سنتز فراصوتی نانوهیدروکسی‌آپاتیت

هیدروکسی‌آپاتیت (HA یا HAp) به‌دلیل شباهت ساختاری به مادهٔ استخوان، سرامیکی زیست‌فعال و پرکاربرد برای مقاصد پزشکی است. سنتز هیدروکسی‌آپاتیت به کمک فراصوت (سنتز فراصوتی)، روشی موفق برای تولید HAp نانوساختار با بالاترین استانداردهای کیفیت است. روش فراصوتی امکان تولید HAp نانوبلوری و نیز ذرات اصلاح‌شده، مانند نانوکره‌های هسته–پوسته، و کامپوزیت‌ها را فراهم می‌کند.

هیدروکسی‌آپاتیت: کانی چندمنظوره

هیدروکسیل‌آپاتیت یا هیدروکسی‌آپاتیت (HAp، همچنین HA) شکلی معدنی و طبیعی از آپاتیت کلسیم با این فرمول است: Ca₅(PO₄)₃(OH). برای نشان دادن اینکه سلول واحد بلور شامل دو واحد است، فرمول معمولاً به این صورت نوشته می‌شود: Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. هیدروکسیل‌آپاتیت عضو انتهایی هیدروکسیلی گروه پیچیدهٔ آپاتیت است. یون OH- می‌تواند با فلورید، کلرید یا کربنات جایگزین شود و فلورآپاتیت یا کلرآپاتیت ایجاد کند. این ماده در دستگاه بلوری شش‌گوش متبلور می‌شود. HAp به‌عنوان مادهٔ استخوان شناخته می‌شود، زیرا تا 50 wt% استخوان را شکلی اصلاح‌شده از هیدروکسی‌آپاتیت تشکیل می‌دهد.
در پزشکی، HAp متخلخل نانوساختار ماده‌ای مورد توجه برای کاربردهای استخوان مصنوعی است. سرامیک HAp متخلخل به‌دلیل زیست‌سازگاری خوب در تماس با استخوان و ترکیب شیمیایی مشابه مادهٔ استخوان، در کاربردهای زیست‌پزشکی از جمله بازسازی بافت استخوان، تکثیر سلولی و دارورسانی کاربرد بسیار گسترده‌ای یافته است.
«در مهندسی بافت استخوان، از آن به‌عنوان مادهٔ پرکننده برای نقایص و افزایش حجم استخوان، مادهٔ پیوند استخوان مصنوعی و در جراحی بازنگری پروتز استفاده شده است. مساحت سطح بالای آن به هدایت استخوانی و قابلیت بازجذب عالی منجر می‌شود و رشد سریع استخوان به درون آن را فراهم می‌کند.» [Soypan et al. 2007] بنابراین، بسیاری از ایمپلنت‌های امروزی با هیدروکسیل‌آپاتیت پوشش داده می‌شوند.
کاربرد نویدبخش دیگر هیدروکسیل‌آپاتیت ریزبلوری، استفاده از آن به‌عنوان مکمل «استخوان‌ساز» با جذب بهتر در مقایسه با کلسیم است.
علاوه بر استفاده به‌عنوان مادهٔ ترمیمی برای استخوان و دندان، HAp در کاتالیز، تولید کود، به‌عنوان ترکیب موجود در محصولات دارویی، در کاربردهای کروماتوگرافی پروتئین و فرایندهای تصفیهٔ آب نیز کاربرد دارد.

فراصوت پرتوان: آثار و تأثیرات

فراصوت‌دهی فرایندی توصیف می‌شود که در آن از یک میدان آکوستیکیِ کوپل‌شده با محیط مایع استفاده می‌شود. امواج فراصوت در مایع انتشار می‌یابند و چرخه‌های متناوب فشار بالا/فشار پایین (تراکم و انبساط) ایجاد می‌کنند. در مرحلهٔ انبساط، حباب‌های خلأ کوچک یا حفره‌هایی در مایع پدید می‌آیند که طی چندین چرخهٔ فشار بالا/فشار پایین رشد می‌کنند، تا زمانی که حباب دیگر نتواند انرژی بیشتری جذب کند. در این مرحله، حباب‌ها طی یک مرحلهٔ تراکم به‌شدت به درون فرو می‌پاشند. هنگام چنین فروپاشی‌ای، مقدار زیادی انرژی به‌شکل امواج ضربه‌ای، دماهای بالا (حدود 5٬000K) و فشارهای بالا (حدود 2٬000atm) آزاد می‌شود. همچنین، این «نقاط داغ» با نرخ‌های بسیار بالای سردشدن مشخص می‌شوند. فروپاشی حباب به درون، جت‌های مایع با سرعتی تا 280m/s نیز ایجاد می‌کند. این پدیده کاویتاسیون نام دارد.
هنگامی که این نیروهای شدیدِ حاصل از فروپاشی حباب‌های کاویتاسیون در محیط تحت فراصوت‌دهی گسترش می‌یابند، ذرات و قطرات تحت تأثیر قرار می‌گیرند – در نتیجه برخورد بین ذرات رخ می‌دهد و مادهٔ جامد خرد می‌شود. بدین‌ترتیب، کاهش اندازهٔ ذرات از طریق عملیاتی مانند آسیاب‌کردن، کلوخه‌زدایی و پراکنده‌سازی حاصل می‌شود. اندازهٔ ذرات را می‌توان تا محدودهٔ زیرمیکرونی و نانومتری کاهش داد.
علاوه بر اثرات مکانیکی، فراصوت‌دهی پرقدرت می‌تواند رادیکال‌های آزاد ایجاد کند، مولکول‌ها را تحت برش قرار دهد و سطوح ذرات را فعال کند. این پدیده‌ها با عنوان سونوشیمی شناخته می‌شوند.

سنتز فراصوتی

تیمار فراصوتی دوغاب، ذراتی بسیار ریز با توزیع یکنواخت ایجاد می‌کند و در نتیجه جایگاه‌های هسته‌زایی بیشتری برای رسوب‌گذاری فراهم می‌شود.
ذرات HAp سنتزشده تحت فراصوت‌دهی، کلوخه‌شدگی کمتری نشان می‌دهند. تمایل کمتر HAp سنتزشده به روش فراصوتی به کلوخه‌شدن، برای مثال با تحلیل FESEM (میکروسکوپی الکترونی روبشی گسیل میدانی) توسط Poinern et al. (2009) تأیید شد.

فراصوت از طریق کاویتاسیون فراصوتی و اثرات فیزیکی آن، که مستقیماً بر ریخت‌شناسی ذرات در مرحلهٔ رشد تأثیر می‌گذارند، به واکنش‌های شیمیایی کمک می‌کند و آن‌ها را تقویت می‌کند. مزایای اصلی فراصوت‌دهی که به تهیهٔ مخلوط‌های واکنش فوق‌ریز می‌انجامد، عبارت‌اند از

1) افزایش سرعت واکنش،
2) کاهش زمان پردازش
3) بهبود کلی در استفادهٔ بهینه از انرژی.

Poinern et al. (2011) روشی شیمیایی تر توسعه دادند که در آن از نیترات کلسیم تتراهیدرات (Ca[NO3]2 · 4H2O) و دی‌هیدروژن فسفات پتاسیم (KH2PO4) به‌عنوان واکنش‌دهنده‌های اصلی استفاده می‌شود. برای کنترل مقدار pH طی سنتز، هیدروکسید آمونیوم (NH4OH) اضافه شد.
پردازشگر فراصوت مورد استفاده، دستگاه UP50H (50 W، 30 kHz، سونوتْرود MS7 با قطر 7 mm) از Hielscher Ultrasonics بود.

هیدروکسی‌آپاتیت کلسیم پراکنده‌شده به کمک فراصوت

هیدروکسی‌آپاتیت کلسیم ریزشده و پراکنده‌شده به کمک فراصوت

مراحل سنتز nano-HAP:

در یک بشر کوچک، محلولی به حجم 40 mL با غلظت 0٫32M از ترکیب زیر تهیه شد: Ca(NO₃)₂ · 4H₂O. سپس pH محلول به 9٫0 تنظیم شد؛ برای این کار تقریباً 2٫5mL از این ترکیب به کار رفت: NH₄OH. محلول با دستگاه UP50H با دامنهٔ تنظیم‌شده روی 100% به‌مدت 1 ساعت تحت فراصوت‌دهی قرار گرفت.
در پایان ساعت اول، محلولی به حجم 60 mL با غلظت 0٫19M از [KH₂PO₄] سپس به‌آرامی و قطره‌قطره به محلول اول اضافه شد، در حالی که تابش فراصوت برای ساعت دوم ادامه داشت. طی فرایند اختلاط، مقدار pH بررسی و در 9 حفظ شد و نسبت Ca/P نیز در 1٫67 ثابت نگه داشته شد. سپس محلول با استفاده از سانتریفیوژ (~2000 g) صاف شد و پس از آن، رسوب سفید حاصل برای عملیات حرارتی به چند نمونه تقسیم شد.
حضور فراصوت در فرایند سنتز پیش از عملیات حرارتی، تأثیر قابل‌توجهی بر تشکیل پیش‌ماده‌های اولیهٔ ذرات nano-HAP دارد. علت این امر ارتباط اندازهٔ ذرات با هسته‌زایی و الگوی رشد ماده است که خود با درجهٔ فوق‌اشباع در فاز مایع ارتباط دارد.
افزون بر این، طی این فرایند سنتز می‌توان مستقیماً هم بر اندازهٔ ذرات و هم بر ریخت‌شناسی آن‌ها تأثیر گذاشت. بررسی اثر افزایش توان فراصوت از 0 به 50W نشان داد که کاهش اندازهٔ ذرات پیش از عملیات حرارتی امکان‌پذیر است.
افزایش توان فراصوت مورد استفاده برای تابش به مایع نشان داد که تعداد بیشتری حباب/رخداد کاویتاسیون تولید می‌شود. این امر به‌نوبهٔ خود جایگاه‌های هسته‌زایی بیشتری ایجاد کرد و در نتیجه ذرات تشکیل‌شده پیرامون این جایگاه‌ها کوچک‌تر هستند. همچنین، ذراتی که برای مدت طولانی‌تری در معرض تابش فراصوت قرار می‌گیرند، کلوخه‌شدگی کمتری نشان می‌دهند. داده‌های بعدی FESEM، کاهش کلوخه‌شدگی ذرات را هنگام استفاده از فراصوت در فرایند سنتز تأیید کرده‌اند.
ذرات Nano-HAp در محدودهٔ اندازهٔ نانومتری و با ریخت‌شناسی کروی، با استفاده از روش رسوب‌دهی شیمیایی تر در حضور فراصوت تولید شدند. مشخص شد که ساختار بلوری و ریخت‌شناسی پودرهای nano-HAP حاصل، به توان منبع تابش فراصوت و عملیات حرارتی بعدی وابسته است. آشکار بود که حضور فراصوت در فرایند سنتز، واکنش‌های شیمیایی و اثرات فیزیکی را تقویت می‌کند و این عوامل در ادامه، پس از عملیات حرارتی، پودرهای فوق‌ریز nano- HAp را تولید می‌کنند.

فراصوت‌دهی در محفظهٔ راکتور فراصوتی

Hielscher Ultrasonics با افتخار حامی مالی 7امین کنفرانس الکترونیکی بین‌المللی شیمی دارویی است. برای اطلاعات بیشتر دربارهٔ ارائه‌ها و شرکت در کنفرانس، اینجا کلیک کنید!

هیدروکسی‌آپاتیت:

کانی اصلی غیرآلی فسفات کلسیم
زیست‌سازگاری بالا
زیست‌تخریب‌پذیری آهسته
هدایت‌کنندهٔ رشد استخوان
غیرسمی
فاقد ایمنی‌زایی
قابل ترکیب با پلیمرها و/یا شیشه
ماتریس ساختاری مناسب برای جذب مولکول‌های دیگر
جایگزین عالی استخوان

هموژنایزرهای فراصوتی ابزارهایی قدرتمند برای سنتز و عامل‌دارکردن ذراتی مانند HAp هستند

سونیکاتور پروبی UP50H

سنتز HAp به روش سل–ژل فراصوتی

روش سل–ژل به کمک فراصوت برای سنتز ذرات HAp نانوساختار:
مواد و وسایل:
– واکنش‌دهنده‌ها: نیترات کلسیم Ca(NO₃)₂، هیدروژن فسفات دی‌آمونیوم (NH₄)₂HPO₄، هیدروکسید سدیم NaOH؛
– لولهٔ آزمایش 25 ml

Ca(NO₃)₂ و (NH₄)₂HPO₄ را در آب مقطر حل کنید (نسبت مولی کلسیم به فسفر: 1٫67)
مقداری NaOH به محلول اضافه کنید تا pH آن در حدود 10 باقی بماند.
تیمار فراصوتی با دستگاه UP100H (سونوتْرود MS10، دامنهٔ 100%)

سنتزهای هیدروترمال در دمای 150°C به‌مدت 24 h در آون برقی انجام شدند.
پس از واکنش، HAp بلوری را می‌توان با سانتریفیوژ و شست‌وشو با آب دیونیزه بازیابی کرد.
تحلیل نانوپودر HAp به‌دست‌آمده با میکروسکوپی (SEM, TEM,) و/یا طیف‌سنجی (FT-IR). نانوذرات HAp سنتزشده بلورینگی بالایی نشان می‌دهند. بسته به زمان فراصوت‌دهی، ریخت‌شناسی متفاوتی مشاهده می‌شود. فراصوت‌دهی طولانی‌تر می‌تواند به تشکیل نانومیله‌های یکنواخت HAp با نسبت ابعادی بالا و بلورینگی فوق‌العاده بالا منجر شود. [cp. Manafi et al. 2008]

اصلاح HAp

به‌دلیل تردی HAp خالص، کاربرد آن محدود است. در پژوهش‌های مواد، تلاش‌های بسیاری برای اصلاح HAp با پلیمرها انجام شده است، زیرا استخوان طبیعی کامپوزیتی است که عمدتاً از بلورهای سوزنی‌شکل HAp در ابعاد نانو تشکیل شده است (حدود 65wt% استخوان را تشکیل می‌دهد). اصلاح HAp به کمک فراصوت و سنتز کامپوزیت‌هایی با ویژگی‌های بهبودیافتهٔ ماده، امکانات متنوعی فراهم می‌کند (چند نمونه را در ادامه ببینید).

نمونه‌های عملی:

سنتز نانو HAp

در مطالعهٔ Poinern et al. (2009)، یک دستگاه Hielscher UP50H از نوع سونیکاتور پروبی، با موفقیت برای سنتز فراصوتی HAp به کار رفت. با افزایش انرژی فراصوت، اندازهٔ ذرات بلورک‌های HAp کاهش یافت. هیدروکسی‌آپاتیت نانوساختار (HAp) با روش رسوب‌دهی تر به کمک فراصوت تهیه شد. ترکیبات Ca(NO₃) و KH₂₅PO₄ به‌عنوان مواد اصلی به کار رفتند و NH₃ به‌عنوان عامل رسوب‌دهنده استفاده شد. رسوب‌دهی هیدروترمال تحت تابش فراصوت به تولید ذرات HAp با ریخت‌شناسی کروی در محدودهٔ اندازهٔ نانومتری (حدود 30nm ± 5%) منجر شد. Poinern و همکارانش دریافتند که سنتز فراصوتی–هیدروترمال روشی اقتصادی با قابلیت بالای افزایش مقیاس تا تولید تجاری است.

سنتز ژلاتین–هیدروکسی‌آپاتیت (Gel-HAp)

Brundavanam و همکارانش با موفقیت کامپوزیت ژلاتین–هیدروکسی‌آپاتیت (Gel-HAp) را در شرایط ملایم فراصوت‌دهی تهیه کرده‌اند. برای تهیهٔ ژلاتین–هیدروکسی‌آپاتیت، مقدار 1g ژلاتین به‌طور کامل در 1000mL آب MilliQ در دمای 40°C حل شد. سپس 2mL از محلول ژلاتین تهیه‌شده به این مخلوط اضافه شد: Ca2+/NH₃ . مخلوط با دستگاه UP50H از نوع سونیکاتور (50W، 30kHz) تحت فراصوت‌دهی قرار گرفت. طی فراصوت‌دهی، 60mL از محلول 0٫19M ترکیب KH₂PO₄ به‌صورت قطره‌قطره به مخلوط اضافه شد.
تمام محلول به‌مدت 1h تحت فراصوت‌دهی قرار گرفت. مقدار pH در تمام مدت بررسی و در pH 9 حفظ شد و نسبت Ca/P روی 1٫67 تنظیم شد. صاف‌کردن رسوب سفید با سانتریفیوژ انجام شد که دوغابی غلیظ به دست داد. نمونه‌های مختلف به‌مدت 2h در کورهٔ لوله‌ای در دماهای 100، 200، 300 و 400°C تحت عملیات حرارتی قرار گرفتند. بدین‌ترتیب پودر Gel–HAp به‌شکل دانه‌ای به دست آمد که به پودری ریز آسیاب شد و با XRD، FE-SEM و FT-IR مشخصه‌یابی شد. نتایج نشان می‌دهند که فراصوت‌دهی ملایم و حضور ژلاتین در مرحلهٔ رشد HAp، چسبندگی را کاهش می‌دهند – در نتیجه نانوذرات Gel–HAp کوچک‌تر می‌شوند و شکل کروی منظمی پیدا می‌کنند. فراصوت‌دهی ملایم به‌واسطهٔ اثرات همگن‌سازی فراصوتی به سنتز ذرات Gel–HAp در ابعاد نانو کمک می‌کند. سپس گونه‌های آمیدی و کربونیلِ ژلاتین طی مرحلهٔ رشد، از طریق برهم‌کنش به کمک سونوشیمی به نانوذرات HAp متصل می‌شوند.
[Brundavanam et al. 2011]

رسوب‌دهی HAp بر روی پلاکت‌های تیتانیوم

Ozhukil Kollatha et al. (2013) صفحات Ti را با هیدروکسی‌آپاتیت پوشش داده‌اند. پیش از رسوب‌دهی، سوسپانسیون HAp با دستگاه UP400S همگن شد (دستگاه فراصوتی 400 وات با هورن فراصوتی H14، زمان فراصوت‌دهی 40 sec. با دامنهٔ 75%).

HAp با پوشش نقره

Ignatev و همکارانش (2013) روشی زیست‌سنتزی توسعه دادند که در آن نانوذرات نقره (AgNp) روی HAp رسوب داده شدند تا پوشش HAp با خواص ضدباکتریایی به دست آید و اثر سمیت سلولی کاهش یابد. برای کلوخه‌زدایی نانوذرات نقره و نشاندن آن‌ها روی هیدروکسی‌آپاتیت، دستگاه Hielscher UP400S به کار رفت.

مجموعه‌ای متشکل از همزن مغناطیسی و سونیکاتور UP400S برای تهیهٔ Hap با پوشش نقره به کار رفت [Ignatev et al 2013]

دستگاه‌های فراصوتی قدرتمند ما ابزارهایی قابل‌اعتماد برای تیمار ذرات در محدودهٔ اندازهٔ زیرمیکرونی و نانومتری هستند. چه بخواهید برای اهداف پژوهشی ذرات را در لوله‌های کوچک سنتز، پراکنده یا عامل‌دار کنید و چه نیاز داشته باشید حجم بالایی از دوغاب‌های نانوپودر را برای تولید تجاری تیمار کنید – Hielscher سونیکاتور متناسب با نیازهای شما را ارائه می‌دهد!

هموژنایزر فراصوتی UP400S

منابع و مراجع

Brundavanam، R. K.; جیناگ ، Z.-T. ، چپمن ، پی. Le, X.-T.; Mondinos, N.; فاوست ، دی. Poinern، G. E. J. (2011): اثر ژلاتین رقیق در سنتز مافوق صوت به کمک حرارتی نانو هیدروکسی آپاتیت. اولتراسون. سونوچم. 18, 2011. 697-703.
چنگیز ، بی. گوکچه، ی.; ییلدیز ، ن. Aktas, Z.; Calimli، A. (2008): سنتز و مشخصه یابی نانوذرات هیدرویاپاتیت. کلوئیدها و سطوح A: فیزیکوشیمی. جنبه های مهندسی 322; 2008. 29-33.
Ignatev, M.; ریبک ، تی. Colonges, G.; شارف ، دبلیو. Marke، S. (2013): پوشش های هیدروکسی آپاتیت پاشیده شده با پلاسما با نانوذرات نقره. Acta Metallurgica Slovac, 19/1; 2013. 20-29.
Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković، D. (2009): مونتاژ کنترل شده نانوکره های هسته ای – پوسته پلی (d، l-lactide-co-glycolide) / هیدروکسی آپاتیت تحت تابش مافوق صوت. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): تهیهٔ هیدروکسی‌آپاتیت از استخوان گاو با ترکیب روش‌های فراصوت و خشک‌کردن پاششی. Intl. Conf. on Chemical, Bio-Chemical and Environmental Sciences (ICBEE’2012) Singapore, December 14-15, 2012.
منافی, سعید; Badiee، S.H. (2008): اثر اولتراسونیک بر تبلور نانو هیدروکسی آپاتیت به روش شیمیایی مرطوب. IR J داروسازی علمی 4/2; 2008. 163-168
اوزوکیل کولاتا، V.; چنک، کیو؛ Clossetb, R.; لویتنا ، ج. ترایناب ، ک. مولنسا ، اس. Boccaccinic, A. R.; Clootsb، R. (2013): رسوب الکتروفورتیک AC در مقابل DC هیدروکسی آپاتیت روی تیتانیوم. مجله انجمن سرامیک اروپا 33; 2013. 2715–2721.
Poinern, G.E.J.; Brundavanam، R.K.; Thi Le, X.; Fawcett، D. (2012): خواص مکانیکی یک سرامیک متخلخل مشتق شده از پودر هیدروکسی آپاتیت بر پایه ذرات به اندازه 30 نانومتر برای کاربردهای بالقوه مهندسی بافت سخت. مجله آمریکایی مهندسی پزشکی 2/6; 2012. 278-286.
Poinern، G.J.E.; Brundavanam، R.; Thi Le, X.; Djordjevic، S.; پروکیچ ، م. Fawcett، D. (2011): تأثیر حرارتی و اولتراسونیک در تشکیل بیوسرامیک هیدروکسی آپاتیت در مقیاس نانومتری. مجله بین المللی نانوپزشکی 6; 2011. 2083–2095.
Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): سنتز و مشخصه‌یابی نانوهیدروکسی‌آپاتیت با استفاده از روشی به کمک فراصوت. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
سویاپان، I.; مل ، م. رامش، س.; خالد ، ک.ا: (2007): هیدروکسی آپاتیت متخلخل برای کاربردهای استخوان مصنوعی. علم و فناوری مواد پیشرفته 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.

موضوعات مرتبط

دستگاه‌های فراصوتی رومیزی و تولیدی، مانند UIP1500hd، کاملاً از کیفیت ردهٔ صنعتی برخوردارند.

دستگاه فراصوتی UIP1500hd همراه با راکتور جریان‌گذر