Nanohydroksiapatiitin sonosynteesi
Hydroksiapatiitti (HA tai HAp) on erittäin suosittu bioaktiivinen keramiikka lääketieteellisiin tarkoituksiin, koska se on rakenteeltaan samanlainen kuin luumateriaali. Hydroksiapatiitin ultraäänellä avustettu synteesi (sonosynteesi) on onnistunut tekniikka nanorakenteisen HAp: n tuottamiseksi korkeimmilla laatustandardeilla. Ultraäänireitti mahdollistaa nanokiteisen HAp: n sekä modifioitujen hiukkasten, kuten ydinkuoren nanopallojen ja komposiittien, tuottamisen.
Hydroksiapatiitti: monipuolinen mineraali
Lääketieteessä nanorakenteinen huokoinen HAp on mielenkiintoinen materiaali keinotekoisen luun levittämiseen. Koska huokoinen HAp-keraami on hyvä biologinen yhteensopivuus luukosketuksessa ja sen kemiallinen koostumus on samanlainen kuin luumateriaali, huokoinen HAp-keraaminen on löytänyt valtavan käytön biolääketieteellisissä sovelluksissa, mukaan lukien luukudoksen uudistaminen, solujen lisääntyminen ja lääkkeiden toimittaminen.
"Luukudosteknologiassa sitä on käytetty luuvikojen ja luunlisäyksen täyttömateriaalina, keinotekoisen luusiirteen materiaalina ja proteesien korjausleikkauksissa. Sen suuri pinta-ala johtaa erinomaiseen osteokonduktiivisuuteen ja resorboituvuuteen, mikä mahdollistaa nopean luun sisäänkasvun.” [Soypan et al. 2007] Niinpä monet nykyaikaiset implantit on päällystetty hydroksylapatiitilla.
Toinen lupaava mikrokiteisen hydroksylapatiitin sovellus on sen käyttö “luun rakentaminen” Täydennä kalsiumiin verrattuna erinomaisella imeytymisellä.
Sen lisäksi, että sitä käytetään luun ja hampaiden korjausmateriaalina, muita HAp: n sovelluksia löytyy katalyysistä, lannoitteiden tuotannosta, yhdisteenä farmaseuttisissa tuotteissa, proteiinikromatografiasovelluksissa ja vedenkäsittelyprosesseissa.
Tehon ultraääni: vaikutukset ja vaikutus
Kun nämä äärimmäiset voimat, jotka syntyvät kavitaatiokuplien romahtamisen aikana, laajenevat sonikoidussa väliaineessa, hiukkaset ja pisarat vaikuttavat – mikä johtaa hiukkasten väliseen törmäykseen niin, että kiinteä aine särkyy. Näin saavutetaan hiukkaskoon pienentäminen, kuten jyrsintä, deagglomeraatio ja dispersio. Hiukkaset voidaan pienentää submikroni- ja nanokokoisiksi.
Mekaanisten vaikutusten lisäksi voimakas sonikaatio voi luoda vapaita radikaaleja, leikkausmolekyylejä ja aktivoida hiukkasten pintoja. Näitä ilmiöitä kutsutaan sonokemiaksi.
Sono-synteesi
Lietteen ultraäänikäsittely johtaa erittäin hienoihin hiukkasiin, joiden jakautuminen on tasaista niin, että syntyy enemmän saostumispaikkoja.
Ultrasonicationissa syntetisoidut HAp-hiukkaset osoittavat vähentyneen taajaman. Ultraäänellä syntetisoidun HAp:n pienempi taipumus kasautumiseen vahvistettiin esimerkiksi Poinernin ym. (2009) FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) -analyysillä.
Ultraääni auttaa ja edistää kemiallisia reaktioita ultraäänikavitaatiolla ja sen fysikaalisilla vaikutuksilla, jotka vaikuttavat suoraan hiukkasten morfologiaan kasvuvaiheen aikana. Ultrasonicationin tärkeimmät edut, jotka johtavat erittäin hienojen reaktioseosten valmistukseen, ovat:
- 1) lisääntynyt reaktionopeus,
- 2) lyhentynyt käsittelyaika
- 3) energian tehokkaan käytön yleinen parantaminen.
(2011) kehittivät märkäkemiallisen reitin, joka käyttää kalsiumnitraattitetrahydraattia (Ca[NO3]2 · 4H2O) ja kaliumdivetyfosfaattia (KH2PO4) pääreagoivina aineina. PH-arvon säätämiseksi synteesin aikana lisättiin ammoniumhydroksidia (NH4OH).
Ultraääniprosessori oli UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode w / 7 mm halkaisija) Hielscher Ultrasonicsilta.
Ultraäänellä pelkistetty ja dispergoitu kalsiumhydroksiapatiitti
Nano-HAP-synteesin vaiheet:
40 ml:n liuos, jossa on 0,32 M Ca(NO)3)2 · 4H2O valmistettiin pienessä dekantterilasissa. Liuoksen pH säädettiin sitten arvoon 9,0 noin 2,5 ml:lla NH:ta4OH. Ratkaisu sonikoitiin UP50H 100%: n amplitudiasetuksella 1 tunnin ajan.
Ensimmäisen tunnin lopussa 60 ml liuosta, jossa oli 0,19 M [KH2PO4] lisättiin sitten hitaasti tipoittain ensimmäiseen liuokseen toisen tunnin ultraäänisäteilytyksen aikana. Sekoitusprosessin aikana pH-arvo tarkistettiin ja pidettiin arvossa 9, kun taas Ca/P-suhde pidettiin 1,67:ssä. Tämän jälkeen liuos suodatetaan sentrifugoimalla (~2000 g), minkä jälkeen saatu valkoinen sakka suhteutetaan useisiin näytteisiin lämpökäsittelyä varten.
Ultraäänen läsnäololla synteesimenetelmässä ennen lämpökäsittelyä on merkittävä vaikutus alkuperäisten nano-HAP-hiukkasten esiasteiden muodostamiseen. Tämä johtuu siitä, että hiukkaskoko liittyy materiaalin nukleaatioon ja kasvumalliin, mikä puolestaan liittyy nestefaasin superkyllästymisasteeseen.
Lisäksi sekä hiukkaskokoon että sen morfologiaan voidaan vaikuttaa suoraan tämän synteesiprosessin aikana. Ultraäänitehon lisääminen 0: sta 50 W: iin osoitti, että hiukkaskokoa oli mahdollista pienentää ennen lämpökäsittelyä.
Nesteen säteilyttämiseen käytetty kasvava ultraääniteho osoitti, että tuotettiin enemmän kuplia / kavitaatioita. Tämä puolestaan tuotti enemmän ydinkohtia ja sen seurauksena näiden paikkojen ympärille muodostuneet hiukkaset ovat pienempiä. Lisäksi hiukkaset, jotka altistuvat pidemmälle ultraäänisäteilylle, osoittavat vähemmän kasautumista. Seuraavat FESEM-tiedot ovat vahvistaneet vähentyneen hiukkasten taajaman, kun ultraääntä käytetään synteesiprosessin aikana.
Nano-HAp-hiukkaset nanometrin kokoalueella ja pallomaisessa morfologiassa tuotettiin käyttämällä märkäkemiallista saostustekniikkaa ultraäänen läsnä ollessa. Todettiin, että tuloksena olevien nano-HAP-jauheiden kiteinen rakenne ja morfologia riippuivat ultraäänisäteilylähteen tehosta ja sitä seuraavasta lämpökäsittelystä. Oli ilmeistä, että ultraäänen läsnäolo synteesiprosessissa edisti kemiallisia reaktioita ja fysikaalisia vaikutuksia, jotka myöhemmin tuottivat ultrahienoja nano-HAp-jauheita lämpökäsittelyn jälkeen.
Sonikaatio ultraäänireaktorikammiossa
- Tärkein epäorgaaninen kalsiumfosfaattimineraali
- korkea biologinen yhteensopivuus
- hidas biohajoavuus
- osteojohtava
- Myrkytön
- ei-immunogeenisten
- voidaan yhdistää polymeereihin ja / tai lasiin
- hyvä absorptiorakennematriisi muille molekyyleille
- erinomainen luun korvike
koetintyyppinen ultraäänilaite UP50H
HAp-synteesi ultraäänisol-geelireitin kautta
Ultraäänellä avustettu sol-geelireitti nanorakenteisten HAp-hiukkasten synteesiin:
Materiaali:
– reagoivat aineet: kalsiumnitraatti Ca(NO3)2, diammoniumvetyfosfaatti (NH4)2HKO4, natriumhydrooksidi NaOH;
– 25 ml:n koeputki
- Liuotetaan Ca(NO3)2 ja (NH4)2HKO4 tislatussa vedessä (kalsiumin ja fosforin moolisuhde: 1,67)
- Lisää liuokseen hieman NaOH:ta, jotta sen pH pysyy noin 10:ssä.
- Ultraäänihoito UP100H (sonotrode MS10, amplitudi 100%)
- Hydrotermiset synteesit suoritettiin 150 °C:ssa 24 tunnin ajan sähköuunissa.
- Reaktion jälkeen kiteinen HAp voidaan kerätä sentrifugoimalla ja pesemällä deionisoidulla vedellä.
- Saadun HAp-nanojauheen analyysi mikroskopialla (SEM, TEM,) ja / tai spektroskopialla (FT-IR). Syntetisoiduilla HAp-nanohiukkasilla on korkea kiteisyys. Eri morfologiaa voidaan havaita sonikaatioajasta riippuen. Pidempi sonikaatio voi johtaa yhtenäisiin HAp-nanorodeihin, joilla on korkea kuvasuhde ja erittäin korkea kiteisyys. [vrt. Manafi et al. 2008]
HAp: n muuttaminen
Haurautensa vuoksi puhtaan HAp: n käyttö on rajallista. Materiaalitutkimuksessa HAp: tä on pyritty muokkaamaan polymeereillä, koska luonnollinen luu on komposiitti, joka koostuu pääasiassa nanokokoisista, neulamaisista HAp-kiteistä (osuus noin 65 paino-% luusta). HAp: n ultraäänellä avustettu modifikaatio ja komposiittien synteesi, joilla on paremmat materiaaliominaisuudet, tarjoaa moninaisia mahdollisuuksia (katso muutama esimerkki alla).
Käytännön esimerkkejä:
Nano-HAp: n synteesi
Gelantiini-hydroksiapatiitin (Gel-HAp) synteesi
Koko liuos sonikoitiin 1 tunnin ajan. pH-arvo tarkistettiin ja pidettiin aina pH:ssa 9, ja Ca/P-suhde säädettiin arvoon 1,67. Valkoisen sakan suodatus saavutettiin sentrifugoimalla, jolloin saatiin paksu liete. Eri näytteitä lämpökäsiteltiin putkiuunissa 2 tuntia 100, 200, 300 ja 400 °C:n lämpötiloissa. Näin saatiin rakeisessa muodossa oleva geeli-HAp-jauhe, joka jauhettiin hienoksi jauheeksi ja jolle oli tunnusomaista XRD, FE-SEM ja FT-IR. Tulokset osoittavat, että lievä ultrasonication ja gelatiinin läsnäolo HAp: n kasvuvaiheessa edistävät pienempää tarttuvuutta - mikä johtaa pienempään ja muodostavaan säännölliseen pallomaiseen muotoon Gel-HAp-nanohiukkasista. Lievä sonikaatio auttaa nanokokoisten geeli-HAp-hiukkasten synteesiä ultraäänihomogenisointivaikutusten vuoksi. Gelatiinin amidi- ja karbonyylilajit kiinnittyvät myöhemmin HAp-nanohiukkasiin kasvuvaiheen aikana sonokemiallisesti avustetun vuorovaikutuksen kautta.
[Brundavanam ym. 2011]
HAp:n laskeuma titaaniverihiutaleisiin
Hopeapinnoitettu HAp
Magneettisekoittimen ja ultraäänilaitteen asennus UP400S käytettiin hopeapäällysteiseen Hap-valmisteeseen [Ignatev et al 2013]
Tehokkaat ultraäänilaitteemme ovat luotettavia työkaluja hiukkasten käsittelyyn alle mikroni- ja nanokokoisilla alueilla. Haluatko syntetisoida, hajottaa tai funktionalisoida hiukkasia pienissä putkissa tutkimustarkoituksiin tai sinun on käsiteltävä suuria määriä nanojauhelietettä kaupallista tuotantoa varten – Hielscher tarjoaa sopivan ultraäänilaitteen tarpeisiisi!
ultraääni homogenisaattori UP400S
Kirjallisuus/viitteet
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Laimennetun gelatiinin vaikutus nanohydroksiapatiitin ultraäänilämpöavusteiseen synteesiin. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Hydroyapatiitin nanohiukkasten synteesi ja karakterisointi. Kolloidit ja pinnat A: Fysikokemia. Eng. näkökohdat 322; 2008. 29-33.
- Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Plasmaruiskutetut hydroksiapatiittipinnoitteet hopean nanohiukkasilla. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
- Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Poly(d,l-laktidi-koglykolidi)/ hydroksiapatiittiytimen ja kuoren nanopallojen hallittu kokoonpano ultraäänisäteilytyksessä. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
- Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Hydroksiapatiitin valmistus naudan luusta ultraääni- ja ruiskukuivauksen yhdistelmämenetelmillä. Kansainvälinen konferenssi kemian, biokemiallisista ja ympäristötieteistä (ICBEE'2012) Singapore, 14.-15. joulukuuta 2012.
- Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Ultraäänen vaikutus nanohydroksiapatiitin kiteisyyteen märkäkemiallisella menetelmällä. 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): AC vs. DC-elektroforeettinen hydroksiapatiitin laskeuma titaanille. Euroopan keramiikkaseuran lehti 33; 2013. 2715–2721.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Huokoisen keraamisen mekaaniset ominaisuudet, jotka on johdettu 30 nm: n kokoisesta hydroksiapatiittijauheesta mahdollisiin kovakudostekniikan sovelluksiin. 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): Lämpö- ja ultraäänivaikutus nanometrin mittakaavan hydroksiapatiitin biokeraamisen muodostumisessa. Kansainvälinen nanolääketieteen lehti 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Nanohydroksiapatiitin synteesi ja karakterisointi ultraääniavusteisella menetelmällä. Ultraääni Sonokemia, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Huokoinen hydroksiapatiitti keinotekoisiin luusovelluksiin. Kehittyneiden materiaalien tiede ja teknologia 8. 2007. 116.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmerin kemian tekniikan tietosanakirja; 4. painos J. Wiley & Pojat: New York, osa 26, 1998. 517-541.
ultraäänilaite UIP1500hd läpivirtausreaktorilla