Sono-Synthèse de la nano-hydroxyapatite

L'hydroxyapatite (HA ou HAp) est une céramique bioactive très utilisée à des fins médicales en raison de sa structure similaire à la matière osseuse. La synthèse assistée par ultrasons (sono-synthèse) de l'hydroxyapatite est une technique efficace pour produire de l'hydroxyapatite nanostructurée selon les normes de qualité les plus élevées. La voie ultrasonique permet de produire de l'HAp nanocristallin ainsi que des particules modifiées, par exemple des nanosphères noyau-coquille, et des composites.

L'hydroxyapatite : Un minéral polyvalent

L'hydroxylapatite ou hydroxyapatite (HAp, également HA) est une forme minérale naturelle d'apatite calcique dont la formule est Ca₅(PO₄)₃(OH). Pour indiquer que la cellule unitaire du cristal comprend deux entités, on écrit généralement Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. L'hydroxylapatite est le membre hydroxyle du groupe complexe de l'apatite. L'ion OH- peut être remplacé par du fluorure, du chlorure ou du carbonate, ce qui donne la fluorapatite ou la chlorapatite. Il cristallise dans le système cristallin hexagonal. L'hydroxyapatite est connue comme matériau osseux car jusqu'à 50 % en poids de l'os est une forme modifiée d'hydroxyapatite.
En médecine, le HAp poreux nanostructuré est un matériau intéressant pour les applications osseuses artificielles. En raison de sa bonne biocompatibilité au contact des os et de sa composition chimique similaire à la matière osseuse, la céramique poreuse HAp a trouvé une énorme utilisation dans les applications biomédicales, notamment la régénération des tissus osseux, la prolifération cellulaire et l'administration de médicaments.
"Dans le domaine de l'ingénierie des tissus osseux, il a été utilisé comme matériau de comblement pour les défauts osseux et l'augmentation, comme matériau de greffe osseuse artificielle et pour la chirurgie de révision des prothèses. Sa surface élevée entraîne une excellente ostéoconductivité et résorbabilité, ce qui permet une croissance osseuse rapide" [Soypan et al. 2007]. [Soypan et al. 2007] Ainsi, de nombreux implants modernes sont recouverts d'hydroxylapatite.
Une autre application prometteuse de l'hydroxylapatite microcristalline est son utilisation en tant que “la formation des os” avec une absorption supérieure à celle du calcium.
Outre son utilisation comme matériau de réparation des os et des dents, le HAp trouve d'autres applications dans la catalyse, la production d'engrais, en tant que composé dans les produits pharmaceutiques, dans les applications de chromatographie des protéines et dans les processus de traitement de l'eau.

Ultrasons de puissance : Effets et impact

La sonication est décrite comme un processus utilisant un champ acoustique couplé à un milieu liquide. Les ondes ultrasonores se propagent dans le liquide et produisent des cycles alternatifs de haute pression et de basse pression (compression et raréfaction). Au cours de la phase de raréfaction, de petites bulles de vide ou des vides apparaissent dans le liquide, qui se développent au fil des cycles haute pression/basse pression jusqu'à ce que la bulle ne puisse plus absorber d'énergie. À ce stade, les bulles implosent violemment au cours d'une phase de compression. Au cours de cet effondrement, une grande quantité d'énergie est libérée sous forme d'ondes de choc, de températures (environ 5 000 K) et de pressions (environ 2 000 atm) élevées. En outre, ces "points chauds" se caractérisent par des taux de refroidissement très élevés. L'implosion de la bulle se traduit également par des jets de liquide dont la vitesse peut atteindre 280 m/s. Ce phénomène est appelé cavitation. Ce phénomène est appelé cavitation.
Lorsque ces forces extrêmes, générées lors de l'effondrement des bulles de cavitation, s'étendent dans le milieu sonique, les particules et les gouttelettes sont affectées. – ce qui entraîne une collision entre les particules et fait éclater le solide. On obtient ainsi une réduction de la taille des particules telle que le broyage, la désagglomération et la dispersion. Les particules peuvent être réduites à des tailles submicroniques et nanométriques.
Outre les effets mécaniques, la sonication puissante peut créer des radicaux libres, cisailler les molécules et activer les surfaces des particules. Ce phénomène est connu sous le nom de sonochimie.

sono-synthèse

Un traitement ultrasonique de la boue permet d'obtenir des particules très fines avec une distribution uniforme, ce qui crée davantage de sites de nucléation pour la précipitation.
Les particules de HAp synthétisées par ultrasons présentent un niveau d'agglomération réduit. La moindre tendance à l'agglomération des HAp synthétisés par ultrasons a été confirmée, par exemple, par l'analyse FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) de Poinern et al. (2009).

Les ultrasons assistent et favorisent les réactions chimiques grâce à la cavitation ultrasonique et à ses effets physiques qui influencent directement la morphologie des particules pendant la phase de croissance. Les principaux avantages de l'ultrasonication pour la préparation de mélanges réactionnels superfins sont les suivants

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

Poinern et al. (2011) ont développé une voie chimique humide qui utilise le nitrate de calcium tétrahydraté (Ca[NO3]2 - 4H2O) et le dihydrogénophosphate de potassium (KH2PO4) comme principaux réactifs. Pour contrôler la valeur du pH pendant la synthèse, de l'hydroxyde d'ammonium (NH4OH) a été ajouté.
Le processeur d'ultrasons était un UP50H (50 W, 30 kHz, Sonotrode MS7 avec 7 mm de diamètre) de Hielscher Ultrasonics.

Hydroxyapatite de calcium dispersée par ultrasons

Calcium-hydroxyapatite réduit et dispersé par ultrasons

Étapes de la synthèse des nano-HAP :

Une solution de 40 mL de 0,32M Ca(NO₃)₂ - 4H₂O a été préparée dans un petit bécher. 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 une amplitude de 100 % pendant 1 heure.
A la fin de la première heure, une solution de 60 mL de 0,19M [KH₂PO₄a ensuite été lentement ajoutée goutte à goutte à la première solution tout en subissant une deuxième heure d'irradiation ultrasonique. Pendant le processus de mélange, la valeur du pH a été vérifiée et maintenue à 9, tandis que le rapport Ca/P a été maintenu à 1,67. La solution a ensuite été filtrée par centrifugation (~2000 g), après quoi le précipité blanc obtenu a été réparti 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 sur la formation des précurseurs initiaux de nanoparticules de HAP. Cela est dû au fait que la taille des particules est liée à la nucléation et au modèle de croissance du matériau, qui est lui-même lié au degré de sursaturation dans la phase liquide.
En outre, la taille des particules et leur morphologie peuvent être directement influencées au cours de ce processus de synthèse. L'effet de l'augmentation de la puissance des ultrasons de 0 à 50 W a montré qu'il était possible de réduire la taille des particules avant le traitement thermique.
L'augmentation de la puissance des ultrasons utilisés pour irradier le liquide indique qu'un plus grand nombre de bulles/cavitations sont produites. Il en résulte un plus grand nombre de sites de nucléation et, par conséquent, des particules plus petites autour de ces sites. En outre, les particules exposées à des périodes plus longues d'irradiation ultrasonique sont moins agglomérées. Des données FESEM ultérieures ont confirmé la réduction de l'agglomération des particules lorsque des ultrasons sont utilisés au cours du processus de synthèse.
Des particules de nano-HAp de taille nanométrique et de morphologie sphérique ont été produites à l'aide d'une technique de précipitation chimique humide en présence d'ultrasons. Il a été constaté que la structure cristalline et la morphologie des poudres de nano-HAp obtenues dépendaient de la puissance de la source d'irradiation ultrasonique et du traitement thermique ultérieur utilisé. Il est évident que la présence d'ultrasons dans le processus de synthèse a favorisé les réactions chimiques et les effets physiques qui ont ensuite produit les poudres nano-HAP ultrafines après le traitement thermique.

Ultrasons en continu avec une cellule d'écoulement en verre

Sonication dans une chambre de réacteur à ultrasons

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Hydroxyapatite :

principal minéral inorganique de phosphate de calcium
biocompatibilité élevée
biodégradabilité lente
ostéoconducteur
Non toxique
non immunogène
peut être combiné avec des polymères et/ou du verre
bonne structure d'absorption matrice pour d'autres molécules
excellent substitut osseux

Les homogénéisateurs à ultrasons sont des outils puissants pour synthétiser et fonctionnaliser des particules, telles que le HAp

ultrasonateur à sonde UP50H

Synthèse d'HAp par voie Sol-Gel ultrasonique

Voie sol-gel assistée par ultrasons pour la synthèse de particules HAp nanostructurées :
Matériau :
– Réactifs : Nitrate de calcium Ca(NO₃)₂, l'hydrogénophosphate de di-ammonium (NH₄)₂HPO₄Sodium hydroxyd NaOH ;
– Tube à essai de 25 ml

Dissoudre Ca(NO₃)₂ et (NH₄)₂HPO₄ dans de l'eau distillée (rapport molaire calcium/phosphore : 1,67)
Ajoutez un peu de NaOH à la solution pour maintenir son pH autour de 10.
Traitement par ultrasons avec un UP100H (sonotrode MS10, amplitude 100%)

Les synthèses hydrothermales ont été réalisées à 150°C pendant 24 heures dans un four électrique.
Après la réaction, l'HAp cristallin peut être récolté par centrifugation et lavage à l'eau désionisée.
Analyse de la nanopoudre HAp obtenue par microscopie (SEM, TEM,) et/ou spectroscopie (FT-IR). Les nanoparticules de HAp synthétisées présentent une cristallinité élevée. Différentes morphologies peuvent être observées en fonction du temps de sonication. Une sonication plus longue peut conduire à des nanorods HAp uniformes avec un rapport d'aspect élevé et une cristallinité ultra-élevée. [Manafi et al. 2008]

Modification de l'HAp

En raison de sa fragilité, l'application du HAp pur est limitée. Dans le domaine de la recherche sur les matériaux, de nombreux efforts ont été déployés pour modifier le HAp par des polymères, étant donné que l'os naturel est un composite principalement constitué de cristaux de HAp nanométriques en forme d'aiguilles (représentant environ 65 % en poids de l'os). La modification du HAp assistée par ultrasons et la synthèse de composites aux caractéristiques améliorées offrent de nombreuses possibilités (voir quelques exemples ci-dessous).

Exemples pratiques :

Synthèse de nano-HAp

Dans l'étude de Poinern et al. (2009), un Hielscher UP50H a été utilisé avec succès pour la sono-synthèse du HAp. Avec l'augmentation de l'énergie des ultrasons, la taille des particules des cristallites d'HAp a diminué. L'hydroxyapatite nanostructurée (HAp) a été préparée par une technique de précipitation humide assistée par ultrasons. Le Ca(NO₃) et KH₂₅PO₄ a été utilisé comme matériau principal et le NH₃ comme précipitant. La précipitation hydrothermale sous irradiation ultrasonique a permis d'obtenir des particules d'HAp de taille nanométrique et de morphologie sphérique de l'ordre du nanomètre (environ 30 nm ± 5 %). Poinern et ses collaborateurs ont constaté que la synthèse sono-hydrothermique était une voie économique avec une forte capacité de mise à l'échelle pour la production commerciale.

Synthèse de la gélatine-hydroxyapatite (Gel-HAp)

Brundavanam et ses collaborateurs ont réussi à préparer un composite gélatine-hydroxyapatite (Gel-HAp) dans des conditions de sonication douces. Pour la préparation de la gélatine-hydroxyapatite, 1g de gélatine a été complètement dissous dans 1000mL d'eau MilliQ à 40°C. 2mL de la solution de gélatine préparée ont ensuite été ajoutés à la solution Ca2+/NH₃ Le mélange a été soniqué à l'aide d'un Le mélange a été sonifié à l'aide d'un UP50H ultrasonique (50W, 30kHz). Pendant la sonication, 60 ml de KH₂PO₄ ont été ajoutés goutte à goutte au mélange.
La solution entière a été soniquée pendant 1 heure. La valeur du pH a été vérifiée et maintenue en permanence à 9 et le rapport Ca/P a été ajusté à 1,67. Le précipité blanc a été filtré par centrifugation, ce qui a permis d'obtenir 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 a ainsi obtenu une poudre de Gel-HAp sous forme de granulés, qui a été broyée en une fine poudre et caractérisée par XRD, FE-SEM et FT-IR. Les résultats montrent que l'ultrasonication douce et la présence de gélatine pendant la phase de croissance de l'HAp favorisent une plus faible adhésion, ce qui permet de réduire la taille des nanoparticules de Gel-HAp et de leur donner une forme sphérique régulière. La sonication douce facilite la synthèse des nanoparticules de Gel-HAp grâce aux effets d'homogénéisation ultrasonique. Les espèces amides et carbonyles de la gélatine s'attachent ensuite aux nanoparticules de HAp pendant la phase de croissance par le biais d'une interaction assistée par sonochimie.
[Brundavanam et al. 2011]

Dépôt de HAp sur des plaquettes de titane

Ozhukil Kollatha et al. (2013) ont recouvert des plaques de Ti avec de l'hydroxyapatite. Avant le dépôt, la suspension d'HAp a été homogénéisée à l'aide d'un mélangeur à air comprimé. UP400S (appareil à ultrasons de 400 watts avec cornet ultrasonique H14, durée de sonication 40 secondes à 75 % d'amplitude).

HAp recouvert d'argent

Ignatev et ses collaborateurs (2013) ont développé une méthode biosynthétique où des nanoparticules d'argent (AgNp) ont été déposées sur l'HAp pour obtenir un revêtement d'HAp avec des propriétés antibactériennes et pour diminuer l'effet cytotoxique. Pour la désagglomération des nanoparticules d'argent et leur sédimentation sur l'hydroxyapatite, un Hielscher UP400S a été utilisé.

Ignatev et ses collègues ont utilisé l'appareil à sonde ultrasonique UP400S pour la production de HAp revêtu d'argent.

Installation d'un agitateur magnétique et d'un appareil à ultrasons UP400S a été utilisé pour la préparation du Hap recouvert d'argent [Ignatev et al 2013]

Nos puissants appareils à ultrasons sont des outils fiables pour traiter les particules de taille inférieure au micron et nanométrique. Que vous souhaitiez synthétiser, disperser ou fonctionnaliser des particules dans de petits tubes à des fins de recherche ou que vous ayez besoin de traiter de grands volumes de boues de nanopoudres pour la production commerciale, nos appareils ultrasoniques sont des outils fiables pour traiter des particules de taille inférieure au micron et nanométrique. – Hielscher vous propose l'ultrasoniseur adapté à vos besoins !

Homogénéisateur ultrasonique UP400S

Littérature/références

Brundavanam, R. K. ; Jinag, Z.-T., Chapman, P. ; Le, X.-T. ; Mondinos, N. ; Fawcett, D. ; Poinern, G. E. J. (2011) : Effect of dilute gelatine on the ultrasonic thermally assisted synthesis of nano hydroxyapatite. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
Cengiz, B. ; Gokce, Y. ; Yildiz, N. ; Aktas, Z. ; Calimli, A. (2008) : Synthèse et caractérisation des nanoparticules d'hydroyapatite. Colloids and Surfaces A : Physicochem. Eng. Aspects 322 ; 2008. 29-33.
Ignatev, M. ; Rybak, T. ; Colonges, G. ; Scharff, W. ; Marke, S. (2013) : Plasma Sprayed Hydroxyapatite Coatings with Silver Nanoparticles (Revêtements d'hydroxyapatite pulvérisés par plasma avec des nanoparticules d'argent). Acta Metallurgica Slovaca, 19/1 ; 2013. 20-29.
Jevtića, M. ; Radulovićc, A. ; Ignjatovića, N. ; Mitrićb, M. ; Uskoković, D. (2009) : Assemblage contrôlé de nanosphères core-shell poly(d,l-lactide-co-glycolide)/hydroxyapatite sous irradiation ultrasonique. Acta Biomaterialia 5/ 1 ; 2009. 208-218.
Kusrini, E. ; Pudjiastuti, A. R. ; Astutiningsih, S. ; Harjanto, S. (2012) : Preparation of Hydroxyapatite from Bovine Bone by Combination Methods of Ultrasonic and Spray Drying (Préparation d'hydroxyapatite à partir d'os de bovins par des méthodes combinées d'ultrasons et de séchage par pulvérisation). Intl. Conf. on Chemical, Bio-Chemical and Environmental Sciences (ICBEE'2012) Singapore, December 14-15, 2012.
Manafi, S. ; Badiee, S.H. (2008) : Effet des ultrasons sur la cristallinité de la nano-hydroxyapatite par la méthode chimique humide. 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 Electrophoretic Deposition of Hydroxyapatite on Titanium. Journal of the European Ceramic Society 33 ; 2013. 2715-2721.
Poinern, G.E.J. ; Brundavanam, R.K. ; Thi Le, X. ; Fawcett, D. (2012) : The Mechanical Properties of a Porous Ceramic Derived from a 30 nm Sized Particle Based Powder of Hydroxyapatite for Potential Hard Tissue Engineering Applications. 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) : Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. 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 à l'aide d'une méthode assistée par ultrasons. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4 ; 2009. 469- 474.
Soypan, I. ; Mel, M. ; Ramesh, S. ; Khalid, K.A : (2007) : L'hydroxyapatite poreuse pour les applications osseuses artificielles. Science et technologie des matériaux avancés 8. 2007. 116.
Suslick, K. S. (1998) : Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology ; 4th Ed. J. Wiley & Fils : New York, Vol. 26, 1998. 517-541.

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Dispositif à ultrasons UIP1500hd avec réacteur à circulation