Nanohydroksiapatiitin ultraäänisynteesi
Hydroksiapatiitti (HA tai HAp) on lääketieteessä hyvin yleisesti käytetty bioaktiivinen keraami, koska sen rakenne muistuttaa luumateriaalin rakennetta. Hydroksiapatiitin ultraääniavusteinen synteesi (ultraäänisynteesi) on toimiva menetelmä nanorakenteisen HAp:n tuottamiseen korkeimpien laatustandardien mukaisesti. Ultraäänimenetelmällä voidaan tuottaa nanokiteistä HAp:ta sekä muokattuja hiukkasia, esimerkiksi ydin–kuori-nanopalloja, ja komposiitteja.
Hydroksiapatiitti: monipuolinen mineraali
Lääketieteessä nanorakenteinen huokoinen HAp on kiinnostava materiaali keinoluiden valmistukseen. Hyvän luukontaktissa ilmenevän bioyhteensopivuutensa ja luumateriaalia muistuttavan kemiallisen koostumuksensa ansiosta huokoista HAp-keraamia käytetään erittäin laajasti biolääketieteellisissä sovelluksissa, kuten luukudoksen uudistamisessa, solujen lisääntymisessä ja lääkeaineiden annostelussa.
”Luukudosteknologiassa sitä on käytetty täytemateriaalina luupuutosten korjaamisessa ja luun augmentaatiossa, keinotekoisena luusiirremateriaalina sekä proteesien uusintaleikkauksissa. Sen suuri pinta-ala mahdollistaa erinomaisen osteokonduktiivisuuden ja resorboituvuuden, mikä edistää luun nopeaa sisäänkasvua.” [Soypan et al. 2007] Siksi monet nykyaikaiset implantit pinnoitetaan hydroksyyliapatiittilla.
Toinen lupaava mikrokiteisen hydroksyyliapatiitin käyttökohde on sen käyttö ”luuta rakentavana” ravintolisänä, jonka imeytyminen on parempaa kuin kalsiumin.
Luun ja hampaiden korjausmateriaalina käytön lisäksi HAp:ta käytetään katalyysissä, lannoitteiden tuotannossa, lääkevalmisteiden yhdisteenä, proteiinikromatografian sovelluksissa ja vedenkäsittelyprosesseissa.
Tehoultraääni ja sen vaikutukset
Kun nämä kavitaatiokuplien luhistumisessa syntyvät äärimmäiset voimat leviävät ultraäänikäsiteltävässä väliaineessa, ne vaikuttavat hiukkasiin ja pisaroihin – seurauksena on hiukkasten välisiä törmäyksiä, joissa kiinteä aine rikkoutuu. Näin saavutetaan hiukkaskoon pienentymistä esimerkiksi jauhamalla, deagglomeroimalla ja dispergoimalla. Hiukkaset voidaan pienentää alle mikrometrin kokoluokkaan ja nanokokoluokkaan.
Mekaanisten vaikutusten lisäksi tehokas ultraäänikäsittely voi synnyttää vapaita radikaaleja, pilkkoa molekyylejä leikkausvoimilla ja aktivoida hiukkasten pintoja. Näitä ilmiöitä kutsutaan sonokemiaksi.
Ultraäänisynteesi
Lietteen ultraäänikäsittely tuottaa erittäin hienojakoisia, tasaisesti jakautuneita hiukkasia, jolloin saostumista varten syntyy enemmän ydintymiskohtia.
Ultraäänikäsittelyn aikana syntetisoidut HAp-hiukkaset agglomeroituvat vähemmän. Ultraäänellä syntetisoidun HAp:n vähäisempi agglomeroitumistaipumus vahvistettiin esimerkiksi Poinernin ym. (2009) FESEM-analyysillä (kenttäemissiopyyhkäisyelektronimikroskopia).
Ultraääni avustaa ja edistää kemiallisia reaktioita ultraäänikavitaation ja sen fysikaalisten vaikutusten avulla, jotka vaikuttavat suoraan hiukkasten morfologiaan kasvuvaiheessa. Ultraäänikäsittelyn tärkeimmät hyödyt erittäin hienojakoisten reaktioseosten valmistuksessa ovat
- 1) suurempi reaktionopeus,
- 2) lyhyempi käsittelyaika
- 3) energian käytön tehokkuuden yleinen paraneminen.
Poinern ym. (2011) kehittivät märkäkemiallisen menetelmän, jossa pääreaktantteina käytetään kalsiumnitraattitetrahydraattia (Ca[NO3]2 · 4H2O) ja kaliumdivetyfosfaattia (KH2PO4). Synteesin aikaisen pH-arvon säätämiseksi lisättiin ammoniumhydroksidia (NH4OH).
Ultraääniprosessorina käytettiin laitetta UP50H (50 W, 30 kHz, sonotrodi MS7, jonka halkaisija on 7 mm), jonka valmistaja on Hielscher Ultrasonics.
Ultraäänellä pienennetty ja dispergoitu kalsiumhydroksiapatiitti
Nano-HAP-synteesin vaiheet:
Pieneen dekantterilasiin valmistettiin 40 mL 0,32M Ca(NO3)2 · 4H2O-liuosta. Liuoksen pH säädettiin sitten arvoon 9,0 noin 2,5mL:lla NH4OH:ta. Liuosta ultraäänikäsiteltiin laitteella UP50H 100%:n amplitudiasetuksella 1 tunnin ajan.
Ensimmäisen tunnin päätyttyä ensimmäiseen liuokseen lisättiin hitaasti tipoittain 60 mL 0,19M [KH2PO4]-liuosta samalla, kun ultraäänikäsittelyä jatkettiin toisen tunnin ajan. Sekoituksen aikana pH-arvo tarkistettiin ja pidettiin arvossa 9, ja Ca/P-suhde pidettiin arvossa 1,67. Liuos suodatettiin sitten sentrifugoimalla (~2000 g), minkä jälkeen muodostunut valkoinen saostuma jaettiin useiksi näytteiksi lämpökäsittelyä varten.
Ultraäänen käyttö synteesimenettelyssä ennen lämpökäsittelyä vaikuttaa merkittävästi alkuvaiheen nano-HAP-hiukkasprekursorien muodostumiseen. Tämä johtuu siitä, että hiukkaskoko on yhteydessä materiaalin ydintymiseen ja kasvutapaan, jotka puolestaan ovat yhteydessä nestefaasin ylikyllästymisasteeseen.
Lisäksi tässä synteesiprosessissa voidaan vaikuttaa suoraan sekä hiukkaskokoon että hiukkasten morfologiaan. Ultraäänitehon nostaminen 0:sta 50W:iin osoitti, että hiukkaskokoa oli mahdollista pienentää ennen lämpökäsittelyä.
Nesteen käsittelyssä käytetyn ultraäänitehon kasvu osoitti, että kuplia ja kavitaatioita syntyi enemmän. Tämä puolestaan tuotti enemmän ydintymiskohtia, minkä seurauksena näiden kohtien ympärille muodostuvat hiukkaset ovat pienempiä. Lisäksi pidempään ultraäänikäsitellyt hiukkaset agglomeroituvat vähemmän. Myöhemmät FESEM-tulokset ovat vahvistaneet hiukkasten vähäisemmän agglomeroitumisen, kun synteesiprosessissa käytetään ultraääntä.
Nanometrikokoluokan pallomaisia nano-HAp-hiukkasia tuotettiin märkäkemiallisella saostusmenetelmällä ultraäänen läsnä ollessa. Muodostuneiden nano-HAP-jauheiden kiderakenteen ja morfologian havaittiin riippuvan ultraäänilähteen tehosta ja käytetystä myöhemmästä lämpökäsittelystä. Oli selvää, että ultraäänen käyttö synteesiprosessissa edisti kemiallisia reaktioita ja fysikaalisia vaikutuksia, jotka tuottivat myöhemmin lämpökäsittelyn jälkeen erittäin hienojakoisia nano-HAp-jauheita.
Ultraäänikäsittely ultraäänireaktorin kammiossa
- tärkein epäorgaaninen kalsiumfosfaattimineraali
- hyvä bioyhteensopivuus
- hidas biohajoavuus
- osteokonduktiivinen
- myrkytön
- ei-immunogeeninen
- voidaan yhdistää polymeereihin ja/tai lasiin
- hyvä rakenteellinen matriisi muiden molekyylien absorptioon
- erinomainen luunkorvike
Anturityyppinen ultraäänilaite UP50H
HAp:n synteesi ultraääniavusteisella sooli-geelimenetelmällä
Ultraääniavusteinen sooli-geelimenetelmä nanorakenteisten HAp-hiukkasten synteesiin:
Materiaalit:
– reaktantit: kalsiumnitraatti Ca(NO3)2, diammoniumvetyfosfaatti (NH4)2HPO4, natriumhydroksidi NaOH ;
– 25 ml:n koeputki
- Liuota Ca(NO3)2 ja (NH4)2HPO4 tislattuun veteen (kalsiumin ja fosforin moolisuhde: 1,67)
- Lisää liuokseen hieman NaOH:ta, jotta sen pH pysyy noin arvossa 10.
- Ultraäänikäsittely laitteella UP100H (sonotrodi MS10, amplitudi 100%)
- Hydrotermiset synteesit tehtiin 150°C:ssa 24 h:n ajan sähköuunissa.
- Reaktion jälkeen kiteinen HAp voidaan ottaa talteen sentrifugoimalla ja pesemällä deionisoidulla vedellä.
- Saadun HAp-nanojauheen analyysi mikroskopialla (SEM, TEM,) ja/tai spektroskopialla (FT-IR). Syntetisoiduilla HAp-nanohiukkasilla on korkea kiteisyysaste. Ultraäänikäsittelyn kestosta riippuen voidaan havaita erilaisia morfologioita. Pidempi ultraäänikäsittely voi johtaa tasalaatuisiin HAp-nanosauvoihin, joilla on suuri pituuden ja halkaisijan suhde sekä erittäin korkea kiteisyysaste. [vrt. Manafi ym. 2008]
HAp:n muokkaus
Puhtaan HAp:n käyttö on rajoitettua sen haurauden vuoksi. Materiaalitutkimuksessa on pyritty monin tavoin muokkaamaan HAp:ta polymeereillä, sillä luonnollinen luu on komposiitti, joka koostuu pääasiassa nanokokoisista, neulamaisista HAp-kiteistä (noin 65wt% luusta). HAp:n ultraääniavusteinen muokkaus ja materiaaliominaisuuksiltaan parannettujen komposiittien synteesi tarjoavat monia mahdollisuuksia (katso muutamia esimerkkejä alla).
Käytännön esimerkkejä:
Nano-HAp:n synteesi
Liivate-hydroksiapatiitin (Gel-HAp) synteesi
Koko liuosta ultraäänikäsiteltiin 1h:n ajan. pH-arvo tarkistettiin ja pidettiin koko ajan arvossa pH 9, ja Ca/P-suhde säädettiin arvoon 1,67. Valkoinen saostuma suodatettiin sentrifugoimalla, jolloin saatiin paksu liete. Eri näytteitä lämpökäsiteltiin putkiuunissa 2h:n ajan lämpötiloissa 100, 200, 300 ja 400°C. Näin saatiin rakeista Gel–HAp-jauhetta, joka jauhettiin hienoksi jauheeksi ja karakterisoitiin XRD:llä, FE-SEM:llä ja FT-IR:llä. Tulokset osoittavat, että lievä ultraäänikäsittely ja gelatiinin läsnäolo HAp:n kasvuvaiheessa vähentävät kiinnittymistä – jolloin muodostuu pienempiä, muodoltaan säännöllisen pallomaisia Gel–HAp-nanohiukkasia. Lievä ultraäänikäsittely avustaa nanokokoisten Gel–HAp-hiukkasten synteesiä ultraäänihomogenisoinnin vaikutusten ansiosta. Gelatiinin amidi- ja karbonyyliryhmät kiinnittyvät myöhemmin HAp-nanohiukkasiin kasvuvaiheen aikana sonokemiallisesti avustetun vuorovaikutuksen kautta.
[Brundavanam et al. 2011]
HAp:n saostaminen titaanilevyille
Hopeapinnoitettu HAp
Magneettisekoittimesta ja ultraäänilaitteesta UP400S koostuvaa laitteistoa käytettiin hopeapinnoitetun Hap:n valmistukseen [Ignatev et al 2013]
Tehokkaat ultraäänilaitteemme ovat luotettavia työkaluja alle mikrometrin kokoluokan ja nanokokoluokan hiukkasten käsittelyyn. Haluatpa syntetisoida, dispergoida tai funktionalisoida hiukkasia pienissä putkissa tutkimustarkoituksiin tai käsitellä suuria määriä nanojauhelietteitä kaupallista tuotantoa varten – Hielscher tarjoaa vaatimuksiisi sopivan ultraäänilaitteen!
Ultraäänihomogenisaattori UP400S
Kirjallisuus ja lähteet
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Laimean gelatiinin vaikutus nanohydroksiapatiitin ultraääni- ja lämpöavusteiseen synteesiin. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697–703.
- Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Hydroksiapatiittinanohiukkasten synteesi ja karakterisointi. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 322; 2008. 29–33.
- Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Plasmaruiskutetut hydroksiapatiittipinnoitteet, joissa on hopeananohiukkasia. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20–29.
- Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Poly(d,l-laktidi-ko-glykolidi)/hydroksiapatiitti-ydin–kuori-nanopallojen hallittu kokoaminen ultraäänikäsittelyn aikana. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
- Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Hydroksiapatiitin valmistus naudan luusta ultraäänen ja sumutuskuivauksen yhdistelmämenetelmillä. Intl. Conf. on Chemical, Bio-Chemical and Environmental Sciences (ICBEE’2012) Singapore, December 14-15, 2012.
- Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Ultraäänen vaikutus nanohydroksiapatiitin kiteisyyteen märkäkemiallisessa menetelmässä. 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): Hydroksiapatiitin elektroforeettinen pinnoitus titaanille vaihtovirralla verrattuna tasavirtaan. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715–2721.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Hiukkaskooltaan 30 nm:n hydroksiapatiittijauheesta valmistetun huokoisen keraamin mekaaniset ominaisuudet mahdollisia kovakudosteknologian sovelluksia varten. 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): Lämmön ja ultraäänen vaikutus nanometrikokoluokan hydroksiapatiittibiokeraamin muodostumiseen. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Nanohydroksiapatiitin synteesi ja karakterisointi ultraääniavusteisella menetelmällä. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469–474.
- Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Huokoinen hydroksiapatiitti keinoluusovelluksiin. Science and Technology of Advanced Materials 8. 2007. 116.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmerin kemianteknologian tietosanakirja; 4. painos. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517–541.
Ultraäänilaite UIP1500hd läpivirtausreaktorilla