Nano-hidroxiapatit ultrahangos szintézise

A hidroxiapatit (HA vagy HAp) a csontanyagéhoz hasonló szerkezete miatt orvosi célokra igen gyakran alkalmazott bioaktív kerámia. A hidroxiapatit ultrahanggal segített szintézise (szonoszintézise) sikeres eljárás a legmagasabb minőségi követelményeknek megfelelő nanoszerkezetű HAp előállítására. Az ultrahangos eljárással nanokristályos HAp, valamint módosított részecskék, például mag–héj szerkezetű nanogömbök és kompozitok is előállíthatók.

Hidroxiapatit: sokoldalú ásvány

A hidroxilapatit vagy hidroxiapatit (HAp, más néven HA) a kalcium-apatit természetben előforduló ásványi formája, amelynek képlete Ca₅(PO₄)₃(OH). Annak jelölésére, hogy a kristály elemi cellája két képletegységet tartalmaz, általában a következő alakban írják: Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. A hidroxilapatit az összetett apatitcsoport hidroxil-végtagja. Az OH- ion fluoridra, kloridra vagy karbonátra cserélhető, így fluorapatit vagy klórapatit keletkezik. A hexagonális kristályrendszerben kristályosodik. A HAp csontanyagként ismert, mivel a csont akár 50 wt%-át a hidroxiapatit módosított formája alkotja.
Az orvostudományban a nanoszerkezetű porózus HAp érdekes anyag a mesterséges csontok előállításához. A csonttal érintkezve mutatott jó biokompatibilitása és a csontanyagéhoz hasonló kémiai összetétele miatt a porózus HAp-kerámia rendkívül széles körben használatos az orvosbiológiai alkalmazásokban, többek között a csontszövet regenerációjában, a sejtproliferációban és a gyógyszerhatóanyagok célba juttatásában.
„A csontszövet-mérnökségben csonthiányok kitöltésére és csontaugmentációra, mesterséges csontgraftanyagként, valamint protézisrevíziós műtétekben alkalmazzák. Nagy fajlagos felülete kiváló oszteokonduktivitást és felszívódóképességet biztosít, ami lehetővé teszi a csont gyors benövését.” [Soypan et al. 2007] Ezért számos modern implantátumot hidroxilapatittal vonnak be.
A mikrokristályos hidroxilapatit másik ígéretes alkalmazása a kalciumhoz képest jobb felszívódású „csontépítő” étrend-kiegészítőként történő felhasználás.
A csontok és fogak helyreállítására szolgáló anyagként való felhasználása mellett a HAp további alkalmazásai közé tartozik a katalízis, a műtrágyagyártás, a gyógyszerkészítmények összetevőjeként való felhasználás, a fehérjekromatográfia és a vízkezelés.

Nagy teljesítményű ultrahang: hatások és következmények

Az ultrahangos kezelés olyan folyamatként írható le, amelyben folyékony közegbe csatolt akusztikus teret alkalmaznak. Az ultrahanghullámok a folyadékban terjedve váltakozó nagy és kis nyomású ciklusokat hoznak létre (összenyomódás és ritkulás). A ritkulási fázis során apró vákuumbuborékok vagy üregek keletkeznek a folyadékban, amelyek több nagy és kis nyomású cikluson át növekednek, amíg a buborék már nem képes több energiát elnyelni. Ekkor a buborékok egy összenyomódási fázis során hevesen összeroppannak. Az ilyen buborékösszeomlás során nagy mennyiségű energia szabadul fel lökéshullámok, magas hőmérséklet (kb. 5 000K) és nagy nyomás (kb. 2 000atm) formájában. Ezenkívül ezeket a „forró pontokat” nagyon nagy lehűlési sebesség jellemzi. A buborék összeroppanása akár 280m/s sebességű folyadéksugarakat is létrehoz. Ezt a jelenséget kavitációnak nevezik.
Amikor a kavitációs buborékok összeomlása során keletkező szélsőséges erőhatások tovaterjednek az ultrahanggal kezelt közegben, hatnak a részecskékre és a cseppekre – a részecskék összeütköznek, és a szilárd anyag széttöredezik. Ezáltal olyan műveletek valósulnak meg, mint az őrléssel történő részecskeméret-csökkentés, a deagglomerálás és a diszpergálás. A részecskék mérete szubmikronos és nanoméretű tartományra csökkenthető.
A mechanikai hatások mellett az intenzív ultrahangos kezelés szabad gyököket hozhat létre, nyíróhatással szétbonthatja a molekulákat és aktiválhatja a részecskék felületét. Ezeket a jelenségeket szonokémiának nevezik.

Ultrahangos szintézis

A szuszpenzió ultrahangos kezelése igen finom, egyenletes eloszlású részecskéket eredményez, így több magképződési hely keletkezik a kicsapódáshoz.
Az ultrahangos kezelés közben szintetizált HAp-részecskék kisebb mértékű agglomerációt mutatnak. Az ultrahanggal szintetizált HAp kisebb agglomerációs hajlamát például Poinern és munkatársai (2009) FESEM-elemzése (téremissziós pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálata) is megerősítette.

Az ultrahang az ultrahangos kavitáció és annak fizikai hatásai révén segíti és előmozdítja a kémiai reakciókat, amelyek közvetlenül befolyásolják a részecskék morfológiáját a növekedési fázisban. A rendkívül finom reakcióelegyek előállítását eredményező ultrahangos kezelés fő előnyei:

1) nagyobb reakciósebesség,
2) rövidebb feldolgozási idő
3) az energiafelhasználás hatékonyságának általános javulása.

Poinern és munkatársai (2011) olyan nedveskémiai eljárást dolgoztak ki, amely fő reaktánsként kalcium-nitrát-tetrahidrátot (Ca[NO3]2 · 4H2O) és kálium-dihidrogén-foszfátot (KH2PO4) használ. A szintézis során a pH szabályozására ammónium-hidroxidot (NH4OH) adtak hozzá.
Az ultrahangos processzor egy UP50H (50 W, 30 kHz, 7 mm átmérőjű MS7 szonotróda) volt a Hielscher Ultrasonics gyártmányai közül.

Ultrahanggal diszpergált kalcium-hidroxiapatit

Ultrahanggal aprított és diszpergált kalcium-hidroxiapatit

A nano-HAP szintézisének lépései:

Egy kis főzőpohárban 40 mL 0,32M koncentrációjú Ca(NO₃)₂ · 4H₂O-oldatot készítettek. Ezután az oldat pH-ját 9,0 értékre állították be körülbelül 2,5mL NH₄OH hozzáadásával. Az oldatot az UP50H készülékkel 100%-os amplitúdóbeállítás mellett 1 órán át ultrahanggal kezelték.
Az első óra végén 60 mL 0,19M koncentrációjú [KH₂PO₄]-oldatot lassan, cseppenként adagoltak az első oldathoz, miközben az ultrahangos besugárzást egy második órán át folytatták. A keverés során a pH-t ellenőrizték és 9-es értéken tartották, a Ca/P arányt pedig 1,67 értéken tartották. Az oldatot ezután centrifugálással (~2000 g) szűrték, majd a keletkezett fehér csapadékot több mintára osztották a hőkezeléshez.
Az ultrahang jelenléte a szintézis során, a hőkezelést megelőzően jelentősen befolyásolja a kezdeti nano-HAP-részecskeprekurzorok kialakulását. Ennek oka, hogy a részecskeméret összefügg a magképződéssel és az anyag növekedési mintázatával, amelyek viszont a folyadékfázis túltelítettségének mértékével állnak kapcsolatban.
Ezenkívül a szintézis során mind a részecskeméret, mind a morfológia közvetlenül befolyásolható. Az ultrahangteljesítmény 0-ról 50W-ra növelésének hatása azt mutatta, hogy a hőkezelés előtt csökkenthető a részecskeméret.
A folyadék besugárzására alkalmazott növekvő ultrahangteljesítmény arra utalt, hogy több buborék, illetve kavitációs esemény keletkezett. Ez több magképződési helyet hozott létre, és ennek eredményeként az ezek körül kialakuló részecskék kisebbek. Ezenkívül a hosszabb ultrahangos besugárzásnak kitett részecskék kisebb mértékű agglomerációt mutatnak. A későbbi FESEM-adatok megerősítették a csökkent részecskeagglomerációt, amikor a szintézis során ultrahangot alkalmaznak.
Nanométeres mérettartományú, gömb alakú nano-HAp-részecskéket állítottak elő ultrahang jelenlétében végzett nedveskémiai kicsapásos eljárással. Megállapították, hogy a kapott nano-HAP-porok kristályszerkezete és morfológiája az ultrahangos besugárzási forrás teljesítményétől és az ezt követően alkalmazott hőkezeléstől függött. Egyértelmű volt, hogy az ultrahang jelenléte a szintézis során előmozdította azokat a kémiai reakciókat és fizikai hatásokat, amelyek a hőkezelést követően ultrafinom nano-HAp-porokat eredményeztek.

Folyamatos ultrahangos kezelés üveg átfolyó cellával

Ultrahangos kezelés ultrahangos reaktorkamrában

A Hielscher Ultrasonics büszkén támogatja a 7. Nemzetközi Elektronikus Gyógyszerkémiai Konferenciát. Kattintson ide az előadásokkal és a részvétellel kapcsolatos további információkért!

Hidroxiapatit:

fő szervetlen kalcium-foszfát-ásvány
magas biokompatibilitás
lassú biológiai lebomlás
oszteokonduktív
nem mérgező
nem immunogén
polimerekkel és/vagy üveggel kombinálható
jó szerkezeti mátrix más molekulák abszorpciójához
kiváló csontpótló anyag

Az ultrahangos homogenizátorok hatékony eszközök részecskék, például HAp szintéziséhez és funkcionalizálásához

Szondás ultrahangos készülék UP50H

HAp-szintézis ultrahangos szol–gél eljárással

Ultrahanggal segített szol–gél eljárás nanoszerkezetű HAp-részecskék szintéziséhez:
Anyagok:
– reaktánsok: kalcium-nitrát Ca(NO₃)₂, diammónium-hidrogén-foszfát (NH₄)₂HPO₄, nátrium-hidroxid NaOH ;
– 25 ml-es kémcső

Oldja fel a Ca(NO₃)₂ és a (NH₄)₂HPO₄ vegyületeket desztillált vízben (a kalcium és a foszfor mólaránya: 1,67)
Adjon némi NaOH-ot az oldathoz, hogy a pH-ja 10 körül maradjon.
Ultrahangos kezelés egy UP100H készülékkel (MS10 szonotróda, 100%-os amplitúdó)

A hidrotermális szintéziseket 150°C-on, 24 h időtartamon át végezték elektromos kemencében.
A reakció után a kristályos HAp centrifugálással és ioncserélt vízzel történő mosással nyerhető ki.
A kapott HAp-nanopor elemzése mikroszkópiával (SEM, TEM,) és/vagy spektroszkópiával (FT-IR). A szintetizált HAp-nanorészecskék nagy kristályosságot mutatnak. Az ultrahangos kezelés időtartamától függően eltérő morfológia figyelhető meg. A hosszabb ultrahangos kezelés nagy hosszúság–átmérő arányú és rendkívül nagy kristályosságú, egyenletes HAp-nanorudak kialakulásához vezethet. [vö. Manafi et al. 2008]

A HAp módosítása

Ridegsége miatt a tiszta HAp alkalmazása korlátozott. Az anyagkutatásban számos erőfeszítést tettek a HAp polimerekkel történő módosítására, mivel a természetes csont olyan kompozit, amely főként nanoméretű, tűszerű HAp-kristályokból áll (a csont körülbelül 65wt%-át teszik ki). A HAp ultrahanggal segített módosítása és a javított anyagtulajdonságú kompozitok szintézise sokrétű lehetőségeket kínál (néhány példa alább látható).

Gyakorlati példák:

Nano-HAp szintézise

Poinern és munkatársai (2009) vizsgálatában egy Hielscher UP50H szondás ultrahangos készüléket sikeresen alkalmaztak a HAp ultrahangos szintéziséhez. Az ultrahangenergia növelésével a HAp-krisztallitok részecskemérete csökkent. A nanoszerkezetű hidroxiapatitot (HAp) ultrahanggal segített nedves kicsapásos eljárással állították elő. A Ca(NO₃) és a KH₂₅PO₄ szolgált fő kiindulási anyagként, az NH₃ pedig kicsapószerként. Az ultrahangos besugárzás mellett végzett hidrotermális kicsapás nanoméretű, gömb alakú HAp-részecskéket eredményezett a nanométeres mérettartományban (kb. 30nm ± 5%). Poinern és munkatársai az ultrahangos hidrotermális szintézist gazdaságos eljárásnak találták, amely kiválóan felskálázható kereskedelmi célú gyártásra.

Zselatin-hidroxiapatit (Gel-HAp) szintézise

Brundavanam és munkatársai enyhe ultrahangos kezelési körülmények között sikeresen állítottak elő zselatin–hidroxiapatit (Gel-HAp) kompozitot. A zselatin–hidroxiapatit előállításához 1g zselatint teljesen feloldottak 1000mL MilliQ vízben, 40°C-on. Ezután az elkészített zselatinoldatból 2mL-t adtak a Ca2+/NH₃ keverékhez. A keveréket egy UP50H ultrahangos készülékkel (50W, 30kHz) kezelték. Az ultrahangos kezelés során 60mL 0,19M koncentrációjú KH₂PO₄ oldatot adagoltak cseppenként a keverékhez.
A teljes oldatot 1h időtartamon át ultrahanggal kezelték. A pH-t végig ellenőrizték és 9-es értéken tartották, a Ca/P arányt pedig 1,67 értékre állították be. A fehér csapadékot centrifugálással szűrték, így sűrű szuszpenzió keletkezett. Különböző mintákat csőkemencében, 2h időtartamon át hőkezeltek 100, 200, 300 és 400°C hőmérsékleten. Ezáltal szemcsés Gel–HAp-port kaptak, amelyet finom porrá őröltek, majd XRD-, FE-SEM- és FT-IR-vizsgálattal jellemeztek. Az eredmények azt mutatják, hogy az enyhe ultrahangos kezelés és a zselatin jelenléte a HAp növekedési fázisában elősegíti a kisebb adhéziót – ezáltal kisebb, szabályos gömb alakú Gel–HAp-nanorészecskék keletkeznek. Az enyhe ultrahangos kezelés az ultrahangos homogenizálás hatásai révén segíti a nanoméretű Gel–HAp-részecskék szintézisét. A zselatin amid- és karbonilcsoportjai ezt követően a növekedési fázis során, szonokémiailag segített kölcsönhatás révén kapcsolódnak a HAp-nanorészecskékhez.
[Brundavanam et al. 2011]

HAp leválasztása titánlemezkékre

Ozhukil Kollatha és munkatársai (2013) hidroxiapatittal vontak be Ti-lemezeket. A leválasztás előtt a HAp-szuszpenziót egy UP400S készülékkel homogenizálták (400 wattos ultrahangos készülék H14 ultrahangos szonotródával, 40 sec. ultrahangos kezelési idővel, 75%-os amplitúdó mellett).

Ezüstbevonatú HAp

Ignatev és munkatársai (2013) olyan bioszintetikus módszert dolgoztak ki, amelyben ezüst-nanorészecskéket (AgNp) választottak le HAp-ra, hogy antibakteriális tulajdonságú HAp-bevonatot kapjanak és csökkentsék a citotoxikus hatást. Az ezüst-nanorészecskék deagglomerálásához és a hidroxiapatitra történő ülepítésükhöz egy Hielscher UP400S készüléket használtak.

Mágneses keverőből és UP400S ultrahangos készülékből álló összeállítást használtak az ezüstbevonatú Hap előállításához [Ignatev et al 2013]

Nagy teljesítményű ultrahangos készülékeink megbízható eszközök a szubmikronos és nanoméretű tartományba eső részecskék kezelésére. Akár kutatási célból szeretne részecskéket szintetizálni, diszpergálni vagy funkcionalizálni kis kémcsövekben, akár nagy térfogatú nanoporszuszpenziókat kell kezelnie kereskedelmi célú gyártáshoz – a Hielscher az igényeinek megfelelő ultrahangos készüléket kínálja!

Ultrahangos homogenizátor UP400S

Szakirodalom és hivatkozások

Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Híg zselatin hatása a nano-hidroxiapatit ultrahanggal és hővel segített szintézisére. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697–703.
Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Hidroxiapatit-nanorészecskék szintézise és jellemzése. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 322; 2008. 29–33.
Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Ezüst-nanorészecskéket tartalmazó, plazmaszórással készült hidroxiapatit-bevonatok. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20–29.
Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Poli(d,l-laktid-ko-glikolid)/hidroxiapatit mag–héj szerkezetű nanogömbök szabályozott összeépülése ultrahangos besugárzás mellett. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Hidroxiapatit előállítása szarvasmarhacsontból ultrahang és porlasztva szárítás kombinált módszereivel. Nemzetközi konferencia a kémiai, biokémiai és környezeti tudományokról (ICBEE’2012) Szingapúr, December 14–15, 2012.
Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Az ultrahang hatása a nedveskémiai módszerrel előállított nano-hidroxiapatit kristályosságára. 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): Hidroxiapatit elektroforetikus leválasztása titánra váltakozó árammal és egyenárammal. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715–2721.
Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): 30 nm méretű részecskékből álló hidroxiapatitporból előállított porózus kerámia mechanikai tulajdonságai lehetséges keményszövet-mérnökségi alkalmazásokhoz. 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): A hő és az ultrahang hatása a nanométeres léptékű hidroxiapatit-biokerámia képződésére. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Nano-hidroxiapatit szintézise és jellemzése ultrahanggal segített módszerrel. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469– 474.
Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Porózus hidroxiapatit mesterséges csontokhoz. Science and Technology of Advanced Materials 8. 2007. 116.
Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer kémiai technológiai enciklopédia; 4. kiadás. J. Wiley & Sons: New York, 26. kötet, 1998. 517–541.

Kapcsolódó témák

Az asztali használatra és gyártásra szolgáló ultrahangos készülékek, például az UIP1500hd, teljes körű ipari minőséget biztosítanak.

Ultrahangos készülék UIP1500hd átfolyó reaktorral