Sono-sinteza nano-hidroksiapatita

Hidroksiapatit (HA ili HAp) vrlo je česta bioaktivna keramika u medicinske svrhe zbog svoje strukture slične koštanom materijalu. Ultrazvučno potpomognuta sinteza (sono-sinteza) hidroksiapatita je uspješna tehnika za proizvodnju nanostrukturiranih HAp prema najvišim standardima kvalitete. Ultrazvučni put omogućuje proizvodnju nano-kristalnog HAp-a kao i modificiranih čestica, npr. nanosfera jezgra-ljuska i kompozita.

sono-sinteza

Ultrazvučna obrada kaše rezultira vrlo finim česticama s ravnomjernom raspodjelom tako da se stvara više mjesta nukleacije za taloženje.
HAp čestice sintetizirane pod ultrazvukom pokazuju smanjenu razinu aglomeracije. Niža tendencija aglomeracije ultrazvučno sintetiziranog HAp potvrđena je npr. FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) analizom Poinern et al. (2009).

Ultrazvuk pomaže i potiče kemijske reakcije ultrazvučnom kavitacijom i njezine fizičke učinke koji izravno utječu na morfologiju čestica tijekom faze rasta. Glavne prednosti ultrazvučne obrade rezultiraju pripremom najfinijih reakcijskih smjesa

• 1) povećana brzina reakcije,
• 2) smanjeno vrijeme obrade
• 3) sveukupno poboljšanje učinkovite uporabe energije.

Poinern i sur. (2011.) razvili su mokri kemijski put koji koristi kalcijev nitrat tetrahidrat (Ca[NO3]2 · 4H2O) i kalijev dihidrogen fosfat (KH2PO4) kao glavne reaktante. Za kontrolu pH vrijednosti tijekom sinteze dodan je amonijev hidroksid (NH4OH).
Ultrazvučni procesor bio je UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode w/ 7 mm promjera) iz Hielscher Ultrasonics.

Ultrazvučno reducirani i dispergirani kalcij-hidroksiapatit

Koraci nano-HAP sinteze:

40 ml otopine 0,32 M Ca(NO₃)₂ · 4H₂O je pripremljen u maloj čaši. pH otopine je tada podešen na 9,0 s približno 2,5 mL NH₄OH. Otopina je sonicirana s UP50H pri 100% postavci amplitude tijekom 1 sata.
Na kraju prvog sata dodano je 60 mL otopine 0,19 M [KH₂PO₄] zatim je polako dodan kap po kap u prvu otopinu dok je bio podvrgnut drugom satu ultrazvučnog zračenja. Tijekom procesa miješanja pH vrijednost je provjeravana i održavana na 9 dok je omjer Ca/P održavan na 1,67. Otopina je zatim filtrirana centrifugiranjem (~2000 g), nakon čega je dobiveni bijeli talog podijeljen u više uzoraka za toplinsku obradu.
Prisutnost ultrazvuka u postupku sinteze prije toplinske obrade ima značajan utjecaj na formiranje početnih prekursora nano-HAP čestica. To je zbog toga što je veličina čestica povezana s nukleacijom i uzorkom rasta materijala, što je opet povezano sa stupnjem super zasićenja unutar tekuće faze.
Osim toga, tijekom ovog procesa sinteze može se izravno utjecati na veličinu čestica i njihovu morfologiju. Učinak povećanja snage ultrazvuka od 0 do 50 W pokazao je da je moguće smanjiti veličinu čestica prije toplinske obrade.
Povećana snaga ultrazvuka korištena za ozračivanje tekućine pokazala je da se stvara veći broj mjehurića/kavitacija. To je zauzvrat proizvelo više mjesta nukleacije i kao rezultat toga čestice formirane oko tih mjesta su manje. Nadalje, čestice izložene duljim razdobljima ultrazvučnog zračenja pokazuju manju aglomeraciju. Naknadni FESEM podaci potvrdili su smanjenu aglomeraciju čestica kada se tijekom procesa sinteze koristi ultrazvuk.
Nano-HAp čestice u nanometarskom rasponu veličine i sferične morfologije proizvedene su tehnikom mokrog kemijskog taloženja uz prisutnost ultrazvuka. Utvrđeno je da kristalna struktura i morfologija dobivenih nano-HAP prahova ovisi o snazi izvora ultrazvučnog zračenja i korištenoj naknadnoj toplinskoj obradi. Bilo je evidentno da je prisutnost ultrazvuka u procesu sinteze pospješila kemijske reakcije i fizikalne učinke koji su kasnije proizveli ultrafine nano-HAp prahove nakon toplinske obrade.

Sinteza HAp ultrazvučnom sol-gel rutom

Ultrazvučno potpomognut sol-gel put za sintezu nanostrukturiranih HAp čestica:
Materijal:
– reaktanti: kalcijev nitrat Ca(NO₃)₂, di-amonijev hidrogen fosfat (NH₄)₂HPO₄, Natrijev hidroksid NaOH ;
– Epruveta od 25 ml

1. Otopiti Ca(NO₃)₂ i (NH₄)₂HPO₄ u destiliranoj vodi (molarni omjer kalcija i fosfora: 1,67)
2. Dodajte malo NaOH u otopinu kako biste zadržali pH oko 10.
3. Ultrazvučni tretman s an UP100H (sonotroda MS10, amplituda 100%)

• Hidrotermalne sinteze su provedene na 150°C tijekom 24 sata u električnoj pećnici.
• Nakon reakcije, kristalni HAp može se sakupiti centrifugiranjem i ispiranjem deioniziranom vodom.
• Analiza dobivenog HAp nanopraha mikroskopijom (SEM, TEM,) i/ili spektroskopijom (FT-IR). Sintetizirane nanočestice HAp pokazuju visoku kristalnost. Ovisno o vremenu ultrazvuka može se uočiti različita morfologija. Dulja sonikacija može dovesti do ujednačenih HAp nanoštapića s visokim omjerom širine i visine i ultravisokom kristalnošću. [cp. Manafi i sur. 2008]

Modifikacija HAp

Zbog njegove krtosti primjena čistog HAp-a je ograničena. U istraživanju materijala uloženi su mnogi napori da se HAp modificira polimerima budući da je prirodna kost kompozit koji se uglavnom sastoji od igličastih kristala HAp nano veličine (koji čine oko 65 težinskih postotaka kosti). Ultrazvučno potpomognuta modifikacija HAp i sinteza kompozita s poboljšanim karakteristikama materijala nudi višestruke mogućnosti (pogledajte nekoliko primjera u nastavku).

Praktični primjeri:

Srebrni HAp

Ignatev i suradnici (2013.) razvili su biosintetsku metodu gdje su nanočestice srebra (AgNp) taložene na HAp kako bi se dobila prevlaka HAp s antibakterijskim svojstvima i smanjio citotoksični učinak. Za deaglomeraciju nanočestica srebra i njihovu sedimentaciju na hidroksiapatitu, Hielscher UP400S korišten je.

Postavka magnetske miješalice i ultrazvučnog uređaja UP400S korišten je za srebrom obložen Hap preparat [Ignatev et al 2013]

Naši moćni ultrazvučni uređaji pouzdani su alati za tretiranje čestica u rasponu ispod mikrona i nano veličine. Bilo da želite sintetizirati, raspršiti ili funkcionalizirati čestice u malim cijevima u svrhu istraživanja ili trebate tretirati velike količine kaše nano-praha za komercijalnu proizvodnju – Hielscher nudi odgovarajući ultrazvučni uređaj za vaše zahtjeve!