סינתזה אולטרסונית של ננו-הידרוקסיאפטיט

הידרוקסיאפטיט (HA או HAp) הוא חומר קרמי ביו-אקטיבי הנמצא בשימוש נרחב למטרות רפואיות בשל הדמיון בין המבנה שלו למבנה חומר העצם. סינתזה בסיוע אולטרסאונד (סינתזה אולטרסונית) של הידרוקסיאפטיט היא טכניקה מוצלחת לייצור HAp בעל מבנה ננומטרי בסטנדרטים הגבוהים ביותר של איכות. השיטה האולטרסונית מאפשרת לייצר HAp ננו-גבישי וכן חלקיקים שעברו מודיפיקציה, כגון ננוספרות בעלות מבנה ליבה–מעטפת, וחומרים מרוכבים.

הידרוקסיאפטיט: מינרל רב־שימושי

הידרוקסילאפטיט או הידרוקסיאפטיט (HAp, גם HA) הוא צורה מינרלית טבעית של אפטיט סידן, שנוסחתה Ca₅(PO₄)₃(OH). כדי לציין שתא היחידה של הגביש מכיל שתי יחידות נוסחה, הנוסחה נכתבת בדרך כלל כך: Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. הידרוקסילאפטיט הוא איבר הקצה ההידרוקסילי של קבוצת האפטיט המורכבת. ניתן להחליף את יון OH- בפלואוריד, בכלוריד או בקרבונט, וכך ליצור פלואוראפטיט או כלוראפטיט. הוא מתגבש במערכת הגבישית ההקסגונלית. HAp מוכר כחומר עצם, שכן עד 50 wt% מהעצם הם צורה מותאמת של הידרוקסיאפטיט.
ברפואה, HAp נקבובי בעל מבנה ננומטרי הוא חומר מעניין ליישומים של עצם מלאכותית. בזכות התאימות הביולוגית הטובה שלו במגע עם עצם והרכבו הכימי הדומה לזה של חומר העצם, החומר הקרמי HAp הנקבובי נמצא בשימוש נרחב ביותר ביישומים ביו-רפואיים, ובהם התחדשות רקמת עצם, התרבות תאים והובלת תרופות.
„בהנדסת רקמת עצם הוא שימש כחומר מילוי לפגמים בעצם ולהגדלת נפח העצם, כחומר מלאכותי להשתלת עצם ובניתוחים חוזרים להחלפת תותבות. שטח הפנים הגדול שלו מוביל ליכולת מצוינת להנחות צמיחת עצם ולספיגה חוזרת בגוף, ובכך מאפשר צמיחה מהירה של עצם לתוכו." [Soypan et al. 2007] לכן, שתלים מודרניים רבים מצופים בהידרוקסילאפטיט.
יישום מבטיח נוסף של הידרוקסילאפטיט מיקרו-גבישי הוא השימוש בו כתוסף "בונה עצם", שספיגתו טובה יותר בהשוואה לסידן.
מלבד השימוש בו כחומר לתיקון עצמות ושיניים, יישומים נוספים של HAp כוללים קטליזה, ייצור דשנים, שימוש כתרכובת בתכשירים פרמצבטיים, יישומים בכרומטוגרפיית חלבונים ותהליכי טיפול במים.

אולטרסאונד רב־עוצמה: השפעות והשלכות

סוניקציה מתוארת כתהליך שבו נעשה שימוש בשדה אקוסטי המצומד לתווך נוזלי. גלי האולטרסאונד מתפשטים בנוזל ויוצרים מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה ולחץ נמוך (דחיסה והקלשה). בשלב ההקלשה נוצרות בנוזל בועות ואקום קטנות או חללים, הגדלים לאורך מספר מחזורים של לחץ גבוה ולחץ נמוך, עד שהבועה אינה יכולה לספוג עוד אנרגיה. בשלב זה הבועות קורסות בעוצמה במהלך שלב הדחיסה. בקריסת בועה כזו משתחררת כמות גדולה של אנרגיה בצורת גלי הלם, טמפרטורות גבוהות (כ-5,000K) ולחצים גבוהים (כ-2,000atm). נוסף על כך, „נקודות חמות" אלה מאופיינות בקצבי קירור גבוהים מאוד. קריסת הבועה יוצרת גם סילוני נוזל במהירות של עד 280m/s. תופעה זו מכונה קוויטציה.
כאשר כוחות קיצוניים אלה, הנוצרים במהלך קריסת בועות הקוויטציה, מתפשטים בתווך העובר סוניקציה, הם משפיעים על חלקיקים וטיפות – וגורמים להתנגשויות בין חלקיקים, כך שהחומר המוצק מתנפץ. כך מושגת הקטנת גודל החלקיקים באמצעות טחינה, פירוק אגלומרטים ופיזור. ניתן להקטין את החלקיקים לגדלים תת-מיקרוניים וננומטריים.
מלבד ההשפעות המכניות, הסוניקציה העוצמתית יכולה ליצור רדיקלים חופשיים, לבקע מולקולות באמצעות גזירה ולשפעל את פני השטח של החלקיקים. תופעות אלה מוכרות כסונוכימיה.

סינתזה אולטרסונית

טיפול אולטרסוני בתרחיף מניב חלקיקים דקים מאוד בעלי התפלגות אחידה, כך שנוצרים יותר אתרי התגרענות לשיקוע.
חלקיקי HAp שסונתזו תחת סוניקציה מציגים רמה מופחתת של אגלומרציה. הנטייה המופחתת לאגלומרציה של HAp שסונתז בסיוע אולטרסאונד אושרה, למשל, באמצעות אנליזת FESEM (מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת בפליטת שדה) של Poinern ועמיתיו (2009).

אולטרסאונד מסייע לתגובות כימיות ומקדם אותן באמצעות קוויטציה אולטרסונית והשפעותיה הפיזיקליות, המשפיעות ישירות על מורפולוגיית החלקיקים בשלב הגדילה. היתרונות העיקריים של סוניקציה בהכנת תערובות תגובה עדינות במיוחד הם

1) הגברת מהירות התגובה,
2) קיצור זמן העיבוד
3) שיפור כולל ביעילות השימוש באנרגיה.

Poinern ועמיתיו (2011) פיתחו שיטת סינתזה כימית רטובה המשתמשת בסידן חנקתי טטרהידרט (Ca[NO3]2 · 4H2O) ובאשלגן דו־מימן פוספט (KH2PO4) כמגיבים העיקריים. לבקרת ערך ה־pH במהלך הסינתזה נוסף אמוניום הידרוקסיד (NH4OH).
המעבד האולטרסוני היה UP50H (50 W, 30 kHz, סונוטרודה MS7 בקוטר 7 mm) מתוצרת Hielscher Ultrasonics.

סידן הידרוקסיאפטיט שפוזר באמצעות אולטרסאונד

סידן הידרוקסיאפטיט שגודל חלקיקיו הוקטן ושפוזר באמצעות אולטרסאונד

שלבי סינתזת ננו־HAP:

תמיסה בנפח 40 mL של 0.32M Ca(NO₃)₂ · 4H₂O הוכנה בכוס מעבדה קטנה. לאחר מכן הותאם ה־pH של התמיסה ל־9.0 באמצעות כ־2.5mL NH₄OH. התמיסה עברה סוניקציה באמצעות UP50H בהגדרת אמפליטודה של 100% במשך 1 שעה.
בתום השעה הראשונה, תמיסה בנפח 60 mL של 0.19M [KH₂PO₄] נוספה באיטיות, טיפה אחר טיפה, לתמיסה הראשונה, תוך חשיפה לשעה שנייה של הקרנה אולטרסונית. במהלך הערבוב נבדק ערך ה־pH ונשמר על 9, ואילו יחס Ca/P נשמר על 1.67. לאחר מכן סוננה התמיסה באמצעות צנטריפוגה (~2000 g), והמשקע הלבן שהתקבל חולק למספר דגימות לטיפול תרמי.
לנוכחות אולטרסאונד בתהליך הסינתזה לפני הטיפול התרמי יש השפעה משמעותית על היווצרות חומרי המוצא הראשוניים של חלקיקי ננו־HAP. זאת משום שגודל החלקיקים קשור להתגרענות ולדפוס הגדילה של החומר, הקשורים בתורם לדרגת רוויית היתר בפאזה הנוזלית.
בנוסף, ניתן להשפיע ישירות הן על גודל החלקיקים והן על המורפולוגיה שלהם במהלך תהליך סינתזה זה. בחינת ההשפעה של הגדלת הספק האולטרסאונד מ־0 ל־50W הראתה כי ניתן להקטין את גודל החלקיקים לפני הטיפול התרמי.
העלייה בהספק האולטרסאונד ששימש להקרנת הנוזל הצביעה על היווצרות מספר רב יותר של בועות/אירועי קוויטציה. הדבר יצר בתורו יותר אתרי התגרענות, וכתוצאה מכך החלקיקים שנוצרו סביב אתרים אלה קטנים יותר. יתר על כן, חלקיקים שנחשפו לפרקי זמן ממושכים יותר של הקרנה אולטרסונית מציגים פחות אגלומרציה. נתוני FESEM שהתקבלו בהמשך אישרו את האגלומרציה המופחתת של החלקיקים כאשר נעשה שימוש באולטרסאונד במהלך תהליך הסינתזה.
חלקיקי ננו־HAp בתחום הגדלים הננומטרי ובעלי מורפולוגיה כדורית יוצרו באמצעות טכניקת שיקוע כימית רטובה בנוכחות אולטרסאונד. נמצא כי המבנה הגבישי והמורפולוגיה של אבקות ננו־HAP שהתקבלו היו תלויים בהספק מקור ההקרנה האולטרסונית ובטיפול התרמי שבוצע לאחר מכן. היה ברור כי נוכחות האולטרסאונד בתהליך הסינתזה קידמה את התגובות הכימיות ואת ההשפעות הפיזיקליות, שהניבו בהמשך את אבקות הננו־HAp הדקות במיוחד לאחר הטיפול התרמי.

סוניקציה בתא ריאקטור אולטרסוני

Hielscher Ultrasonics מעניקה בגאווה חסות לכנס הבינלאומי המקוון ה־7 לכימיה תרופתית. לחצו כאן למידע נוסף על ההרצאות ועל ההשתתפות!

הידרוקסיאפטיט:

מינרל אי־אורגני עיקרי של סידן פוספט
תאימות ביולוגית גבוהה
התכלות ביולוגית איטית
מוליך צמיחת עצם
אינו רעיל
אינו אימונוגני
ניתן לשילוב עם פולימרים ו/או זכוכית
מטריצה מבנית טובה לספיגה של מולקולות אחרות
תחליף עצם מצוין

הומוגנייזרים אולטרסוניים הם כלים רבי עוצמה לסינתזה ולפונקציונליזציה של חלקיקים, כגון HAp

מכשיר לסוניקציה מסוג גשוש UP50H

סינתזה של HAp במסלול סול-ג'ל אולטרסוני

מסלול סול-ג'ל בסיוע אולטרסאונד לסינתזה של חלקיקי HAp בעלי מבנה ננומטרי:
חומרים:
– מגיבים: סידן חנקתי Ca(NO₃)₂, די-אמוניום מימן פוספט (NH₄)₂HPO₄, נתרן הידרוקסידי NaOH ;
– מבחנה בנפח 25 ml

המיסו Ca(NO₃)₂ ו-(NH₄)₂HPO₄ במים מזוקקים (יחס מולרי בין סידן לזרחן: 1.67)
הוסיפו מעט NaOH לתמיסה כדי לשמור על ה-pH שלה בסביבות 10.
טיפול אולטרסוני באמצעות מכשיר UP100H (סונוטרודה MS10, אמפליטודה 100%)

הסינתזות ההידרותרמיות בוצעו בטמפרטורה של 150°C במשך 24 h בתנור חשמלי.
לאחר התגובה, ניתן לאסוף HAp גבישי באמצעות צנטריפוגציה ושטיפה במים נטולי יונים.
אפיון ננו-אבקת ה-HAp שהתקבלה באמצעות מיקרוסקופיה (SEM, TEM,) ו/או ספקטרוסקופיה (FT-IR). ננו-חלקיקי ה-HAp שסונתזו מציגים גבישיות גבוהה. ניתן להבחין במורפולוגיות שונות בהתאם למשך הסוניקציה. סוניקציה ממושכת יותר עשויה להוביל להיווצרות ננו-מוטות HAp אחידים בעלי יחס אורך לקוטר גבוה וגבישיות גבוהה במיוחד. [השוו Manafi et al. 2008]

מודיפיקציה של HAp

בשל שבירותו, השימוש ב-HAp טהור מוגבל. במחקר החומרים נעשו מאמצים רבים לבצע מודיפיקציה של HAp באמצעות פולימרים, שכן העצם הטבעית היא חומר מרוכב המורכב בעיקר מגבישי HAp דמויי מחט בגודל ננומטרי (המהווים כ-65wt% מהעצם). מודיפיקציה של HAp בסיוע אולטרסאונד וסינתזה של חומרים מרוכבים בעלי תכונות חומר משופרות מציעות מגוון אפשרויות (ראו כמה דוגמאות להלן).

דוגמאות מעשיות:

סינתזה של ננו-HAp

במחקרם של Poinern et al. (2009), מכשיר Hielscher UP50H לסוניקציה מסוג גשוש שימש בהצלחה לסונו-סינתזה של HAp. עם העלייה באנרגיית האולטרסאונד, גודל חלקיקי הגבישונים של HAp פחת. הידרוקסיאפטיט (HAp) בעל מבנה ננומטרי הוכן בטכניקת שיקוע רטוב בסיוע אולטרסאונד. Ca(NO₃) ו-KH₂₅PO₄ שימשו כחומרי המוצא העיקריים, ו-NH₃ שימש כחומר המשקיע. השיקוע ההידרותרמי תחת הקרנה אולטרסונית הניב חלקיקי HAp בגודל ננומטרי ובעלי מורפולוגיה כדורית, בטווח גדלים ננומטרי (כ-30nm ± 5%). Poinern ועמיתיו מצאו שסינתזה סונו-הידרותרמית היא מסלול חסכוני בעל יכולת גבוהה להגדלת קנה המידה לייצור מסחרי.

סינתזה של ג'לטין־הידרוקסיאפטיט (Gel-HAp)

Brundavanam ועמיתיו הכינו בהצלחה חומר מרוכב של ג'לטין-הידרוקסיאפטיט (Gel-HAp) בתנאי סוניקציה מתונים. להכנת ג'לטין-הידרוקסיאפטיט, 1g של ג'לטין הומס לחלוטין ב-1000mL מי MilliQ בטמפרטורה של 40°C. לאחר מכן נוספו 2mL מתמיסת הג'לטין שהוכנה לתערובת Ca2+/NH₃ . התערובת עברה סוניקציה באמצעות מכשיר UP50H לסוניקציה (50W, 30kHz). במהלך הסוניקציה, 60mL של 0.19M KH₂PO₄ נוספו לתערובת בטפטוף.
התמיסה כולה עברה סוניקציה במשך 1h. ערך ה-pH נבדק ונשמר על pH 9 לאורך כל התהליך, ויחס Ca/P הותאם ל-1.67. סינון המשקע הלבן בוצע באמצעות צנטריפוגציה, והתקבל תרחיף סמיך. דגימות שונות עברו טיפול תרמי בתנור צינורי במשך 2h בטמפרטורות של 100, 200, 300 ו-400°C. כך התקבלה אבקת Gel–HAp בצורת גרגרים, שנטחנה לאבקה דקה ואופיינה באמצעות XRD, FE-SEM ו-FT-IR. התוצאות מראות שסוניקציה מתונה ונוכחות ג'לטין בשלב הגדילה של ה-HAp מקדמות היצמדות מופחתת – וכך מתקבלים ננו-חלקיקי Gel–HAp קטנים יותר ובעלי צורה כדורית סדירה. הסוניקציה המתונה מסייעת לסינתזה של חלקיקי Gel–HAp בגודל ננומטרי הודות להשפעות ההומוגניזציה האולטרסונית. קבוצות האמיד והקרבוניל מהג'לטין נקשרות לאחר מכן לננו-חלקיקי ה-HAp בשלב הגדילה באמצעות אינטראקציה בסיוע סונוכימי.
[Brundavanam et al. 2011]

שיקוע HAp על לוחיות טיטניום

Ozhukil Kollatha et al. (2013) ציפו לוחות Ti בהידרוקסיאפטיט. לפני ההרבדה, תרחיף ה-HAp עבר הומוגניזציה באמצעות מכשיר UP400S (מכשיר אולטרסוני בהספק 400 ואט עם קרן אולטרסונית H14, זמן סוניקציה 40 שניות באמפליטודה של 75%).

HAp מצופה כסף

Ignatev ועמיתיו (2013) פיתחו שיטה ביוסינתטית שבה ננו־חלקיקי כסף (AgNp) שוקעו על HAp כדי לקבל ציפוי HAp בעל תכונות אנטיבקטריאליות ולהפחית את ההשפעה הציטוטוקסית. לצורך פירוק האגלומרטים של ננו־חלקיקי הכסף ולצורך שיקועם על ההידרוקסיאפטיט, נעשה שימוש במכשיר של Hielscher UP400S .

Ignatev ועמיתיו השתמשו במכשיר האולטרסוני מסוג גשושית UP400S לייצור HAp מצופה בכסף.

מערך המשלב בוחש מגנטי ומכשיר אולטרסוני UP400S שימש להכנת Hap מצופה כסף [Ignatev et al 2013]

המכשירים האולטרסוניים רבי־העוצמה שלנו הם כלים אמינים לטיפול בחלקיקים בטווח הגדלים התת־מיקרוני והננומטרי. בין שברצונכם לסנתז חלקיקים, לפזר אותם או להקנות להם קבוצות פונקציונליות במבחנות קטנות למטרות מחקר, ובין שעליכם לטפל בנפחים גדולים של תרחיפי ננו־אבקות לייצור מסחרי – Hielscher מציעה את המכשיר האולטרסוני המתאים לדרישותיכם!

הומוגנייזר אולטרסוני UP400S

ספרות ומקורות

Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): השפעת ג'לטין מדולל על סינתזה אולטרסונית בסיוע חום של ננו־הידרוקסיאפטיט. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697–703.
Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): סינתזה ואפיון של ננו־חלקיקי הידרוקסיאפטיט. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 322; 2008. 29–33.
Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): ציפויי הידרוקסיאפטיט מותזים בפלזמה עם ננו־חלקיקי כסף. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20–29.
Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): הרכבה מבוקרת של ננו־כדוריות ליבה–קליפה מפולי(d,l-לקטיד-קו-גליקוליד)/ הידרוקסיאפטיט תחת הקרנה אולטרסונית. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): הכנת הידרוקסיאפטיט מעצם בקר בשיטות משולבות של אולטרסאונד וייבוש בהתזה. הכנס הבינלאומי למדעי הכימיה, הביוכימיה והסביבה (ICBEE'2012) Singapore, December 14–15, 2012.
Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): השפעת אולטרסאונד על הגבישיות של ננו־הידרוקסיאפטיט בשיטה כימית רטובה. 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): שיקוע אלקטרופורטי של הידרוקסיאפטיט על טיטניום בזרם חילופין לעומת זרם ישר. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715–2721.
Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): התכונות המכניות של חומר קרמי נקבובי המופק מאבקת הידרוקסיאפטיט המבוססת על חלקיקים בגודל 30 nm ליישומים פוטנציאליים בהנדסת רקמות קשות. 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): השפעות תרמיות ואולטרסוניות על היווצרות חומר ביוקרמי מסוג הידרוקסיאפטיט בקנה מידה ננומטרי. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): סינתזה ואפיון של ננו־הידרוקסיאפטיט בשיטה בסיוע אולטרסאונד. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469–474.
Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): הידרוקסיאפטיט נקבובי ליישומי עצם מלאכותית. Science and Technology of Advanced Materials 8. 2007. 116.
Suslick, K. S. (1998): אנציקלופדיית Kirk-Othmer לטכנולוגיה כימית; מהדורה 4. J. Wiley & Sons: ניו יורק, כרך 26, 1998. 517–541.

נושאים קשורים

מכשירים אולטרסוניים לשימוש על שולחן המעבדה ולייצור, כגון UIP1500hd, מציעים איכות ברמה תעשייתית מלאה.

מכשיר אולטרסוני UIP1500hd עם ריאקטור לזרימה רציפה