סונו-סינתזה של ננו-הידרוקסיאפטיט

הידרוקסיאפטיט (HA או HAp) הוא קרמיקה ביו-אקטיבית נפוצה מאוד למטרות רפואיות בשל המבנה הדומה שלה לחומר העצם. סינתזה בסיוע אולטרה-סאונד (סינתזה סונו) של הידרוקסיאפטיט היא טכניקה מוצלחת לייצור HAp ננו-מבני בתקני האיכות הגבוהים ביותר. המסלול העל-קולי מאפשר לייצר HAp ננו-גבישי כמו גם חלקיקים מותאמים, כגון ננו-ספירות מעטפת ליבה וחומרים מרוכבים.

הידרוקסיאפטיט: מינרל רב-תכליתי

הידרוקסילאפטיט או הידרוקסיאפטיט (HAp, גם HA) הוא צורה מינרלית טבעית של סידן אפטיט עם הנוסחה Ca₅(ת.ד.₄)₃(אה). כדי לציין שתא היחידה הגבישית מורכב משתי ישויות, נכתב בדרך כלל Ca₁₀(ת.ד.₄)₆(אה)₂. הידרוקסילאפטיט הוא הקצה ההידרוקסיל של קבוצת האפטיט המורכב. יון OH- יכול להיות מוחלף על ידי פלואוריד, כלוריד או קרבונט, לייצר fluorapatite או chlorapatite. הוא מתגבש במערכת הגבישים המשושה. HAp ידוע כחומר עצם שכן עד 50 wt% מהעצם היא צורה שונה של הידרוקסיאפטיט.
ברפואה, HAp נקבובי ננו-מבני הוא חומר מעניין ליישום עצם מלאכותית. בשל התאימות הביולוגית הטובה שלה במגע עם העצם וההרכב הכימי הדומה שלה לחומר העצם, קרמיקה HAp נקבובית מצאה שימוש עצום ביישומים ביו-רפואיים, כולל התחדשות רקמת עצם, התפשטות תאים ואספקת תרופות.
"בהנדסת רקמת עצם הוא יושם כחומר מילוי לפגמים בעצמות והגדלה, חומר השתלת עצם מלאכותי וניתוח תיקון תותבת. שטח הפנים הגבוה שלו מוביל לאוסטאו-מוליכות מעולה וליכולת ספיגה מחדש המספקת צמיחת עצם מהירה". [Soypan et al. 2007] לכן, שתלים מודרניים רבים מצופים hydroxylapatite.
יישום מבטיח נוסף של הידרוקסילאפטיט מיקרוקריסטליני הוא השימוש בו כ “בניית עצם” תוסף עם ספיגה מעולה בהשוואה לסידן.
מלבד השימוש בו כחומר תיקון לעצמות ולשיניים, ניתן למצוא יישומים אחרים של HAp בקטליזה, ייצור דשנים, כתרכובת במוצרים פרמצבטיים, ביישומי כרומטוגרפיה של חלבונים ובתהליכי טיפול במים.

אולטרסאונד כוח: אפקטים והשפעה

סוניקציה מתוארת כתהליך שבו נעשה שימוש בשדה אקוסטי, אשר מצומד למדיום נוזלי. גלי האולטרסאונד מתפשטים בנוזל ומייצרים לסירוגין מחזורי לחץ גבוה/לחץ נמוך (דחיסה וררפאקציה). במהלך שלב הרפרקציה מופיעות בועות ואקום קטנות או חללים בנוזל, אשר גדלים על פני מחזורי לחץ גבוה / לחץ נמוך שונים עד שהבועה אינה יכולה לספוג יותר אנרגיה. בשלב זה, הבועות מתפוצצות באלימות במהלך שלב הדחיסה. במהלך קריסת בועה כזו משתחררת כמות גדולה של אנרגיה בצורה של גלי הלם, טמפרטורות גבוהות (כ-5,000K) ולחצים (כ-2,000 אטמוספירה). יתר על כן, "נקודות חמות" אלה מאופיינות בשיעורי קירור גבוהים מאוד. קריסת הבועה גורמת גם לסילונים נוזליים במהירות של עד 280 מטר לשנייה. תופעה זו נקראת קוויטציה.
כאשר כוחות קיצוניים אלה, הנוצרים במהלך קריסת בועות הקוויטציה, מתפשטים בתווך הסוני, חלקיקים וטיפות מושפעים – וכתוצאה מכך התנגשות בין חלקיקים כך שהמוצק מתנפץ. בכך מושגת הקטנת גודל חלקיקים כגון כרסום, פירוק ופיזור. ניתן לפרק את החלקיקים לתת-מיקרון ולגודל ננו.
מלבד האפקטים המכניים, הסוניקציה רבת העוצמה יכולה ליצור רדיקלים חופשיים, לגזור מולקולות ולהפעיל משטחי חלקיקים. תופעה זו ידועה בשם סונוכימיה.

סונו-סינתזה

טיפול על-קולי של הבוצה גורם לחלקיקים עדינים מאוד עם פיזור אחיד, כך שנוצרים יותר אתרי נוקלציה למשקעים.
חלקיקי HAp מסונתזים תחת אולטרה-סוניקציה מראים ירידה ברמת האגלומרציה. הנטייה הנמוכה יותר להצטברות של HAp מסונתז אולטרה-סאונד אושרה, למשל, על ידי ניתוח FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) של Poinern et al. (2009).

אולטרסאונד מסייע ומקדם תגובות כימיות על ידי קוויטציה קולית והשפעותיה הפיזיקליות המשפיעות ישירות על מורפולוגיית החלקיקים בשלב הגדילה. היתרונות העיקריים של ultrasonication וכתוצאה מכך הכנת תערובות תגובה superfine הם:

1) מהירות תגובה מוגברת,
2) קיצור זמן העיבוד
3) שיפור כולל בשימוש יעיל באנרגיה.

Poinern et al. (2011) פיתחו מסלול כימי רטוב המשתמש בסידן חנקתי טטרהידראט (Ca[NO3]2 · 4H2O) ואשלגן דימימן פוספט (KH2PO4) כמגיבים עיקריים. לשליטה בערך ה- pH במהלך הסינתזה, נוסף אמוניום הידרוקסיד (NH4OH).
מעבד האולטרסאונד היה UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode עם קוטר 7 מ"מ) מבית Hielscher Ultrasonics.

סידן-הידרוקסיאפטיט מופחת ומפוזר באולטרסאונד

שלבים של סינתזת ננו-HAP:

תמיסה של 40 מ"ל של 0.32M Ca(NO)₃)₂ · 4H₂O היה מוכן בכד קטן. ה-pH של התמיסה הותאם אז ל-9.0 עם כ-2.5 מ"ל NH₄אוי. הפתרון היה sonicated עם UP50H בהגדרת משרעת של 100% למשך שעה.
בסוף השעה הראשונה תמיסה של 60 מ"ל של 0.19M [KH₂פו₄] לאחר מכן נוסף לאט לאט לתוך הפתרון הראשון תוך כדי שעה שנייה של הקרנה קולית. במהלך תהליך הערבוב, ערך ה- pH נבדק ונשמר על 9 בעוד יחס Ca/P נשמר על 1.67. התמיסה סוננה לאחר מכן באמצעות צנטריפוגה (~ 2000 גרם), ולאחר מכן המשקע הלבן שנוצר היה פרופורציונלי למספר דגימות לטיפול בחום.
לנוכחות האולטרסאונד בהליך הסינתזה לפני הטיפול התרמי יש השפעה משמעותית על יצירת מבשרי חלקיקי ננו-HAP הראשוניים. זאת בשל גודל החלקיקים להיות קשור נוקלציה ואת דפוס הצמיחה של החומר, אשר בתורו קשור למידת סופר רוויה בתוך הפאזה הנוזלית.
בנוסף, הן גודל החלקיק והן המורפולוגיה שלו יכולים להיות מושפעים ישירות במהלך תהליך סינתזה זה. ההשפעה של הגדלת עוצמת האולטרסאונד מ-0 ל-50W הראתה שניתן להקטין את גודל החלקיקים לפני הטיפול התרמי.
כוח האולטרסאונד הגובר המשמש להקרנת הנוזל הצביע על כך שנוצרו מספר גדול יותר של בועות/קוויטציות. זה בתורו יצר יותר אתרי נוקלציה וכתוצאה מכך החלקיקים שנוצרו סביב אתרים אלה קטנים יותר. יתר על כן, חלקיקים שנחשפו לפרקי זמן ארוכים יותר של קרינה על-קולית מראים פחות הצטברות. נתוני FESEM מאוחרים יותר אישרו את הצטברות החלקיקים המופחתת כאשר נעשה שימוש באולטרסאונד במהלך תהליך הסינתזה.
חלקיקי ננו-HAp בטווח הגדלים הננומטרי ובמורפולוגיה הכדורית יוצרו בטכניקת משקעים כימיים רטובים בנוכחות אולטרסאונד. נמצא כי המבנה הגבישי והמורפולוגיה של אבקות ננו-HAP שהתקבלו היו תלויים בעוצמת מקור הקרינה העל-קולי ובטיפול התרמי שנעשה בו שימוש לאחר מכן. ניכר היה כי נוכחות האולטרסאונד בתהליך הסינתזה קידמה את התגובות הכימיות ואת ההשפעות הפיזיקליות שיצרו לאחר מכן את אבקות הננו-HAp האולטרה-עדינות לאחר טיפול תרמי.

סוניקציה בתא כור על-קולי

Hielscher Ultrasonics נותנת חסות בגאווה לכנס האלקטרוני הבינלאומי השביעי לכימיה תרופתית. לחצו כאן כדי ללמוד עוד על מצגות והשתתפות!

הידרוקסיאפטיט:

מינרל סידן פוספט אנאורגני עיקרי
תאימות ביולוגית גבוהה
מתכלות ביולוגית איטית
אוסטאו-מוליך
לא רעיל
לא אימונוגני
ניתן לשלב עם פולימרים ו/או זכוכית
מטריצת מבנה ספיגה טובה למולקולות אחרות
תחליף עצם מעולה

הומוגנייזרים קוליים הם כלים רבי עוצמה לסנתז ולתפקד חלקיקים, כגון HAp

אולטרסוניקטור מסוג בדיקה UP50H

סינתזת HAp באמצעות מסלול סול-ג'ל אולטראסוני

מסלול סול-ג'ל בסיוע אולטרסאונד לסינתזה של חלקיקי HAp ננו-מבניים:
חומר:
– מגיבים: סידן חנקתי Ca(NO₃)₂די-אמוניום מימן פוספט (NH₄)₂קופת חולים₄נתרן הידרוקסיד NaOH ;,
– 25 מ"ל מבחנה

להמיס Ca(NO₃)₂ וכן (NH₄)₂קופת חולים₄ במים מזוקקים (יחס מולארי סידן לזרחן: 1.67)
הוסף קצת NaOH לתמיסה כדי לשמור על pH סביב 10.
טיפול אולטרסאונד עם UP100H (סונוטרודה MS10, משרעת 100%)

הסינתזות ההידרותרמיות נערכו בטמפרטורה של 150 מעלות צלזיוס במשך 24 שעות בתנור חשמלי.
לאחר התגובה, HAp גבישי ניתן לקצור על ידי צנטריפוגה ושטיפה עם מים deionized.
ניתוח ננו-אבקה HAp המתקבלת במיקרוסקופ (SEM, TEM,) ו / או ספקטרוסקופיה (FT-IR). חלקיקי HAp המסונתזים מראים גבישיות גבוהה. ניתן להבחין במורפולוגיה שונה בהתאם לזמן הסוניקציה. סוניקציה ארוכה יותר יכולה להוביל לננו-מוטות HAp אחידים עם יחס גובה-רוחב גבוה וגבישיות גבוהה במיוחד. [ראה: מנפי ואח' 2008]

שינוי של HAp

בשל פריכותו, היישום של HAp טהור מוגבל. במחקר חומרים, נעשו מאמצים רבים לשנות HAp על ידי פולימרים מכיוון שהעצם הטבעית מורכבת בעיקר מגבישי HAp בגודל ננומטרי דמויי מחט (מהווה כ-65wt% מהעצם). שינוי בסיוע אולטרה-סאונד של HAp וסינתזה של חומרים מרוכבים בעלי תכונות חומר משופרות מציע אפשרויות רבות (ראה כמה דוגמאות להלן).

דוגמאות מעשיות:

סינתזה של ננו-HAp

במחקר של Poinern et al. (2009), א Hielscher UP50H אולטרסוניקטור מסוג בדיקה שימש בהצלחה לסינתזה של סונו-סינתזה של HAp. עם העלייה באנרגיית האולטרסאונד, גודל החלקיקים של גבישי HAp ירד. הידרוקסיאפטיט ננו-מבני (HAp) הוכן בטכניקת משקעים רטובים בסיוע אולטרה-סאונד. Ca(NO₃) ו-KH₂₅פו₄ werde המשמש כחומר העיקרי ו NH₃ כמזרז. המשקעים ההידרותרמיים תחת קרינה על-קולית יצרו חלקיקי HAp בגודל ננומטרי עם מורפולוגיה כדורית בטווח הגדלים של ננומטר (כ-30 ננומטר ±-5%). פוינרן ועמיתיו מצאו את הסינתזה הסונו-הידרותרמית כנתיב כלכלי עם יכולת הרחבה חזקה לייצור מסחרי.

סינתזה של ג'לנטין-הידרוקסיאפטיט (Gel-HAp)

ברונדבנאם ועמיתיו הכינו בהצלחה תרכובת ג'לנטין-הידרוקסיאפטיט (Gel-HAp) בתנאי סוניקציה מתונים. להכנת ג'לנטין-הידרוקסיאפטיט, 1 גרם של ג'לטין הומס לחלוטין במים של 1000 מ"ל מיליק ב-40 מעלות צלזיוס. 2 מ"ל של תמיסת הג'לטין המוכנה נוספה אז ל-Ca2+/NH₃ תערובת. התערובת הייתה סונית עם UP50H אולטרסאונד (50W, 30kHz). במהלך הסוניקציה, 60 מ"ל של 0.19M KH₂פו₄ נוספו בחוכמה לתערובת.
הפתרון כולו היה sonicated במשך 1 שעה. ערך ה- pH נבדק ונשמר ב- pH 9 בכל עת ויחס Ca/P הותאם ל- 1.67. סינון המשקע הלבן הושג על ידי צנטריפוגה, וכתוצאה מכך נוצר תרחיף סמיך. דגימות שונות טופלו בחום בכבשן צינור במשך שעתיים בטמפרטורות של 100, 200, 300 ו -400 מעלות צלזיוס. כך התקבלה אבקת ג'ל-HAp בצורה גרגירית, אשר נטחנה לאבקה דקה והתאפיינה ב-XRD, FE-SEM ו-FT-IR. התוצאות מראות כי אולטרה-סוניקציה קלה ונוכחות של ג'לטין במהלך שלב הצמיחה של HAp מקדמים הידבקות נמוכה יותר – ובכך יוצרים צורה כדורית קטנה יותר ויוצרים צורה כדורית רגילה של ננו-חלקיקי ג'ל-HAp. הסוניקציה הקלה מסייעת לסינתזה של חלקיקי ג'ל-HAp בגודל ננומטרי עקב השפעות הומוגניזציה על-קוליות. מיני האמיד והקרבוניל מהג'לטין מתחברים לאחר מכן לננו-חלקיקי HAp במהלך שלב הצמיחה באמצעות אינטראקציה בסיוע סונוכימי.
[Brundavanam et al. 2011]

שקיעת HAp על טסיות טיטניום

Ozhukil Kollatha et al. (2013) ציפו לוחות Ti עם hydroxyapatite. לפני התצהיר, השעיית HAp הייתה הומוגנית עם UP400S (מכשיר אולטראסוני 400 וואט עם קרן קולית H14, זמן סוניקציה 40 שניות באמפליטודה של 75%).

HAp מצופה כסף

Ignatev ועמיתיו (2013) פיתחו שיטה ביוסינתטית שבה חלקיקי כסף (AgNp) שוקעו על HAp כדי לקבל ציפוי HAp עם תכונות אנטיבקטריאליות ולהפחית את ההשפעה ציטוטוקסית. עבור deagglomeration של חלקיקי כסף ועל שיקוע שלהם על hydroxyapatite, Hielscher UP400S היה בשימוש.

מערך של מערבל מגנטי ואולטראסוניק UP400S שימש להכנת Hap מצופה כסף [Ignatev et al 2013]

המכשירים העל-קוליים רבי העוצמה שלנו הם כלים אמינים לטיפול בחלקיקים בטווח התת-מיקרוני והננומטרי. בין אם אתה רוצה לסנתז, לפזר או לתפקד חלקיקים בצינורות קטנים למטרות מחקר או שאתה צריך לטפל בכמויות גדולות של תרחיפים ננו-אבקתיים לייצור מסחרי – Hielscher מציעה את ultrasonicator המתאים לדרישות שלך!

הומוגנייזר קולי UP400S

ספרות/מקורות

Brundavanam, ר 'ק'; ג'ינג, ז'-ט', צ'פמן, פ'; לה, כ'-ט'; מונדינוס, נ'; פוסט, ד'; Poinern, G. E. J. (2011): השפעת ג'לטין מדולל על סינתזה קולית תרמית בסיוע של ננו הידרוקסיאפטיט. אולטרסון. סונוכם. 18, 2011. 697-703.
ג'נגיז, ב'; גוקצ'ה, י'; ילדיז, נ'; אקטאס, ז'; קלימלי, א. (2008): סינתזה ואפיון של ננו-חלקיקים הידרויאפטיטים. קולואידים ומשטחים A: Physicochem. היבטים הנדסיים 322; 2008. 29-33.
Ignatev, M.; ריבק, ט'; קולונז'ים, ג'; שרף, ו'; Marke, S. (2013): ציפויי הידרוקסיאפטיט מרוססים פלזמה עם ננו-חלקיקי כסף. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
Jevtića, M.; רדולוביץ', א'; Ignjatovića, N.; מיטריצ'ב, מ.; Uskoković, D. (2009): הרכבה מבוקרת של פולי(d,l-lactide-co-glycolide)/ hydroxyapatite ליבה-מעטפת nanospheres תחת קרינה קולית. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
קוסריני, א'; Pudjiastuti, א 'ר'; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): הכנת הידרוקסיאפטיט מעצם בקר בשיטות משולבות של ייבוש קולי וריסוס. Intl. Conf. on Chemical, Bio-Chemical and Environmental Sciences (ICBEE'2012) סינגפור, 14-15 בדצמבר 2012.
מנפי, ש'; Badiee, S.H. (2008): השפעת קולי על גבישיות של ננו-הידרוקסיאפטיט באמצעות שיטה כימית רטובה. Ir J פארמה Sci 4/2; 2008. 163-168
אוז'וקיל קולאתה, ו'; חן, כו; קלוסטב, ר'; לויטנה, י.; טריינאב, ק'; מולנסה, ש'; בוקאצ'יניק, א. ר.; Clootsb, R. (2013): AC לעומת DC תצהיר אלקטרופורטי של הידרוקסיאפטיט על טיטניום. כתב העת של החברה האירופית לקרמיקה 33; 2013. 2715–2721.
פוינרן, ג.א.ג.; Brundavanam, R.K.; תי' לה, כ'; Fawcett, D. (2012): התכונות המכניות של קרמיקה נקבובית הנגזרת מאבקה מבוססת חלקיקים בגודל 30 ננומטר של הידרוקסיאפטיט עבור יישומים פוטנציאליים של הנדסת רקמות קשות. כתב העת האמריקאי להנדסה ביו-רפואית 2/6; 2012. 278-286.
פוינרן, ג.י.א.; Brundavanam, R.; תי' לה, כ'; Djordjevic, S.; פרוקיץ', מ'; Fawcett, D. (2011): השפעה תרמית וקולית בהיווצרות ביו-קרמיקה הידרוקסיאפטיט בקנה מידה ננומטרי. כתב העת הבינלאומי לננו-רפואה 6; 2011. 2083–2095.
פוינרן, ג.י.א.; Brundavanam, R.K.; מונדינוס, נ'; ג'יאנג, ז'-ט'. (2009): סינתזה ואפיון של ננו-הידרוקסיאפטיט בשיטת אולטרסאונד. אולטרסאונד סונוכימיה, 16/4; 2009. 469- 474.
ספינת סויה, א'; מל, מ.; ראמש, ס'; Khalid, K.A: (2007): הידרוקסיאפטיט נקבובי ליישומי עצם מלאכותיים. מדע וטכנולוגיה של חומרים מתקדמים 8. 2007. 116.
Suslick, K. S. (1998): אנציקלופדיה קירק-אותמר לטכנולוגיה כימית; מהדורה רביעית ג'יי ויילי & בנים: ניו יורק, כרך 26, 1998. 517-541.

נושאים קשורים

התקנים אולטראסוניים לספסל וייצור כגון UIP1500hd מספקים ציון תעשייתי מלא.

מכשיר אולטראסוני UIP1500hd עם כור זורם