Sono-synthèse de nano-hydroxyapatite

Hydroxyapatite (HA ou PAH) est une céramique bioactive très fréquenté à des fins médicales en raison de sa structure semblable à la matière osseuse. La synthèse assistée par ultrasons (synthèse sono) d'hydroxyapatite est une technique efficace pour produire selon des normes de qualité les plus élevées hydroxyapatite nanostructurés. Le parcours ultrasonore permet de produire HAp nano-cristalline ainsi que des particules modifiées, par exemple, nanosphères noyau-enveloppe, et des composites.

Hydroxyapatite: polyvalent Mineral

Hydroxyapatite ou de l'hydroxyapatite (HAp, aussi HA) est une forme minérale naturelle de l'apatite de calcium par la formule Ca₅(PO₄)₃(OH). Pour indiquer que la cellule de l'unité de cristal comprend deux entités, il est généralement écrit Ca_dix(PO₄)₆(OH)₂. Hydroxylapatite est le endmember hydroxyle du groupe apatite complexe. L'ion OH- peut être remplacé par le fluorure, le chlorure ou le carbonate, produisant fluorapatite ou chlorapatite. Il cristallise dans le système cristallin hexagonal. HAp est connu en tant que matériau osseux jusqu'à 50% en poids d'os est une forme modifiée de l'hydroxyapatite.
En médecine, l'hydroxyapatite poreux nanostructuré est un matériau intéressant pour l'application de l'os artificiel. En raison de sa bonne biocompatibilité en contact avec l'os et de sa composition chimique similaire à la matière osseuse, la céramique hydroxyapatite poreuse a trouvé une grande utilité dans des applications biomédicales, y compris la régénération du tissu osseux, la prolifération cellulaire, et l'administration de médicaments.
« Dans l'ingénierie de tissu osseux, il a été appliqué comme matériau de remplissage pour les défauts osseux et l'augmentation, matériau de greffe osseuse artificielle, et la chirurgie de révision de prothèse. Sa grande surface conduit à une excellente ostéoconductivité et résorbabilité fournissant la croissance osseuse rapide. « [Soypan et al. 2007] Ainsi, de nombreux implants modernes sont recouverts d'hydroxyapatite.
Une autre application prometteuse de hydroxyapatite microcristalline est son utilisation comme “renforcement des os” compléter avec une absorption supérieure par rapport au calcium.
En plus de son utilisation comme matériau de réparation pour les os et les dents, d'autres applications de HAp peuvent être trouvés dans la catalyse, la production d'engrais, en tant que composé dans des produits pharmaceutiques, dans des applications de Chromatographie de protéines, et des procédés de traitement de l'eau.

Puissance: ultrasons Effets et impact

La sonication est décrite comme un processus dans lequel un champ acoustique est utilisé, qui est couplé à un milieu liquide. Les ondes ultrasonores se propagent dans le liquide et produisent des cycles alternés haute pression/basse pression (compression et raréfaction). Pendant la phase de raréfaction, de petites bulles de vide ou des vides dans le liquide apparaissent, qui se forment au cours de différents cycles de haute pression/basse pression jusqu'à ce que la bulle ne puisse plus absorber de l'énergie. Dans cette phase, les bulles implosent violemment pendant une phase de compression. Lors de l'effondrement d'une telle bulle, une grande quantité d'énergie est libérée sous forme d'ondes de choc, de températures élevées (environ 5 000 K) et de pressions (environ 2 000atm). De plus, ces "points chauds" se caractérisent par des vitesses de refroidissement très élevées. L'implosion de la bulle entraîne également des jets de liquide d'une vitesse pouvant atteindre 280 m/s. Ce phénomène est appelé cavitation.
Lorsque ces forces extrêmes, qui sont générés lors de l'effondrement souvent il des bulles de cavitation, développez dans le milieu soniqué, les particules et les gouttelettes sont affectées – résultant en collision interparticulaire de sorte que le solide se briser. De ce fait, la réduction de la taille des particules telle que le broyage, la désagglomération et la dispersion sont obtenus. Les particules peuvent être diminuted à submicron- et nano-taille.
A côté des effets mécaniques, la sonication puissant peut créer des radicaux libres, des molécules de cisaillement, et d'activer les surfaces des particules. Ces phénomènes est connu sous le nom sonochemistry.

Sono-Synthèse

Un traitement par ultrasons des résultats de la suspension en très fines particules avec une distribution uniforme de sorte que plus de sites de nucléation pour la précipitation sont créés.
particules HAp synthétisés sous ultrasonication montrent une baisse du niveau de l'agglomération. La plus faible tendance à l'agglomération de HAp synthétisé a été confirmée par ultrasons par exemple, par FESEM analyse (émission de champ microscopie électronique à balayage) de Poinern et al. (2009).

Échographie aide et favorise les réactions chimiques par cavitation à ultrasons et ses effets physiques qui influent directement sur la morphologie des particules pendant la phase de croissance. Les principaux avantages de l'ultrasonication résultant de la préparation de mélanges réactionnels sont superfine

1) augmentation de la vitesse de réaction,
2) diminution du temps de traitement
3) une amélioration globale de l'utilisation efficace de l'énergie.

Poinern et al. (2011) ont développé une voie chimique par voie humide qui utilise du nitrate de calcium tétrahydraté (Ca [NO3] 2 · 4H2O) et du dihydrogénophosphate de potassium (KH2PO4) en tant que réactifs principaux. Pour le contrôle de la valeur du pH au cours de la synthèse, de l'hydroxyde d'ammonium (NH4OH) a été ajouté.
Le processeur d'ultrasons est un UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode w / 7 mm de diamètre) à partir de Hielscher Ultrasonics.

Hydroxyapatite de calcium dispersée par ultrasons.

Hydroxyapatite de calcium réduite et dispersée par ultrasons

Les étapes de la synthèse de nano-PAH:

Une solution de 40 ml de 0,32 M de Ca (NO₃)₂ · 4 ः₂O a été préparé dans un petit bol. Le pH de la solution a ensuite été ajusté à 9,0 avec environ 2,5 ml de NH₄OH. La solution a été soniquée avec le UP50H à 100% réglage d'amplitude pendant 1 heure.
A la fin de la première heure une solution de 60 ml de 0,19 M [KH₂PO₄] A ensuite été lentement ajouté goutte à goutte dans la première solution tout en subissant une deuxième heure d'irradiation par ultrasons. Au cours du processus de mélange, la valeur du pH a été contrôlé et maintenu à 9 tandis que le rapport Ca / P a été maintenu à 1,67. La solution a ensuite été filtrée en utilisant une centrifugation (~ 2000 g), après quoi on a dosé le précipité blanc résultant en un certain nombre d'échantillons pour le traitement thermique.
La présence d'ultrasons dans la procédure de synthèse avant le traitement thermique a une influence significative dans la formation des précurseurs de particules nano-HAP initiaux. Cela est dû à la taille des particules étant liées à la nucléation et le modèle de croissance de la matière, ce qui à son tour est liée au degré de sursaturation au sein de la phase liquide.
De plus, à la fois la taille des particules et sa morphologie peut être influencée directement au cours de ce processus de synthèse. L'effet de l'augmentation de la puissance ultrasonore de 0 à 50W a montré qu'il était possible de diminuer la taille des particules avant le traitement thermique.
La puissance des ultrasons de plus en plus utilisé pour irradier le liquide a indiqué que plus grand nombre de bulles / cavitations ont été produites. Ceci à son tour produit plus de sites de nucléation et par conséquent les particules formées autour de ces sites sont plus petits. De plus, les particules exposées à des périodes plus longues d'irradiation par ultrasons montrent moins d'agglomération. FESEM données ultérieures ont confirmé l'agglomération de particule réduite lorsque l'échographie est utilisée pendant le processus de synthèse.
des particules nano-HAP dans la gamme de taille nanométrique et de la morphologie sphérique ont été produites en utilisant une technique de précipitation chimique par voie humide en présence d'ultrasons. On a constaté que la structure cristalline et la morphologie des poudres de nano-HAP résultant a été dépendante de la puissance de la source d'irradiation ultrasonore et le traitement thermique subséquent utilisé. Il était évident que la présence d'ultrasons dans le procédé de synthèse promu les réactions chimiques et les effets physiques produits par la suite que les poudres HAp du ultrafines après traitement thermique.

ultrasonication en continu avec une cellule d'écoulement de verre

La sonication dans une chambre de réacteur à ultrasons

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hydroxyapatite:

principal minéral de phosphate de calcium inorganique
haute biocompatibilité
biodégradabilité lente
ostéoconducteur
non toxique
non immunogène
peuvent être combinés avec des polymères et / ou de verre
bonne matrice de structure d'absorption d'autres molécules
excellent substitut osseux

Sonde de type appareil à ultrasons UP50H

Synthèse hydroxyapatite par ultrasons Sol-Gel Route

assistée par ultrasons voie sol-gel pour la synthèse de particules nanostructurées HAp:
Matériel:
– réactifs: nitrate de calcium Ca (NO₃)₂, L'hydrogénophosphate de di-ammonium (NH₄)₂HPO₄, Sodium NaOH hydroxyd;
– tube à essai de 25 ml

Dissoudre Ca (NO₃)₂ et (NH₄)₂HPO₄ dans de l'eau distillée (rapport molaire calcium au phosphore: 1,67)
Ajouter quelques NaOH à la solution pour maintenir son pH environ 10.
traitement par ultrasons avec un UP100H (Sonotrode MS10, amplitude de 100%)

Les synthèses hydrothermales ont été effectués à 150 ° C pendant 24 h dans un four électrique.
Après la réaction, l'hydroxyapatite de cristallin peut être récolté par centrifugation et lavage avec de l'eau déminéralisée.
L'analyse des nanopoudres hydroxyapatite obtenue par microscopie (MEB, MET,) et / ou spectroscopie (FT-IR). Les nanoparticules HAp synthétisés montrent une cristallinité élevée. Morphologie différente peut être observée en fonction du temps de sonication. Plus sonication peut conduire à des nanotiges HAp uniformes avec un rapport d'aspect élevé et une cristallinité très élevée. [Cp. Manafi et al. 2008]

Modification de l'hydroxyapatite

En raison de sa fragilité, l'application de l'hydroxyapatite pure est limitée. En recherche sur les matériaux, de nombreux efforts ont été faits pour modifier l'hydroxyapatite par des polymères depuis l'os naturel est un composite se composait principalement de taille nanométrique, cristaux hap aciculaires (représente environ 65% en poids de l'os). La modification assistée de l'hydroxyapatite et ultra-sons de synthèse des composites avec des caractéristiques matérielles améliorées offre des possibilités multiples (voir quelques exemples ci-dessous).

Exemples pratiques:

Synthèse de nano-hydroxyapatite

Dans l'étude de Poinern et al. (2009), un Hielscher UP50H appareil à ultrasons de type sonde a été utilisée avec succès pour la synthèse de sono-hydroxyapatite. Avec l'augmentation de l'énergie d'ultrasons, la taille des particules des cristallites HAp diminué. hydroxyapatite nanostructurés (PAH) a été préparé par une technique de précipitation humide assistée par ultrasons. Ca (NO₃) Et KH₂₅PO₄ werde utilisé en tant que matériau principal et NH₃ comme le précipitateur. La précipitation hydrothermique sous irradiation ultrasonore entraîné des particules de taille nanométrique HAp avec une morphologie sphérique dans la gamme de taille nano mètres (env. 30nm ± 5%). Poinern et ses collègues ont trouvé la synthèse hydrothermale une sono voie économique avec une forte capacité de mise à l'échelle de la production commerciale.

Synthèse de gelantine-hydroxyapatite (Gel-HAP)

Brundavanam et ses collègues ont préparé avec succès un composite gelantine-hydroxyapatite (gel-PAH) dans des conditions douces de sonication. Pour la préparation de gelantine-hydroxyapatite, 1 g de gélatine a été complètement dissous dans de l'eau MilliQ 1000 ml à 40 ° C. 2 ml de la solution de gélatine préparée a été ensuite ajouté au Ca2 + / NH₃ mélange. Le mélange a été soniquée avec un UP50H appareil à ultrasons (50W, 30kHz). Au cours du traitement par ultrasons, 60 ml de KH 0,19 M₂PO₄ ont été judicieusement goutte-ajoutée au mélange.
L'ensemble de la solution a été soniqué pendant 1h. La valeur du pH a été vérifiée et maintenue à pH 9 en tout temps et le rapport Ca/P a été ajusté à 1,67. La filtration du précipité blanc a été obtenue par centrifugation, ce qui a donné une boue épaisse. Différents échantillons ont été traités thermiquement dans un four tubulaire pendant 2 heures à des températures de 100, 200, 300 et 400°C. On obtient ainsi une poudre de Gel-HAp sous forme granulaire, qui est broyée en une poudre fine et caractérisée par XRD, FE-SEM et FT-IR. Les résultats montrent que les ultrasons doux et la présence de gélatine pendant la phase de croissance de l'AHp favorisent une adhérence plus faible, ce qui entraîne une forme sphérique plus petite et régulière des nanoparticules de Gel-HAp. La sonication douce facilite la synthèse de particules de gel-HAp de taille nanométrique grâce aux effets d'homogénéisation ultrasonique. Les espèces amide et carbonyle de la gélatine se fixent ensuite aux nanoparticules d'HAp pendant la phase de croissance par interaction assistée par voie sonochimique.
[Brundavanam et al. 2011]

Le dépôt de l'hydroxyapatite sur titane plaquettes

Ozhukil Kollatha et al. (2013) ont des plaques revêtues de Ti avec de l'hydroxyapatite. Avant le dépôt, la suspension a été homogénéisée avec hydroxyapatite un UP400S (400 watts dispositif à ultrasons avec H14 cornet à ultrasons, le temps de sonication 40 sec. À 75% d'amplitude).

Argent Coated hydroxyapatite

Ignatev et ses collaborateurs (2013) ont développé un procédé de biosynthèse où des nanoparticules d'argent (AGNP) ont été déposés sur hydroxyapatite pour obtenir un revêtement ayant des propriétés antibactériennes HAp et de diminuer l'effet cytotoxique. Pour la désagglomération des nanoparticules d'argent et pour leur sédimentation sur l'hydroxyapatite, une Hielscher UP400S a été utilisé.

Ignatev et ses collègues ont utilisé les dispositifs de type sonde à ultrasons UP400S pour la production hydroxyapatite revêtu d'argent.

Une configuration d'un agitateur magnétique et appareil à ultrasons UP400S a été utilisé pour la préparation Hap revêtu d'argent [Ignatev et al 2013]

Nos puissants appareils à ultrasons sont des outils fiables pour traiter des particules dans la sous micrométriques et la gamme de taille nanométrique. Que vous souhaitiez synthétiser, disperser ou particules fonctionnaliser dans de petits tubes à des fins de recherche ou dont vous avez besoin pour traiter des volumes élevés de boues nano-poudre pour la production commerciale – Hielscher offre le adapté à vos appareil à ultrasons besoins!

homogénéisateur à ultrasons UP400S

Littérature / Références

Brundavanam, R. K .; Jinag, Z.-T., Chapman, P .; Le X.-T .; Mondinos, N .; Fawcett, D .; Poinern, G. E. J. (2011): effet de gélatine diluée sur la synthèse thermiquement assistée par ultrasons d'hydroxyapatite nano. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
Cengiz, B. ; Gokce, Y. ; Yildiz, N. ; Aktas, Z. ; Calimli, A. (2008) : Synthèse et caractérisation de nanoparticules d'hydroyapatite. Colloïdes et surfaces A : Physicochem. Ing. Aspects 322 ; 2008. 29-33.
Ignatev, M .; Rybak, T .; Colonges, G .; Scharff, W .; Marke, S. (2013): Plasma Sprayed hydroxyapatite Revêtements avec Silver Nanoparticules. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
Jevtića, M .; Radulovićc, A .; Ignjatovića, N .; Mitrićb, M .; Uskokovic, D. (2009): ensemble contrôlé de poly (d, l-lactide-co-glycolide) / nanosphères-enveloppe de base d'hydroxyapatite sous irradiation par ultrasons. Acta Biomaterialia 5/1; 2009. 208-218.
Kusrini, E .; Pudjiastuti, A. R .; Astutiningsih, S .; Harjanto, S. (2012): Préparation de l'hydroxyapatite de bovins osseuse par combinaison des méthodes d'ultrasons et séchage par atomisation. Intl. Conf. sur des produits chimiques, Bio-chimique et des sciences de l'environnement (ICBEE'2012) Singapour 14-15 Décembre, de 2012.
Manafi, S .; Badiee, S. H. (2008): Effet de ultrasons sur Cristallinité de Nano-hydroxyapatite par voie humide Méthode chimique. 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 électrophorétique dépôt d'hydroxyapatite sur le titane. Journal de la Société européenne Céramique 33; 2013. 2715-2721.
Poinern, G.E.J .; Brundavanam, R.K .; Thi Le, X .; Fawcett, D. (2012): Les propriétés mécaniques d'un matériau poreux en céramique dérivé d'un 30 nm de particules Sized poudre à base d'hydroxyapatite pour les applications potentielles d'ingénierie des tissus durs. 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) : Influence thermique et ultrasonique dans la formation d'hydroxyapatite bio-céramique à l'échelle nanométrique. International Journal of Nanomedicine 6 ; 2011. 2083–2095.
Poinern, G.J.E. ; Brundavanam, R.K. ; Mondinos, N. ; Jiang, Z.-T. (2009) : Synthèse et caractérisation de la nanohydroxyapatite par une méthode assistée par ultrasons. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4 ; 2009. 469- 474.
Soypan, I .; Mel, M .; Ramesh, S .; Khalid, K.Procédé: (2007): hydroxyapatite pour les applications Porous os artificiels. La science et la technologie des matériaux avancés 8. 2007. 116.
Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4ème Ed. Wiley J. & Fils: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.

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