjalina ning proteesi revisioonikirurgias. Selle suur eripind tagab suurepärase osteokonduktiivsuse ja resorbeeruvuse, mis võimaldab kiiret luu sissekasvu.” [Soypan et al. 2007] Seega on paljud kaasaegsed implantaadid kaetud hüdroksüülapatiidiga.
Veel üks paljulubav mikrokristallilise hüdroksüülapatiidi rakendus on selle kasutamine „luud ehitava” toidulisandina, mille imendumine on kaltsiumiga võrreldes parem.
Lisaks kasutamisele luude ja hammaste parandusmaterjalina leidub HAp-i muid rakendusi katalüüsis, väetiste tootmises, farmaatsiatoodete koostisosana, valkude kromatograafias ning veetöötlusprotsessides.

Suure võimsusega ultraheli: toimed ja mõju

Sonikeerimine (ultraheli töötlus) on protsess, mille käigus kasutatakse akustilist välja, mis on seotud vedela keskkonnaga. Ultrahelilained levivad vedelikus ja tekitavad vahelduvaid kõrg- ja madalrõhutsükleid (kokkusurumine ja hõrenemine). Hõrenemisfaasis tekivad vedelikus väikesed vaakumimullid ehk tühimikud, mis kasvavad mitme kõrg- ja madalrõhutsükli jooksul, kuni mull ei suuda enam energiat neelata. Selles faasis mullid implodeeruvad kokkusurumisfaasis vägivaldselt. Sellise mulli kollapsi käigus vabaneb suur hulk energiat lööklainete, kõrgete temperatuuride (ca 5 000K) ja rõhkude (ca 2 000atm) kujul. Lisaks iseloomustab neid „kuumi kohti” väga suur jahtumiskiirus. Mulli implosioon tekitab ka vedelikujoad kiirusega kuni 280m/s. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks.
Kui need äärmuslikud jõud, mis tekivad kavitatsioonimullide kollapsi käigus, levivad sonikeeritavas keskkonnas, mõjutavad need osakesi ja tilku – see põhjustab osakestevahelisi kokkupõrkeid, mille tagajärjel tahked osakesed purunevad. Seeläbi saavutatakse osakeste suuruse vähendamine, näiteks jahvatamine, deaglomeratsioon ja dispergeerimine. Osakesi saab peenestada submikron- ja nanosuuruseni.
Lisaks mehaanilistele efektidele võib võimas sonikeerimine tekitada vabu radikaale, lõhkuda molekule nihkejõudude toimel ja aktiveerida osakeste pindu. Seda nähtust tuntakse sonokeemiana.

Sonosüntees

Läga ultraheli töötlus annab väga peeneid ühtlase jaotusega osakesi, mistõttu tekib sadestumiseks rohkem tuumestumiskohti.
Ultrahelitöötluse käigus sünteesitud HAp osakestel on aglomeratsiooni tase madalam. Ultrahelil sünteesitud HAp väiksemat aglomeeruvuse kalduvust kinnitas nt FESEM-analüüs (Field Emission Scanning Electron Microscopy ehk väljaemissiooniga skaneeriv elektronmikroskoopia), mille tegid Poinern et al. (2009).

Ultraheli toetab ja soodustab keemilisi reaktsioone ultraheli kavitatsiooni ja selle füüsikaliste mõjude kaudu, mis mõjutavad otseselt osakeste morfoloogiat kasvufaasis. Ultraheli töötluse peamised eelised ülipeente reaktsioonisegude valmistamisel on

1) suurem reaktsioonikiirus,
2) lühem töötlusaeg
3) energia tõhusama kasutamise üldine paranemine.

Poinern et al. (2011) töötasid välja märgkeemilise meetodi, milles peamiste lähteainetena kasutatakse kaltsiumnitraat-tetrahüdraati (Ca[NO3]2 · 4H2O) ja kaaliumdivesinikfosfaati (KH2PO4). Sünteesi ajal pH väärtuse reguleerimiseks lisati ammooniumhüdroksiidi (NH4OH).
Ultraheliprotsessorina kasutati seadet UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 sonotrood 7 mm läbimõõduga) ettevõttelt Hielscher Ultrasonics.

Ultraheliga dispergeeritud kaltsiumhüdroksüapatiit

Ultraheliga peenestatud ja dispergeeritud kaltsium-hüdroksüapatiit

Nano-HAP sünteesi etapid:

Väikeses keeduklaasis valmistati 40 mL lahus, mis sisaldas 0,32M Ca(NO₃)₂ · 4H₂O. Seejärel reguleeriti lahuse pH väärtuseks 9,0 ligikaudu 2,5mL NH₄OH-ga. Lahust töödeldi ultrahelil seadmega UP50H amplituudi seadistusel 100% 1 tunni jooksul.
Pärast esimest tundi lisati aeglaselt tilkhaaval esimesele lahusele 60 mL lahus, mis sisaldas 0,19M [KH₂PO₄], samal ajal kui toimus teine tund ultraheliga kiiritamist. Segamise ajal kontrolliti pH väärtust ja hoiti seda 9 juures, Ca/P suhet hoiti 1,67 juures. Seejärel filtreeriti lahus tsentrifuugimise abil (~2000 g), misjärel saadud valge sade jagati mitmeks proovitükiks kuumtöötlemiseks.
Ultraheli kasutamine sünteesiprotseduuris enne termilist töötlust avaldab olulist mõju esialgsete nano-HAP osakeste lähteühendite tekkele. See tuleneb sellest, et osakeste suurus on seotud tuumestumise ja materjali kasvumustriga, mis omakorda on seotud üleküllastuse astmega vedelas faasis.
Lisaks saab selle sünteesiprotsessi käigus otseselt mõjutada nii osakeste suurust kui ka morfoloogiat. Ultraheli võimsuse suurendamise mõju vahemikus 0 kuni 50W näitas, et osakeste suurust oli võimalik enne termilist töötlust vähendada.
Vedeliku kiiritamiseks kasutatud ultraheli võimsuse suurendamine näitas, et tekkis rohkem mulle/kavitatsiooni. See omakorda tekitas rohkem tuumestumiskohti ja seetõttu on nende kohtade ümber tekkivad osakesed väiksemad. Lisaks näitavad pikema aja jooksul ultraheliga kiiritatud osakesed vähem aglomeratsiooni. Hilisemad FESEM-andmed on kinnitanud osakeste aglomeratsiooni vähenemist, kui sünteesiprotsessis kasutatakse ultraheli.
Nanomeetrilise suurusvahemiku ja sfäärilise morfoloogiaga nano-HAp osakesed saadi märgsadestamise meetodil ultraheli juuresolekul. Leiti, et saadud nano-HAP pulbrite kristalne struktuur ja morfoloogia sõltusid ultraheliallika kiirgusvõimsusest ja sellele järgnevast termilisest töötlusest. Oli ilmne, et ultraheli kasutamine sünteesiprotsessis soodustas keemilisi reaktsioone ja füüsikalisi mõjusid, mis tekitasid pärast termilist töötlust ülipeened nano-HAp pulbrid.

Pidev ultraheli töötlus klaasist läbivoolukambriga

Sonikeerimine ultraheli reaktorkambris

Hielscher Ultrasonics on uhke 7. rahvusvahelise meditsiinilise keemia elektroonilise konverentsi sponsor.

Hielscher Ultrasonics on uhke 7th International Electronic Conference on Medicinal Chemistry konverentsi toetaja. Klõpsake siia, et saada lisateavet ettekannete ja osalemise kohta!

Hüdroksüapatiit:

peamine anorgaaniline kaltsiumfosfaatmineraal
kõrge biosobivus
aeglane biolagunevus
osteokonduktiivne
mittetoksiline
mitteimmunogeenne
saab kombineerida polümeeride ja/või klaasiga
hea absorptsioonistruktuuriga maatriks teistele molekulidele
suurepärane luuasendaja

Ultraheli homogenisaatorid on võimsad töövahendid osakeste, näiteks HAp, sünteesimiseks ja funktsionaliseerimiseks

Sondtüüpi ultrahelitöötluseade UP50H

HAp süntees ultraheli sool-geel meetodil

Ultraheli abil toimuv sool-geel meetod nanostruktuursete HAp osakeste sünteesiks:
Materjal:
– lähteained: kaltsiumnitraat Ca(NO₃)₂, diammooniumvesinikfosfaat (NH₄)₂HPO₄, naatriumhüdroksiid NaOH ;
– 25 ml katsutoru

Lahustage Ca(NO₃)₂ ja (NH₄)₂HPO₄ destilleeritud vees (kaltsiumi ja fosfori moolsuhe: 1,67)
Lisage lahusele veidi NaOH, et hoida selle pH ligikaudu 10 juures.
Ultraheli töötlus seadmega UP100H (sonotrood MS10, amplituud 100%)

Hüdrotermilised sünteesid viidi läbi temperatuuril 150°C 24 tunni jooksul elektriahjus.
Pärast reaktsiooni saab kristalse HAp koguda tsentrifuugimise ja deioniseeritud veega pesemise teel.
Saadud HAp nanopulbri analüüs mikroskoopia (SEM, TEM,) ja/ või spektroskoopia (FT-IR) abil. Sünteesitud HAp nanoosakestel on kõrge kristallilisus. Sõltuvalt ultraheli töötluse kestusest võib täheldada erinevat morfoloogiat. Pikem ultraheli töötlus võib viia ühtlaste HAp nanovarrasteni, millel on suur pikkuse ja läbimõõdu suhe ning ülikõrge kristallilisus. [vrd. Manafi et al. 2008]

HAp modifitseerimine

Haprusest tingituna on puhta HAp kasutamine piiratud. Materjaliuuringutes on tehtud palju jõupingutusi HAp modifitseerimiseks polümeeridega, kuna looduslik luu on komposiit, mis koosneb peamiselt nanomõõtmelistest nõelataolistest HAp kristallidest (moodustavad umbes 65wt% luust). Ultraheli abil toimuv HAp modifitseerimine ja paremate materjaliomadustega komposiitide süntees pakub mitmekesiseid võimalusi (vt allpool mõnda näidet).

Praktilised näited:

Nano-HAp süntees

Poinern et al. (2009) uuringus kasutati edukalt HAp sono-sünteesiks Hielscheri UP50H sondtüüpi ultrahelitöötluseadet. Ultraheli energia suurendamisel HAp kristalliitide osakeste suurus vähenes. Nanostruktuurne hüdroksüapatiit (HAp) valmistati ultraheli abil toimuva märgsadestamise meetodil. Põhimaterjalina kasutati Ca(NO₃) ja KH₂₅PO₄ ning sadestajana NH₃ . Hüdrotermiline sadestamine ultraheli kiiritamisel andis nanomõõtmelisi HAp osakesi sfäärilise morfoloogiaga nanomeetrilises suurusvahemikus (ligikaudu 30nm ± 5%). Poinern ja kaastöötajad pidasid sono-hüdrotermilist sünteesi säästlikuks meetodiks, millel on tugev potentsiaal laiendamiseks kommertstootmisele.

Želatiini-hüdroksüapatiidi (Gel-HAp) süntees

Brundavanam ja kaastöötajad on edukalt valmistanud želatiin-hüdroksüapatiit (Gel-HAp) komposiidi leebetes ultraheli töötluse tingimustes. Želatiin-hüdroksüapatiidi valmistamiseks lahustati 1g želatiini täielikult 1000mL MilliQ vees temperatuuril 40°C. Seejärel lisati 2mL valmistatud želatiinilahust Ca2+/NH₃ segule. Segu töödeldi ultraheliga seadmega UP50H (50W, 30kHz). Ultraheli töötluse ajal lisati segule tilkhaaval 60mL 0,19M KH₂PO₄ lahust.
Kogu lahust töödeldi ultraheliga 1h. pH väärtust kontrolliti ja hoiti kogu aeg pH 9 juures ning Ca/P suhe reguleeriti väärtusele 1,67. Valge sade filtreeriti tsentrifuugimise teel, mille tulemuseks oli paks suspensioon. Erinevaid proove kuumtöödeldi torahjus 2h temperatuuridel 100, 200, 300 ja 400°C. Seeläbi saadi graanulitena Gel–HAp pulber, mis jahvatati peenpulbriks ja iseloomustati XRD, FE-SEM ja FT-IR meetodil. Tulemused näitavad, et leebe ultraheli töötlus ja želatiini olemasolu HAp kasvufaasis soodustavad väiksemat adhesiooni – mille tulemusena Gel–HAp nanoosakesed on väiksemad ja omandavad korrapärase sfäärilise kuju. Leebe ultraheli töötlus soodustab nanomõõtmeliste Gel–HAp osakeste sünteesi ultraheli homogeniseerimise mõjul. Želatiini amiid- ja karbonüülrühmad kinnituvad seejärel HAp nanoosakestele kasvufaasis sonokeemiliselt toetatud interaktsiooni kaudu.
[Brundavanam et al. 2011]

HAp sadestamine titaaniplaatidele

Ozhukil Kollatha et al. (2013) on katnud Ti plaadid hüdroksüapatiidiga. Enne sadestamist homogeniseeriti HAp suspensioon seadmega UP400S (400-vatine ultraheliseade ultraheli sarvega H14, sonikeerimisaeg 40 sek 75% amplituudil).

Hõbedaga kaetud HAp

Ignatev ja kaastöötajad (2013) töötasid välja biosünteetilise meetodi, mille puhul hõbenanoosakesed (AgNp) kanti HAp-le, et saada antibakteriaalsete omadustega HAp-kate ja vähendada tsütotoksilist toimet. Hõbenanoosakeste deaglomeratsiooniks ja nende sadestamiseks hüdroksüapatiidile kasutati Hielscheri UP400S seadet.

Magnetsegaja ja ultraheli sonikaatori UP400S koostu kasutati hõbedaga kaetud HAp valmistamiseks [Ignatev et al 2013]

Meie võimsad ultraheliseadmed on töökindlad tööriistad submikroni- ja nanosuuruses osakeste töötlemiseks. Olenemata sellest, kas soovite osakesi sünteesida, dispergeerida või funktsionaliseerida väikestes katseklaasides uurimiseesmärgil või peate töötlema suuri nanopulbri suspensioonide koguseid tööstuslikuks tootmiseks – Hielscher pakub teie nõuetele sobivat sonikaatorit!

Ultraheli homogenisaator UP400S

Kirjandus ja viited

Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Lahjendatud želatiini mõju nano-hüdroksüapatiidi ultraheli ja termiliselt toetatud sünteesile. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Hüdroksüapatiidi nanoosakeste süntees ja iseloomustamine. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 322; 2008. 29-33.
Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Hõbenanoosakestega plasmapihustatud hüdroksüapatiitkatted. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Poly(d,l-laktiid-ko-glükoliid)/ hüdroksüapatiit tuum–kest nanosfääride kontrollitud kokkupanek ultraheli kiirituse all. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Hüdroksüapatiidi valmistamine veise luust ultraheli ja pihustuskuivatuse kombineeritud meetodite abil. Intl. Conf. on Chemical, Bio-Chemical and Environmental Sciences (ICBEE’2012) Singapore, December 14-15, 2012.
Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Ultraheli mõju nano-hüdroksüapatiidi kristallilisusele märgkeemilise meetodi korral. 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): Hüdroksüapatiidi vahelduv- ja alalisvoolu-elektroforeetiline sadestamine titaanile. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715–2721.
Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): 30 nm suuruste osakeste põhisest hüdroksüapatiidi pulbrist saadud poorse keraamika mehaanilised omadused võimalikeks kõvakoe tehnoloogia rakendusteks. 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): Termilise ja ultraheli mõju nanomeetrilise skaala hüdroksüapatiitse biokeraamika tekkele. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Nano-hüdroksüapatiidi süntees ja iseloomustamine ultraheli abil toetatud meetodil. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Poorne hüdroksüapatiit tehisluu rakendusteks. Science and Technology of Advanced Materials 8. 2007. 116.
Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.

Seotud teemad

Ultraheliseadmed laborikasutuseks ja tootmiseks, näiteks UIP1500hd, tagavad täieliku tööstusliku taseme.

Ultraheliseade UIP1500hd läbivoolureaktoriga