Nano-hüdroksüapatiidi sonosüntees

Hüdroksüapatiit (HA või HAp) on meditsiinilistel eesmärkidel väga sagedane bioaktiivne keraamika, kuna see on sarnase struktuuriga luumaterjaliga. Hüdroksüapatiidi ultraheli abil süntees (sono-süntees) on edukas meetod nanostruktuurse HAp tootmiseks kõrgeimate kvaliteedistandardite kohaselt. Ultraheli marsruut võimaldab toota nanokristalset HAp-i, samuti modifitseeritud osakesi, nt südamik-kestaga nanosfääre ja komposiite.

Hüdroksüapatiit: mitmekülgne mineraal

Hüdroksülapatiit või hüdroksüapatiit (HAp, ka HA) on looduslikult esinev kaltsiumapatiidi mineraalne vorm valemiga Ca5(PO4)3(OH). Tähistamaks, et kristallühikrakk koosneb kahest üksusest, kirjutatakse tavaliselt Ca10(PO4)6(OH)2. Hüdroksülapatiit on kompleksse apatiidi rühma hüdroksüül-lõppliige. OH-iooni võib asendada fluoriidi, kloriidi või karbonaadiga, tekitades fluorapatiidi või klorapatiiti. See kristalliseerub kuusnurkses kristallisüsteemis. HAp on tuntud kui luumaterjal, kuna kuni 50 massiprotsenti luust on hüdroksüapatiidi modifitseeritud vorm.
Meditsiinis on nanostruktuurne poorne HAp huvitav materjal kunstluude kasutamiseks. Tänu oma heale bioloogilisele kokkusobivusele luuga kokkupuutel ja sarnasele keemilisele koostisele luumaterjaliga on poorne HAp-keraamika leidnud tohutut kasutamist biomeditsiinilistes rakendustes, sealhulgas luukoe regenereerimisel, rakkude proliferatsioonil ja ravimite manustamisel.
"Luukoetehnoloogias on seda kasutatud täitematerjalina luudefektide ja augmentatsiooni, kunstliku luusiiriku materjali ja proteeside korrigeerimise operatsiooni korral. Selle suur pindala toob kaasa suurepärase osteojuhtivuse ja resorbeeruvuse, mis tagab kiire luu sissekasvu. [Soypan et al. 2007] Niisiis, paljud kaasaegsed implantaadid on kaetud hüdroksülapatiidiga.
Teine paljutõotav mikrokristalse hüdroksülapatiidi kasutamine on selle kasutamine “luude ehitamine” täiendada parema imendumisega võrreldes kaltsiumiga.
Lisaks selle kasutamisele luude ja hammaste parandusmaterjalina võib HAp-i muid rakendusi leida katalüüsis, väetiste tootmises, farmaatsiatoodete ühendina, valgukromatograafia rakendustes ja veepuhastusprotsessides.

Võimsus ultraheli: mõju ja mõju

Sonikatsiooni kirjeldatakse kui protsessi, kus kasutatakse akustilist välja, mis on ühendatud vedela keskkonnaga. Ultraheli lained levivad vedelikus ja tekitavad vahelduvaid kõrgsurve / madala rõhu tsükleid (kokkusurumine ja haruldane). Haruldase faasi ajal tekivad vedelikus väikesed vaakummullid või tühimikud, mis kasvavad erinevate kõrgsurve/ madalrõhutsüklite jooksul, kuni mull ei suuda enam energiat absorbeerida. Selles faasis implodeeruvad mullid tihendusfaasi ajal ägedalt. Sellise mullide kokkuvarisemise ajal vabaneb suur hulk energiat lööklainete, kõrgete temperatuuride (umbes 5,000K) ja rõhkude (umbes 2,000atm) kujul. Lisaks iseloomustavad neid "kuumi kohti" väga kõrged jahutuskiirused. Mulli implosiooni tulemuseks on ka vedelikujoad kiirusega kuni 280 m / s. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks.
Kui need äärmuslikud jõud, mis tekivad kavitatsioonimullide kokkuvarisemise ajal, laienevad ultrahelitöötlusega töödeldud keskkonnas, mõjutavad osakesed ja tilgad – mille tulemuseks on osakestevaheline kokkupõrge, nii et tahke aine puruneb. Seeläbi saavutatakse osakeste suuruse vähendamine, nagu jahvatamine, deagglomeratsioon ja dispersioon. Osakesi saab tükeldada submikroni- ja nanosuuruseks.
Mehaaniliste efektide kõrval võib võimas ultrahelitöötlus luua vabu radikaale, nihkemolekule ja aktiveerida osakeste pindu. Neid nähtusi nimetatakse sonokeemiaks.

Sono-süntees

Läga ultraheli töötlemine toob kaasa väga peened osakesed, millel on ühtlane jaotus, nii et tekib rohkem sademete nukleatsioonikohti.
Ultraheli abil sünteesitud HAp-osakesed näitavad aglomeratsiooni taseme langust. Ultraheli sünteesitud HAp madalamat kalduvust aglomeratsioonile kinnitas nt Poinern jt (2009) FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) analüüs.

Ultraheli aitab ja soodustab keemilisi reaktsioone ultraheli kavitatsiooni ja selle füüsikaliste mõjude abil, mis mõjutavad otseselt osakeste morfoloogiat kasvufaasis. Ultraheli peamised eelised, mille tulemuseks on superfine reaktsioonisegude valmistamine, on

  • 1) suurenenud reaktsioonikiirus,
  • 2) vähenenud töötlemisaeg
  • 3) energia tõhusa kasutamise üldine paranemine.

Poinern jt (2011) töötasid välja märgkeemilise tee, mis kasutab peamiste reaktiividena kaltsiumnitraattetrahüdraati (Ca[NO3]2 · 4H2O) ja kaaliumdivesinikfosfaati (KH2PO4). PH väärtuse kontrollimiseks sünteesi ajal lisati ammooniumhüdroksiid (NH4OH).
Ultraheli protsessor oli UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode w / 7 mm läbimõõduga) alates Hielscher Ultrasonics.

Ultraheli dispergeeritud kaltsium-hüdroksüapatiit

Ultraheli redutseeritud ja dispergeeritud kaltsium-hüdroksüapatiit

Nano-HAP sünteesi etapid:

40 ml 0,32M Ca(NO) lahus3)2 · 4H2O valmistati väikeses keeduklaasis. Seejärel reguleeriti lahuse pH ligikaudu 2,5 ml NH-ga 9,0-ni4OH. Lahus töödeldi ultraheliga UP50H 100% amplituudi seadistuses 1 tund.
Esimese tunni lõpus 60 ml 0,19M lahus [KH2PO4] lisati seejärel aeglaselt tilkhaaval esimesse lahusesse, läbides teise tunni ultraheli kiiritamise. Segamisprotsessi ajal kontrolliti pH väärtust ja hoiti seda 9 juures, samal ajal kui Ca/P suhe jäi 1,67 juurde. Seejärel filtreeriti lahus tsentrifuugimise teel (~2000 g), misjärel saadud valge sade jaotati kuumtöötlemiseks mitmeks prooviks.
Ultraheli olemasolu sünteesiprotseduuris enne termilist töötlemist mõjutab oluliselt algsete nano-HAP osakeste prekursorite moodustumist. Selle põhjuseks on osakeste suurus, mis on seotud tuumastumise ja materjali kasvumustriga, mis omakorda on seotud vedela faasi superküllastumise astmega.
Lisaks saab selle sünteesiprotsessi käigus otseselt mõjutada nii osakeste suurust kui ka selle morfoloogiat. Ultraheli võimsuse suurendamise mõju 0 kuni 50W näitas, et enne termilist töötlemist oli võimalik osakeste suurust vähendada.
Vedeliku kiiritamiseks kasutatud suurenev ultraheli võimsus näitas, et tekitati rohkem mulle / kavitatsioone. See omakorda tekitas rohkem tuumasid ja selle tulemusena on nende kohtade ümber moodustunud osakesed väiksemad. Lisaks näitavad pikemate ultraheli kiiritusperioodidega kokku puutunud osakesed vähem aglomeratsiooni. Järgnevad FESEM-i andmed on kinnitanud osakeste aglomeratsiooni vähenemist, kui sünteesiprotsessi käigus kasutatakse ultraheli.
Nano-HAp osakesed nanomeetri suuruste vahemikus ja sfäärilises morfoloogias toodeti ultraheli juuresolekul märja keemilise sadestamise tehnika abil. Leiti, et saadud nano-HAP pulbrite kristalne struktuur ja morfoloogia sõltusid ultraheli kiiritusallika võimsusest ja sellele järgnevast kasutatud termilisest töötlemisest. Oli ilmne, et ultraheli olemasolu sünteesiprotsessis soodustas keemilisi reaktsioone ja füüsikalisi mõjusid, mis hiljem pärast termilist töötlemist tekitasid ülipeened nano-HAp pulbrid.

Pidev ultraheli klaasist voolurakuga

Sonikatsioon ultraheli reaktori kambris

Hüdroksüapatiit:

  • Peamine anorgaaniline kaltsiumfosfaadi mineraal
  • kõrge bioloogiline ühilduvus
  • aeglane biolagundatavus
  • Osteojuhtiv
  • Mittetoksiline
  • mitteimmunogeenne
  • võib kombineerida polümeeride ja/ või klaasiga
  • hea neeldumisstruktuuri maatriks teiste molekulide jaoks
  • suurepärane luuasendaja
Ultraheli homogenisaatorid on võimsad vahendid osakeste sünteesimiseks ja funktsionaliseerimiseks, näiteks HAp

sondi tüüpi ultrasonikaator UP50H

HAp süntees ultraheli sol-gel marsruudi kaudu

Ultraheli abil sol-gel viis nanostruktuursete HAp osakeste sünteesiks:
Materjal:
– reagendid: Kaltsiumnitraat Ca(NO3)2, diammooniumvesinikfosfaat (NH4)2HPO4, naatriumhüdroksüdeeritud NaOH ;
– 25 ml katseklaas

  1. Ca(NO) lahustamine3)2 ning (NH4)2HPO4 destilleeritud vees (kaltsiumi ja fosfori molaarsuhe: 1,67)
  2. Lahusele lisatakse veidi NaOH-d, et hoida selle pH umbes 10.
  3. Ultraheli töötlemine UP100H (sonotrode MS10, amplituud 100%)
  • Hüdrotermilised sünteesid viidi läbi 150 °C juures 24 tundi elektriahjus.
  • Pärast reaktsiooni saab kristalset HAp-i koguda tsentrifuugimise ja deioniseeritud veega pesemise teel.
  • Saadud HAp nanopulbri analüüs mikroskoopia (SEM, TEM,) ja/ või spektroskoopia (FT-IR) abil. Sünteesitud HAp nanoosakesed näitavad kõrget kristallilisust. Sõltuvalt ultrahelitöötluse ajast võib täheldada erinevat morfoloogiat. Pikem ultrahelitöötlus võib viia ühtlaste HAp nanorodideni, millel on kõrge kuvasuhe ja ülikõrge kristallilisus. [cp. Manafi et al. 2008]

HAp muutmine

Tänu oma rabedusele on puhta HAp-i kasutamine piiratud. Materjaliuuringutes on tehtud palju jõupingutusi HAp-i modifitseerimiseks polümeeride abil, kuna looduslik luu on komposiit, mis koosneb peamiselt nanosuuruses nõelataolistest HAp-kristallidest (moodustab umbes 65wt% luust). HAp-i ultraheli abil modifitseerimine ja paremate materjaliomadustega komposiitide süntees pakub mitmesuguseid võimalusi (vt mõned näited allpool).

Praktilised näited:

Nano-HAp süntees

Poinern jt (2009) uuringus a Hielscher UP50H sondi tüüpi ultrasonikaatorit kasutati edukalt HAp sono-sünteesiks. Ultraheli energia suurenemisega vähenes HAp kristallide osakeste suurus. Nanostruktuurne hüdroksüapatiit (HAp) valmistati ultraheli abil märg-sadestamise tehnikaga. Ca(EI3) ja KH25PO4 werde kasutatakse põhimaterjalina ja NH3 kui sadestaja. Hüdrotermiline sadestumine ultraheli kiiritamisel põhjustas nanosuuruses HAp-osakesi, mille sfääriline morfoloogia oli nanomeetri suuruste vahemikus (umbes 30nm ± 5%). Poinern ja kaastöötajad leidsid, et sono-hüdrotermiline süntees on majanduslik tee, millel on tugev kasvuvõime kaubanduslikule tootmisele.

Gelantiin-hüdroksüapatiidi (Gel-HAp) süntees

Brundavanam ja kaastöötajad on edukalt valmistanud gelantiin-hüdroksüapatiidi (Gel-HAp) komposiidi kerge ultrahelitöötluse tingimustes. Gelantiin-hüdroksüapatiidi valmistamiseks on 1g želatiini täielikult lahustatud 1000mL MilliQ vees temperatuuril 40 °C. Seejärel lisati Ca2+/NH-le 2 ml ettevalmistatud želatiinilahust3 Segu. Segu töödeldi ultraheliga UP50H ultrasonikaator (50W, 30kHz). Ultrahelitöötluse ajal 60 ml 0, 19M KH2PO4 lisati segule tilkhaaval.
Kogu lahus töödeldi ultraheliga 1h. pH väärtust kontrolliti ja hoiti alati pH 9 juures ning Ca/P suhet reguleeriti 1,67-le. Valge sademe filtreerimine saavutati tsentrifuugimise teel, mille tulemuseks oli paks läga. Erinevaid proove kuumtöödeldi toruahjus 2h temperatuuril 100, 200, 300 ja 400 °C. Nii saadi graanulite kujul Gel-HAp pulber, mis jahvatati peeneks pulbriks ja mida iseloomustasid XRD, FE-SEM ja FT-IR. Tulemused näitavad, et kerge ultraheliuuring ja želatiini olemasolu HAp kasvufaasis soodustavad madalamat adhesiooni – mille tulemuseks on geeli-HAp nanoosakeste väiksem ja korrapärase sfäärilise kuju. Kerge ultrahelitöötlus aitab ultraheli homogeniseerimise mõjude tõttu sünteesida nanosuuruses Gel–HAp osakesi. Seejärel seonduvad želatiini amiid- ja karbonüülliigid sonokeemiliselt abistatud interaktsiooni kaudu kasvufaasis HAp nanoosakestega.
[Brundavanam et al. 2011]

HAp sadestumine titaanist trombotsüütidele

(2013) on katnud Ti plaadid hüdroksüapatiidiga. Enne sadestumist homogeniseeriti HAp-suspensioon UP400S (400 vatti ultraheli seade ultraheli sarvega H14, ultrahelitöötluse aeg 40 sek. 75% amplituudiga).

Hõbedaga kaetud HAp

Ignatev ja kaastöötajad (2013) töötasid välja biosünteesimeetodi, kus hõbeda nanoosakesed (AgNp) sadestati HAp-le, et saada antibakteriaalsete omadustega HAp-kate ja vähendada tsütotoksilist toimet. Hõbeda nanoosakeste deagglomeratsiooniks ja nende settimiseks hüdroksüapatiidil on Hielscher UP400S kasutati.

Ignatev ja tema kaastöötajad kasutasid ultraheli sondi tüüpi seadet UP400S hõbedaga kaetud HAp tootmiseks.

Magnetsegisti ja ultrasonikaatori seadistamine UP400S kasutati hõbedaga kaetud Hap preparaadis [Ignatev et al 2013]

Meie võimsad ultraheli seadmed on usaldusväärsed vahendid osakeste töötlemiseks sub mikronite ja nano suuruste vahemikus. Ükskõik, kas soovite sünteesida, hajutada või funktsionaliseerida osakesi väikestes torudes teadusuuringute eesmärgil või peate töötlema suurtes kogustes nanopulbri läga kaubanduslikuks tootmiseks – Hielscher pakub teie vajadustele sobivat ultrasonikaatorit!

UP400S ultraheli reaktoriga

Ultraheli homogenisaator UP400S

Võta meiega ühendust / küsi lisainfot

Rääkige meile oma töötlemisnõuetest. Soovitame teie projekti jaoks kõige sobivamaid seadistus- ja töötlemisparameetreid.





Pange tähele, et meie Privaatsuspoliitika.


Kirjandus / viited

  • Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Lahjendatud želatiini mõju nanohüdroksüapatiidi ultraheli termiliselt abistatavale sünteesile. Ultraheli. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
  • Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Hüdroyapatite nanoosakeste süntees ja iseloomustus. Kolloidid ja pinnad A: Physicochem. Eng. aspektid 322; 2008. 29-33.
  • Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Plasma pihustatud hüdroksüapatiidi katted hõbedaste nanoosakestega. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
  • Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Polü(d,l-laktiid-ko-glükoliidi)/ hüdroksüapatiidi südamiku-kesta nanosfääride kontrollitud kokkupanek ultraheli kiiritamisel. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
  • Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Hüdroksüapatiidi valmistamine veiste luust ultraheli ja pihustuskuivatamise kombineeritud meetoditega. Keemia-, biokeemia- ja keskkonnateaduste konföderatsioon (ICBEE'2012) Singapur, 14.-15. detsember 2012.
  • Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): ultraheli mõju nano-hüdroksüapatiidi kristallilisusele märja keemilise meetodi abil. 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 vahelduvvoolu ja alalisvoolu elektroforeesisadestamine titaanile. Euroopa Keraamikaühingu ajakiri 33; 2013. 2715–2721.
  • Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Poorse keraamika mehaanilised omadused, mis on saadud 30 nm suurusest hüdroksüapatiidi osakeste põhisest pulbrist võimalike kõvakoetehnoloogia rakenduste jaoks. Ameerika biomeditsiinitehnika ajakiri 2/6; 2012. 278-286.
  • Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjević, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Termiline ja ultraheli mõju nanomeetri skaala hüdroksüapatiidi biokeraamika moodustamisel. Rahvusvaheline nanomeditsiini ajakiri 6; 2011. 2083–2095.
  • Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Nanohüdroksüapatiidi süntees ja iseloomustamine ultraheli abil. Ultraheli sonokeemia, 16 /4; 2009. 469- 474.
  • Sojapann, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Poorne hüdroksüapatiit tehisluude jaoks. Kõrgtehnoloogiliste materjalide teadus ja tehnoloogia 8. 2007. 116.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmeri keemiatehnoloogia entsüklopeedia; 4. väljaanne J. Wiley & Pojad: New York, kd 26, 1998. 517-541.

Seotud teemad

Ultraheli seadmed pinkide ja tootmise jaoks, näiteks UIP1500hd, pakuvad täielikku tööstuslikku klassi.

Ultraheli seade UIP1500hd läbivoolureaktoriga

Meil on hea meel teie protsessi arutada.

Let's get in contact.


✕