Sonosynthèse de nano-hydroxyapatite

L’hydroxyapatite (HA ou HAp) est une céramique bioactive très utilisée à des fins médicales en raison de sa structure similaire à celle du matériau osseux. La synthèse de l’hydroxyapatite assistée par ultrasons (sonosynthèse) est une technique éprouvée pour produire de l’HAp nanostructurée répondant aux normes de qualité les plus élevées. La voie ultrasonore permet de produire de l’HAp nanocristalline ainsi que des particules modifiées, par exemple des nanosphères cœur–coquille, et des composites.

Hydroxyapatite : un minéral polyvalent

L’hydroxylapatite ou hydroxyapatite (HAp, également HA) est une forme minérale naturelle de l’apatite calcique, de formule Ca₅(PO₄)₃(OH). Pour indiquer que la maille cristalline comprend deux entités, on écrit généralement Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. L’hydroxylapatite est le pôle hydroxylé du groupe complexe des apatites. L’ion OH- peut être remplacé par du fluorure, du chlorure ou du carbonate, produisant de la fluorapatite ou de la chlorapatite. Elle cristallise dans le système cristallin hexagonal. L’HAp est connue comme matériau osseux, car jusqu’à 50 wt% de l’os est constitué d’une forme modifiée d’hydroxyapatite.
En médecine, l’HAp poreuse nanostructurée est un matériau intéressant pour les applications d’os artificiel. Grâce à sa bonne biocompatibilité au contact de l’os et à sa composition chimique similaire à celle du matériau osseux, la céramique d’HAp poreuse est très largement utilisée dans les applications biomédicales, notamment la régénération du tissu osseux, la prolifération cellulaire et l’administration de médicaments.
« En ingénierie du tissu osseux, elle a été utilisée comme matériau de comblement des défauts osseux et d’augmentation osseuse, comme matériau de greffe osseuse artificielle et en chirurgie de reprise de prothèse. Sa surface spécifique élevée lui confère une excellente ostéoconductivité et une excellente résorbabilité, permettant une croissance osseuse rapide au sein du matériau. » [Soypan et al. 2007] Ainsi, de nombreux implants modernes sont revêtus d’hydroxylapatite.
Une autre application prometteuse de l’hydroxylapatite microcristalline est son utilisation comme complément favorisant la formation osseuse, avec une absorption supérieure à celle du calcium.
Outre son utilisation comme matériau de réparation des os et des dents, l’HAp trouve d’autres applications en catalyse, dans la production d’engrais, comme composé dans des produits pharmaceutiques, en chromatographie des protéines et dans les procédés de traitement de l’eau.

Ultrasons de puissance : effets et impact

La sonication est décrite comme un procédé utilisant un champ acoustique couplé à un milieu liquide. Les ondes ultrasonores se propagent dans le liquide et produisent des cycles alternés de haute pression et de basse pression (compression et raréfaction). Pendant la phase de raréfaction, de petites bulles de vide ou cavités apparaissent dans le liquide et grossissent au fil de plusieurs cycles de haute pression et de basse pression, jusqu’à ce que la bulle ne puisse plus absorber d’énergie. À ce stade, les bulles implosent violemment pendant une phase de compression. Lors d’un tel effondrement de bulle, une grande quantité d’énergie est libérée sous forme d’ondes de choc, de températures élevées (env. 5 000K) et de pressions élevées (env. 2 000atm). De plus, ces « points chauds » se caractérisent par des vitesses de refroidissement très élevées. L’implosion de la bulle produit également des jets de liquide dont la vitesse peut atteindre 280m/s. Ce phénomène est appelé cavitation.
Lorsque ces forces extrêmes, générées lors de l’effondrement des bulles de cavitation, se propagent dans le milieu soumis à la sonication, elles affectent les particules et les gouttelettes – provoquant des collisions entre particules qui fragmentent les solides. On obtient ainsi une réduction de la taille des particules par broyage, une désagglomération et une dispersion. Les particules peuvent être réduites à des tailles submicroniques et nanométriques.
Outre ses effets mécaniques, la sonication puissante peut créer des radicaux libres, cisailler des molécules et activer les surfaces des particules. Ces phénomènes relèvent de la sonochimie.

Sonosynthèse

Le traitement ultrasonore de la suspension produit des particules très fines et uniformément réparties, créant ainsi davantage de sites de nucléation pour la précipitation.
Les particules d’HAp synthétisées sous ultrasons présentent un degré d’agglomération réduit. La moindre tendance à l’agglomération de l’HAp synthétisée par ultrasons a notamment été confirmée par l’analyse FESEM (microscopie électronique à balayage à émission de champ) de Poinern et al. (2009).

Les ultrasons facilitent et favorisent les réactions chimiques grâce à la cavitation ultrasonore et à ses effets physiques, qui influencent directement la morphologie des particules pendant la phase de croissance. Les principaux avantages du traitement ultrasonore, qui permet de préparer des mélanges réactionnels extrêmement fins, sont

1) une vitesse de réaction accrue,
2) un temps de traitement réduit
3) une amélioration globale de l’efficacité énergétique.

Poinern et al. (2011) ont développé une voie chimique en milieu humide utilisant le nitrate de calcium tétrahydraté (Ca[NO3]2 · 4H2O) et le dihydrogénophosphate de potassium (KH2PO4) comme principaux réactifs. De l’hydroxyde d’ammonium (NH4OH) a été ajouté pour contrôler le pH pendant la synthèse.
L’appareil de traitement par ultrasons était un UP50H (50 W, 30 kHz, sonotrode MS7 de 7 mm de diamètre) de Hielscher Ultrasonics.

Hydroxyapatite de calcium dispersée par ultrasons

Hydroxyapatite de calcium réduite en taille et dispersée par ultrasons

Étapes de la synthèse de nano-HAP :

Une solution de 40 mL à 0,32M de 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 2,5mL de NH₄OH. La solution a été soumise à une sonication avec le UP50H à une amplitude réglée sur 100% pendant 1 heure.
À la fin de la première heure, une solution de 60 mL à 0,19M de [KH₂PO₄] a ensuite été ajoutée lentement, goutte à goutte, à la première solution pendant une deuxième heure d’irradiation ultrasonore. Pendant le mélange, le 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 par centrifugation (~2000 g), puis le précipité blanc obtenu a été réparti en plusieurs échantillons destinés au traitement thermique.
La présence d’ultrasons dans le procédé de synthèse avant le traitement thermique exerce une influence importante sur la formation des précurseurs initiaux des particules de nano-HAP. Cela tient au fait que la taille des particules est liée à la nucléation et au mode de croissance du matériau, qui dépendent à leur tour du degré de sursaturation dans la phase liquide.
De plus, la taille des particules et leur morphologie peuvent toutes deux être directement influencées pendant ce procédé de synthèse. 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.
L’augmentation de la puissance ultrasonore utilisée pour irradier le liquide indiquait qu’un plus grand nombre de bulles et de phénomènes de cavitation étaient produits. Cela créait à son tour davantage de sites de nucléation ; les particules formées autour de ces sites étaient donc plus petites. En outre, les particules exposées à des périodes plus longues d’irradiation ultrasonore présentent moins d’agglomération. Les données FESEM obtenues par la suite ont confirmé la réduction de l’agglomération des particules lorsque des ultrasons sont utilisés pendant le procédé de synthèse.
Des particules de nano-HAp de taille nanométrique et de morphologie sphérique ont été produites par une technique de précipitation chimique en milieu 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 ultrasonore et du traitement thermique ultérieur utilisé. Il était manifeste que la présence d’ultrasons dans le procédé de synthèse favorisait les réactions chimiques et les effets physiques qui conduisaient ensuite à la production de poudres de nano-HAp ultrafines après traitement thermique.

Traitement ultrasonore continu avec une cellule à circulation en verre

Sonication dans une chambre de réacteur à ultrasons

Hielscher Ultrasonics est fier de parrainer la 7e conférence électronique internationale sur la chimie médicinale. Cliquez ici pour en savoir plus sur les présentations et les modalités de participation !

Hydroxyapatite :

principal minéral inorganique de phosphate de calcium
biocompatibilité élevée
biodégradabilité lente
ostéoconductrice
non toxique
non immunogène
peut être associée à des polymères et/ou à du verre
bonne matrice structurelle pour l’absorption d’autres molécules
excellent substitut osseux

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

Appareil de sonication à sonde UP50H

Synthèse d’HAp par voie sol–gel assistée par ultrasons

Voie sol–gel assistée par ultrasons pour la synthèse de particules d’HAp nanostructurées :
Matériel :
– réactifs : nitrate de calcium Ca(NO₃)₂, hydrogénophosphate de diammonium (NH₄)₂HPO₄, hydroxyde de sodium 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)
Ajouter du NaOH à la solution pour maintenir son pH autour de 10.
Traitement ultrasonore avec un UP100H (sonotrode MS10, amplitude 100%)

Les synthèses hydrothermales ont été réalisées à 150°C pendant 24 h dans un four électrique.
Après la réaction, l’HAp cristalline peut être récupérée par centrifugation et lavage à l’eau déionisée.
Analyse de la nanopoudre d’HAp obtenue par microscopie (SEM, TEM,) et/ou spectroscopie (FT-IR). Les nanoparticules d’HAp synthétisées présentent une cristallinité élevée. Différentes morphologies peuvent être observées selon la durée de sonication. Une sonication plus longue peut conduire à des nanobâtonnets d’HAp uniformes présentant un rapport d’aspect élevé et une cristallinité extrêmement élevée. [cf. Manafi et al. 2008]

Modification de l’HAp

La fragilité de l’HAp pure limite son utilisation. Dans la recherche sur les matériaux, de nombreux efforts ont été consacrés à la modification de l’HAp par des polymères, car l’os naturel est un composite constitué principalement de cristaux d’HAp nanométriques en forme d’aiguilles (représentant environ 65wt% de l’os). La modification de l’HAp assistée par ultrasons et la synthèse de composites aux caractéristiques matérielles 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 appareil Hielscher UP50H de sonication à sonde a été utilisé avec succès pour la sonosynthèse d’HAp. L’augmentation de l’énergie ultrasonore a entraîné une diminution de la taille des particules des cristallites d’HAp. De l’hydroxyapatite nanostructurée (HAp) a été préparée par une technique de précipitation en milieu humide assistée par ultrasons. Ca(NO₃) et KH₂₅PO₄ ont été utilisés comme matières premières principales et NH₃ comme agent de précipitation. La précipitation hydrothermale sous irradiation ultrasonore a produit des particules d’HAp de morphologie sphérique et de taille nanométrique (env. 30nm ± 5%). Poinern et ses collaborateurs ont constaté que la synthèse sonohydrothermale constituait une voie économique offrant un fort potentiel de mise à l’échelle pour la production commerciale.

Synthèse de gélatine-hydroxyapatite (Gel-HAp)

Brundavanam et ses collaborateurs ont préparé avec succès un composite gélatine–hydroxyapatite (Gel-HAp) dans des conditions de sonication douce. Pour préparer la gélatine–hydroxyapatite, 1g de gélatine a été entièrement dissous dans 1000mL d’eau MilliQ à 40°C. Ensuite, 2mL de la solution de gélatine préparée ont été ajoutés au mélange Ca2+/NH₃ . Le mélange a été soumis à une sonication avec un UP50H de sonication (50W, 30kHz). Pendant la sonication, 60mL à 0,19M de KH₂PO₄ ont été ajoutés goutte à goutte au mélange.
La solution entière a été soumise à une sonication pendant 1h. Le pH a été contrôlé et maintenu à 9 en permanence, et le rapport Ca/P a été ajusté à 1,67. La filtration du précipité blanc a été réalisée par centrifugation, produisant une suspension épaisse. Différents échantillons ont été traités thermiquement dans un four tubulaire pendant 2h à des températures de 100, 200, 300 et 400°C. Une poudre de Gel–HAp sous forme granulaire a ainsi été obtenue, puis broyée en une poudre fine et caractérisée par XRD, FE-SEM et FT-IR. Les résultats montrent qu’un traitement ultrasonore doux et la présence de gélatine pendant la phase de croissance de l’HAp favorisent une moindre adhésion – ce qui réduit la taille des nanoparticules de Gel–HAp et leur confère une forme sphérique régulière. La sonication douce facilite la synthèse de particules de Gel–HAp nanométriques grâce aux effets d’homogénéisation ultrasonore. Les espèces amide et carbonyle de la gélatine se fixent ensuite aux nanoparticules d’HAp pendant la phase de croissance par une interaction assistée par sonochimie.
[Brundavanam et al. 2011]

Dépôt de HAp sur des plaquettes de titane

Ozhukil Kollatha et al. (2013) ont revêtu des plaques de Ti d’hydroxyapatite. Avant le dépôt, la suspension d’HAp a été homogénéisée avec un UP400S (appareil à ultrasons de 400 watts avec sonotrode H14, durée de sonication de 40 sec. à une amplitude de 75%).

HAp revêtue d’argent

Ignatev et ses collaborateurs (2013) ont développé une méthode biosynthétique dans laquelle des nanoparticules d’argent (AgNp) étaient déposées sur de l’HAp afin d’obtenir un revêtement d’HAp aux propriétés antibactériennes et de réduire l’effet cytotoxique. Pour désagglomérer les nanoparticules d’argent et les faire sédimenter sur l’hydroxyapatite, un appareil Hielscher UP400S a été utilisé.

Un montage comprenant un agitateur magnétique et un appareil de sonication UP400S a été utilisé pour préparer de l’Hap revêtue d’argent [Ignatev et al 2013]

Nos puissants appareils à ultrasons sont des outils fiables pour traiter des particules de taille submicronique et nanométrique. Que vous souhaitiez synthétiser, disperser ou fonctionnaliser des particules dans de petits tubes à des fins de recherche, ou traiter de grands volumes de suspensions de nanopoudres pour une production commerciale – Hielscher propose l’appareil de sonication adapté à vos besoins !

Homogénéisateur à ultrasons UP400S

Bibliographie et 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): Synthesis and characterization of hydroyapatite nanoparticles. 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. 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. Intl. Conf. on Chemical, Bio-Chemical and Environmental Sciences (ICBEE’2012) Singapore, December 14–15, 2012.
Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Effect of Ultrasonic on Crystallinity of Nano-Hydroxyapatite via Wet Chemical Method. 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): Synthesis and characterisation of nanohydroxyapatite using an ultrasound assisted method. 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 & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517–541.

Sujets connexes

Les appareils à ultrasons pour paillasse et production, tels que le UIP1500hd, répondent pleinement aux exigences industrielles.

Appareil à ultrasons UIP1500hd avec réacteur à circulation