Sonosinteza nanohidroksiapatita
Hidroksiapatit (HA ili HAp) vrlo je često korištena bioaktivna keramika u medicinske svrhe zbog svoje strukture slične koštanom materijalu. Ultrazvučno potpomognuta sinteza (sonosinteza) hidroksiapatita uspješna je tehnika za proizvodnju nanostrukturiranog HAp-a prema najvišim standardima kvalitete. Ultrazvučni postupak omogućuje proizvodnju nanokristalnog HAp-a, kao i modificiranih čestica, npr. nanosfera s jezgrom i ljuskom, te kompozita.
Hidroksiapatit: svestrani mineral
U medicini je nanostrukturirani porozni HAp zanimljiv materijal za primjenu u umjetnim kostima. Zbog dobre biokompatibilnosti u dodiru s kostima i kemijskog sastava sličnog koštanom materijalu, porozna keramika od HAp-a našla je vrlo široku primjenu u biomedicini, uključujući regeneraciju koštanog tkiva, proliferaciju stanica i dostavu lijekova.
„U inženjerstvu koštanog tkiva primjenjuje se kao materijal za popunjavanje koštanih defekata i augmentaciju, kao umjetni materijal za koštane presatke te u revizijskim operacijama proteza. Njegova velika površina omogućuje izvrsnu osteokonduktivnost i resorptivnost, čime se osigurava brzo urastanje kosti.” [Soypan et al. 2007] Stoga su mnogi suvremeni implantati obloženi hidroksilapatitom.
Još jedna obećavajuća primjena mikrokristalnog hidroksilapatita jest njegova uporaba kao dodatka prehrani za „izgradnju kostiju” s boljom apsorpcijom u usporedbi s kalcijem.
Osim uporabe kao materijala za popravak kostiju i zuba, HAp se primjenjuje i u katalizi, proizvodnji gnojiva, kao sastojak farmaceutskih proizvoda, u proteinskoj kromatografiji te u postupcima obrade vode.
Ultrazvuk visoke snage: učinci i utjecaj
Kada se te ekstremne sile, koje nastaju tijekom urušavanja kavitacijskih mjehurića, šire kroz medij podvrgnut sonikaciji, djeluju na čestice i kapljice – uzrokujući sudare među česticama pri kojima se krutina lomi. Time se postiže smanjenje veličine čestica, primjerice mljevenjem, deaglomeracijom i dispergiranjem. Čestice se mogu usitniti do submikronskih i nanometarskih veličina.
Osim mehaničkih učinaka, snažna sonikacija može stvarati slobodne radikale, cijepati molekule djelovanjem smicanja i aktivirati površine čestica. Te su pojave poznate kao sonokemija.
Sonosinteza
Ultrazvučnom obradom suspenzije nastaju vrlo fine čestice ravnomjerne raspodjele, čime se stvara više mjesta nukleacije za taloženje.
Čestice HAp-a sintetizirane ultrazvučnom obradom pokazuju smanjen stupanj aglomeracije. Manja sklonost aglomeraciji ultrazvučno sintetiziranog HAp-a potvrđena je, primjerice, analizom pretražnom elektronskom mikroskopijom s emisijom polja (FESEM) koju su proveli Poinern i sur. (2009).
Ultrazvuk potpomaže i potiče kemijske reakcije ultrazvučnom kavitacijom i njezinim fizikalnim učincima koji izravno utječu na morfologiju čestica tijekom faze rasta. Glavne prednosti ultrazvučne obrade kojom se pripremaju iznimno fine reakcijske smjese jesu
- 1) povećana brzina reakcije,
- 2) skraćeno vrijeme obrade
- 3) opće poboljšanje učinkovitosti iskorištavanja energije.
Poinern i sur. (2011) razvili su mokri kemijski postupak u kojem se kao glavni reaktanti upotrebljavaju kalcijev nitrat tetrahidrat (Ca[NO3]2 · 4H2O) i kalijev dihidrogenfosfat (KH2PO4). Za regulaciju pH-vrijednosti tijekom sinteze dodan je amonijev hidroksid (NH4OH).
Upotrijebljen je ultrazvučni procesor UP50H (50 W, 30 kHz, sonotroda MS7 promjera 7 mm) proizvođača Hielscher Ultrasonics.
Ultrazvučno usitnjen i dispergiran kalcijev hidroksiapatit
Koraci sinteze nano-HAP-a:
Pripremljeno je 40 mL otopine 0,32M Ca(NO3)2 · 4H2O u maloj laboratorijskoj čaši. pH otopine zatim je podešen na 9,0 s približno 2,5mL NH4OH. Otopina je sonicirana uređajem UP50H pri postavci amplitude od 100% tijekom 1 sata.
Na kraju prvog sata 60 mL otopine 0,19M [KH2PO4] zatim je polako dodano kap po kap u prvu otopinu tijekom drugog sata ultrazvučnog ozračivanja. Tijekom miješanja pH-vrijednost provjeravana je 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 na više uzoraka za toplinsku obradu.
Prisutnost ultrazvuka u postupku sinteze prije toplinske obrade znatno utječe na stvaranje početnih prekursora čestica nano-HAP-a. Razlog je povezanost veličine čestica s nukleacijom i načinom rasta materijala, koji su pak povezani sa stupnjem prezasićenosti unutar tekuće faze.
Osim toga, tijekom ovog postupka sinteze može se izravno utjecati i na veličinu čestica i na njihovu morfologiju. Učinak povećanja snage ultrazvuka s 0 na 50W pokazao je da je moguće smanjiti veličinu čestica prije toplinske obrade.
Povećanje snage ultrazvuka upotrijebljenog za ozračivanje tekućine upućivalo je na stvaranje većeg broja mjehurića/kavitacija. Time je nastalo više mjesta nukleacije, pa su čestice nastale oko tih mjesta manje. Nadalje, čestice izložene duljim razdobljima ultrazvučnog ozračivanja pokazuju manju aglomeraciju. Naknadni podaci dobiveni FESEM-om potvrdili su smanjenu aglomeraciju čestica kada se tijekom postupka sinteze upotrebljava ultrazvuk.
Čestice nano-HAp-a nanometarske veličine i sferične morfologije proizvedene su tehnikom mokrog kemijskog taloženja u prisutnosti ultrazvuka. Utvrđeno je da kristalna struktura i morfologija dobivenih prahova nano-HAP-a ovise o snazi izvora ultrazvučnog ozračivanja i primijenjenoj naknadnoj toplinskoj obradi. Bilo je očito da je prisutnost ultrazvuka u postupku sinteze potaknula kemijske reakcije i fizikalne učinke koji su nakon toplinske obrade doveli do nastanka ultrafinih prahova nano-HAp-a.
Sonikacija u komori ultrazvučnog reaktora
- glavni anorganski mineral kalcijeva fosfata
- visoka biokompatibilnost
- spora biorazgradivost
- osteokonduktivan
- netoksičan
- neimunogen
- može se kombinirati s polimerima i/ili staklom
- dobra strukturna matrica za apsorpciju drugih molekula
- izvrstan nadomjestak za kost
Ultrazvučni uređaj sa sondom UP50H
Sinteza HAp-a ultrazvučnim sol-gel postupkom
Ultrazvučno potpomognut sol-gel postupak za sintezu nanostrukturiranih čestica HAp-a:
Materijal:
– reaktanti: kalcijev nitrat Ca(NO3)2, diamonijev hidrogenfosfat (NH4)2HPO4, natrijev hidroksid NaOH ;
– epruveta od 25 ml
- Otopite Ca(NO3)2 i (NH4)2HPO4 u destiliranoj vodi (molarni omjer kalcija i fosfora: 1,67)
- Dodajte malo NaOH u otopinu kako biste održali njezin pH oko 10.
- Ultrazvučna obrada uređajem UP100H (sonotroda MS10, amplituda 100%)
- Hidrotermalne sinteze provedene su pri 150°C tijekom 24 h u električnoj peći.
- Nakon reakcije kristalni HAp može se izdvojiti centrifugiranjem i ispiranjem deioniziranom vodom.
- Analiza dobivenog nanopraha HAp-a mikroskopijom (SEM, TEM,) i/ili spektroskopijom (FT-IR). Sintetizirane nanočestice HAp-a pokazuju visoku kristaliničnost. Ovisno o trajanju sonikacije mogu se uočiti različite morfologije. Dulja sonikacija može dovesti do nastanka ujednačenih nanoštapića HAp-a s visokim omjerom duljine i promjera te iznimno visokom kristaliničnošću. [usp. Manafi i sur. 2008]
Modifikacija HAp-a
Zbog njegove krhkosti primjena čistog HAp-a je ograničena. U istraživanju materijala uloženi su brojni napori u modificiranje HAp-a polimerima jer je prirodna kost kompozit koji se uglavnom sastoji od igličastih kristala HAp-a nanometarske veličine (čine oko 65wt% kosti). Ultrazvučno potpomognuta modifikacija HAp-a i sinteza kompozita s poboljšanim svojstvima materijala nude brojne mogućnosti (pogledajte nekoliko primjera u nastavku).
Praktični primjeri:
Sinteza nano-HAp
Sinteza želatine i hidroksiapatita (Gel-HAp)
Cijela je otopina sonicirana tijekom 1h. Vrijednost pH provjeravana je i cijelo vrijeme održavana na pH 9, a omjer Ca/P podešen je na 1,67. Filtracija bijelog taloga provedena je centrifugiranjem, čime je dobivena gusta suspenzija. Različiti uzorci toplinski su obrađeni u cijevnoj peći tijekom 2h pri temperaturama od 100, 200, 300 i 400°C. Time je dobiven prah Gel–HAp u zrnatom obliku, koji je samljeven u fini prah i karakteriziran metodama XRD, FE-SEM i FT-IR. Rezultati pokazuju da blaga sonikacija i prisutnost želatine tijekom faze rasta HAp-a potiču slabije prianjanje – čime nastaju manje nanočestice Gel–HAp-a pravilnog sferičnog oblika. Blaga sonikacija potpomaže sintezu čestica Gel–HAp-a nanometarske veličine zahvaljujući učincima ultrazvučne homogenizacije. Amidne i karbonilne skupine iz želatine potom se vežu na nanočestice HAp-a tijekom faze rasta putem sonokemijski potpomognute interakcije.
[Brundavanam et al. 2011]
Taloženje HAp na titanijeve pločice
HAp obložen srebrom
Sustav s magnetskom miješalicom i ultrazvučnim uređajem UP400S upotrijebljen je za pripremu Hap-a obloženog srebrom [Ignatev et al 2013]
Naši snažni ultrazvučni uređaji pouzdani su alati za obradu čestica submikrometarskih i nanometarskih veličina. Želite li sintetizirati, dispergirati ili funkcionalizirati čestice u malim epruvetama u istraživačke svrhe ili trebate obraditi velike volumene suspenzija nanopraha za komercijalnu proizvodnju – Hielscher nudi odgovarajući ultrazvučni uređaj za vaše zahtjeve!
Ultrazvučni homogenizator UP400S
Literatura i reference
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Učinak razrijeđene želatine na sintezu nanohidroksiapatita potpomognutu ultrazvukom i toplinom. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697–703.
- Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Sinteza i karakterizacija nanočestica hidroksiapatita. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 322; 2008. 29–33.
- Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Hidroksiapatitne prevlake s nanočesticama srebra nanesene plazmenim raspršivanjem. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20–29.
- Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Kontrolirano sastavljanje nanosfera poli(d,l-laktid-ko-glikolid)/hidroksiapatit sa strukturom jezgra–ljuska pod ultrazvučnim zračenjem. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
- Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Priprema hidroksiapatita iz goveđe kosti kombinacijom ultrazvučnih metoda i sušenja raspršivanjem. Međunarodna konferencija o kemijskim, biokemijskim i okolišnim znanostima (ICBEE’2012) Singapur, December 14-15, 2012.
- Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Učinak ultrazvuka na kristaliničnost nanohidroksiapatita dobivenog mokrom kemijskom metodom. 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): Elektroforetsko taloženje hidroksiapatita na titanu izmjeničnom naspram istosmjerne struje. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715–2721.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Mehanička svojstva porozne keramike dobivene iz hidroksiapatitnog praha sastavljenog od čestica veličine 30 nm za potencijalne primjene u inženjerstvu tvrdih tkiva. 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): Toplinski i ultrazvučni utjecaj na nastajanje hidroksiapatitne biokeramike nanometarskih dimenzija. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Sinteza i karakterizacija nanohidroksiapatita metodom potpomognutom ultrazvukom. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469–474.
- Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Porozni hidroksiapatit za primjene u izradi umjetnih kostiju. Science and Technology of Advanced Materials 8. 2007. 116.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmerova enciklopedija kemijske tehnologije; 4. izd. J. Wiley & Sons: New York, sv. 26, 1998. 517–541.
Ultrazvučni uređaj UIP1500hd s protočnim reaktorom