A nano-hidroxiapatit szono-szintézise

A hidroxiapatit (HA vagy HAp) egy nagyon gyakran látogatott bioaktív kerámia orvosi célokra, mivel hasonló szerkezetű, mint a csontanyag. A hidroxiapatit ultrahanggal segített szintézise (sono-szintézis) sikeres technika a nanostrukturált HAp előállítására a legmagasabb minőségi előírásoknak megfelelően. Az ultrahangos út lehetővé teszi nanokristályos HAp, valamint módosított részecskék, pl. maghéj nanogömbök és kompozitok előállítását.

Hidroxiapatit: sokoldalú ásványi anyag

A hidroxilapatit vagy hidroxiapatit (HAp, más néven HA) a kalcium-apatit természetben előforduló ásványi formája, képlete Ca₅(PO₄)₃(ÓH). Annak jelzésére, hogy a kristályegység cellája két entitásból áll, általában Ca₁₀(PO₄)₆(Ó)₂. A hidroxilapatit a komplex apatit csoport hidroxil végtagja. Az OH-ion fluoriddal, kloriddal vagy karbonáttal helyettesíthető, fluorapatit vagy klorapatit előállításával. A hatszögletű kristályrendszerben kristályosodik. A HAp csontanyagként ismert, mivel a csont legfeljebb 50 tömeg% -a a hidroxiapatit módosított formája.
Az orvostudományban a nanostrukturált porózus HAp érdekes anyag a mesterséges csontok alkalmazásához. A csontokkal való érintkezés jó biokompatibilitása és a csontanyaghoz hasonló kémiai összetétele miatt a porózus HAp kerámia óriási felhasználást talált az orvosbiológiai alkalmazásokban, beleértve a csontszövet regenerálódását, a sejtproliferációt és a gyógyszerszállítást.
"A csontszövet-tervezésben a csonthibák és a megnagyobbodás, a mesterséges csontpótlás anyaga és a protézis revíziós műtétek tömítőanyagaként alkalmazták. Nagy felülete kiváló csontvezető képességhez és felszívódóképességhez vezet, ami gyors csontnövekedést biztosít." [Soypan et al. 2007] Tehát sok modern implantátum hidroxilapatittal van bevonva.
A mikrokristályos hidroxilapatit másik ígéretes alkalmazása a “csontépítés” kiegészítés kiváló felszívódással a kalciumhoz képest.
A csontok és fogak javítóanyagaként való felhasználása mellett a HAp egyéb alkalmazásai megtalálhatók a katalízisben, a műtrágyagyártásban, a gyógyszeripari termékek vegyületeként, a fehérjekromatográfiás alkalmazásokban és a vízkezelési folyamatokban.

Teljesítmény ultrahang: hatások és hatás

Az ultrahangos kezelést olyan folyamatként írják le, ahol akusztikus mezőt használnak, amely folyékony közeghez kapcsolódik. Az ultrahanghullámok terjednek a folyadékban, és váltakozó nagynyomású / alacsony nyomású ciklusokat hoznak létre (kompresszió és ritkaság). A ritkasági fázisban kis vákuumbuborékok vagy üregek keletkeznek a folyadékban, amelyek különböző nagynyomású / alacsony nyomású ciklusok során nőnek, amíg a buborék nem képes több energiát elnyelni. Ebben a fázisban a buborékok hevesen összeomlanak a kompressziós fázis alatt. Az ilyen buborék összeomlása során nagy mennyiségű energia szabadul fel lökéshullámok, magas hőmérséklet (kb. 5,000K) és nyomás (kb. 2,000atm) formájában. Ezenkívül ezeket a "forró pontokat" nagyon magas hűtési sebesség jellemzi. A buborék implóziója akár 280 m/s sebességű folyékony fúvókákat is eredményez. Ezt a jelenséget kavitációnak nevezik.
Amikor ezek a szélsőséges erők, amelyek a kavitációs buborékok összeomlása során keletkeznek, az ultrahangos közegben bővülnek, a részecskék és cseppek érintettek – ami részecskék közötti ütközést eredményez, így a szilárd anyag összetörik. Ezáltal részecskeméret-csökkentés, például őrlés, deagglomeráció és diszperzió érhető el. A részecskék szubmikron és nano méretűre aprózhatók.
A mechanikai hatások mellett az erős szonikáció szabad gyököket, nyíró molekulákat hozhat létre és aktiválhatja a részecskék felületét. Ezeket a jelenségeket sonochemistry néven ismerik.

Sono-szintézis

A szuszpenzió ultrahangos kezelése nagyon finom részecskéket eredményez, egyenletes eloszlással, így több csapadékhely jön létre.
Az ultrahangos kezelés alatt szintetizált HAp részecskék csökkent agglomerációs szintet mutatnak. Az ultrahanggal szintetizált HAp alacsonyabb agglomerációs hajlamát például Poinern et al. (2009) FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) elemzése igazolta.

Az ultrahang segíti és elősegíti a kémiai reakciókat ultrahangos kavitációval és fizikai hatásaival, amelyek közvetlenül befolyásolják a részecskék morfológiáját a növekedési fázisban. Az ultrahangos kezelés fő előnyei, amelyek szuperfinom reakciókeverékek előállítását eredményezik

1) megnövekedett reakciósebesség,
2) csökkent feldolgozási idő
3) a hatékony energiafelhasználás általános javulása.

Poinern et al. (2011) kifejlesztett egy nedves-kémiai útvonalat, amely kalcium-nitrát-tetrahidrátot (Ca[NO3]2 · 4H2O) és kálium-dihidrogén-foszfátot (KH2PO4) használ fő reagensként. A szintézis során a pH-érték szabályozásához ammónium-hidroxidot (NH4OH) adtunk hozzá.
Az ultrahangprocesszor egy UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode w / 7 mm átmérő) a Hielscher Ultrasonics-tól.

Ultrahanggal diszpergált kalcium-hidroxiapatit

Ultrahanggal redukált és diszpergált kalcium-hidroxiapatit

A nano-HAP szintézis lépései:

40 ml 0,32 M Ca(NO oldat₃)₂ · 4 óra₂O-t egy kis főzőpohárban készítették. Az oldat pH-ját ezután 9,0-re állítottuk be körülbelül 2,5 ml NH-val₄Ó. A megoldást ultrahanggal ultrahanggal kezeltük UP50H 100% -os amplitúdó beállítással 1 órán keresztül.
Az első óra végén 60 ml 0,19 M [KH₂BILI₄] ezután lassan cseppenként hozzáadták az első oldathoz, miközben egy második órás ultrahangos besugárzáson mentek keresztül. A keverési folyamat során a pH-értéket ellenőriztük és 9-en tartottuk, míg a Ca/P arányt 1,67-en tartottuk. Az oldatot ezután centrifugálással (~2000 g) szűrtük, majd a kapott fehér csapadékot hőkezelés céljából több mintára osztottuk.
Az ultrahang jelenléte a hőkezelést megelőző szintézis eljárásban jelentősen befolyásolja a kezdeti nano-HAP részecske prekurzorok kialakulását. Ez annak köszönhető, hogy a részecskeméret összefügg a nukleációval és az anyag növekedési mintázatával, ami viszont a folyadékfázison belüli szupertelítettség mértékéhez kapcsolódik.
Ezenkívül mind a részecskeméret, mind annak morfológiája közvetlenül befolyásolható a szintézis során. Az ultrahang teljesítményének 0-ról 50W-ra történő növelésének hatása azt mutatta, hogy a hőkezelés előtt csökkenthető a részecskeméret.
A folyadék besugárzásához használt növekvő ultrahangteljesítmény azt jelezte, hogy nagyobb számú buborék / kavitáció keletkezik. Ez viszont több nukleációs helyet eredményezett, és ennek eredményeként az e helyek körül képződött részecskék kisebbek. Továbbá a hosszabb ultrahangos besugárzásnak kitett részecskék kevesebb agglomerációt mutatnak. A későbbi FESEM adatok megerősítették a csökkent részecske agglomerációt, amikor ultrahangot használnak a szintézis során.
A nanométeres mérettartományban és a gömb alakú morfológiában lévő nano-HAp részecskéket nedves kémiai kicsapási technikával állítottuk elő ultrahang jelenlétében. Azt találtuk, hogy a kapott nano-HAP porok kristályszerkezete és morfológiája az ultrahangos besugárzási forrás teljesítményétől és az azt követő hőkezeléstől függ. Nyilvánvaló volt, hogy az ultrahang jelenléte a szintézis folyamatában elősegítette azokat a kémiai reakciókat és fizikai hatásokat, amelyek ezt követően hőkezelés után ultrafinom nano-HAp porokat eredményeztek.

Folyamatos ultrahangos kezelés üvegáramlási cellával

Szonikálás ultrahangos reaktorkamrában

A Hielscher Ultrasonics büszkén szponzorálja a 7. Nemzetközi Elektronikus Orvostudományi Konferenciát. Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni az előadásokról és a részvételről!

Hidroxiapatit:

fő szervetlen kalcium-foszfát ásványi anyag
magas biokompatibilitás
lassú biológiai lebonthatóság
osteoconductív
Nem mérgező
nem-immunogén
kombinálható polimerekkel és/vagy üveggel
jó abszorpciós szerkezeti mátrix más molekulákhoz
kiváló csontpótló

Az ultrahangos homogenizátorok hatékony eszközök a részecskék, például a HAp szintetizálására és funkcionalizálására

szonda típusú ultrahangos készülék UP50H

HAp szintézis ultrahangos Sol-Gel útvonalon keresztül

Ultrahanggal segített szol-gél útvonal a nanostrukturált HAp részecskék szintéziséhez:
Anyag:
– reagensek: Kalcium-nitrát Ca(NO₃)₂, diammónium-hidrogén-foszfát (NH₄)₂HPO₄, nátrium-hidroxid NaOH;
– 25 ml-es kémcső

Ca(NO feloldása₃)₂ és (NH₄)₂HPO₄ desztillált vízben (kalcium/foszfor möláris arány: 1,67)
Adjunk egy kis NaOH-t az oldathoz, hogy pH-ja 10 körül maradjon.
Ultrahangos kezelés egy UP100H (szonotród MS10, amplitúdó 100%)

A hidrotermikus szintéziseket 150 ° C-on 24 órán keresztül elektromos kemencében végeztük.
A reakció után a kristályos HAp-t centrifugálással és ionmentes vízzel történő mosással lehet betakarítani.
A kapott HAp nanopor elemzése mikroszkóppal (SEM, TEM) és/vagy spektroszkópiával (FT-IR). A szintetizált HAp nanorészecskék magas kristályosságot mutatnak. Az ultrahangos időtől függően különböző morfológia figyelhető meg. A hosszabb szonikálás egyenletes HAp nanorudakhoz vezethet, amelyek nagy képaránnyal és rendkívül magas kristályossággal rendelkeznek. [vö. Manafi et al. 2008]

A HAp módosítása

Törékenysége miatt a tiszta HAp alkalmazása korlátozott. Az anyagkutatásban sok erőfeszítést tettek a HAp polimerekkel történő módosítására, mivel a természetes csont kompozit, amely főként nanoméretű, tűszerű HAp kristályokból áll (a csont körülbelül 65 tömeg% -át teszi ki). A HAp ultrahanggal segített módosítása és a javított anyagjellemzőkkel rendelkező kompozitok szintézise sokrétű lehetőségeket kínál (lásd néhány példát alább).

Gyakorlati példák:

A nano-HAp szintézise

Poinern et al. (2009) tanulmányában a Hielscher UP50H szonda típusú ultrahangos készüléket sikeresen alkalmaztak a HAp szono-szintéziséhez. Az ultrahang energia növekedésével a HAp kristályok részecskemérete csökkent. A nanostrukturált hidroxiapatit (HAp) ultrahanggal segített nedves csapadék technikával készült. Ca(NEM₃) és KH₂₅BILI₄ werde fő anyagként és NH₃ kicsapóként. Az ultrahangos besugárzás alatti hidrotermikus csapadék nanoméretű HAp részecskéket eredményezett, amelyek gömb alakú morfológiával rendelkeztek a nanométeres mérettartományban (kb. 30nm ± 5%). Poinern és munkatársai úgy találták, hogy a szono-hidrotermikus szintézis gazdasági út, amely erős növekedési képességgel rendelkezik a kereskedelmi termeléshez.

Zselantin-hidroxiapatit (Gel-HAp) szintézise

Brundavanam és munkatársai sikeresen elkészítették a zselantin-hidroxiapatit (Gel-HAp) kompozitot enyhe ultrahangos körülmények között. A zselantin-hidroxiapatit előállításához 1 g zselatint teljesen feloldottunk 1000 ml MilliQ vízben 40 °C-on. Ezután az elkészített zselatin oldatból 2 ml-t adtunk a Ca2+/NH-hoz₃ keverék. A keveréket ultrahanggal ultrahanggal kezeltük UP50H ultrahangos készülék (50W, 30kHz). Az ultrahangos kezelés során 60ml 0,19M KH₂BILI₄ cseppenként hozzáadtuk a keverékhez.
Az egész oldatot ultrahanggal kezeltük 1 órán keresztül. A pH-értéket ellenőriztük és mindig 9-es pH-értéken tartottuk, a Ca/P arányt pedig 1,67-re állítottuk be. A fehér csapadék szűrését centrifugálással értük el, ami sűrű szuszpenziót eredményezett. A különböző mintákat csőkemencében 2 órán keresztül hőkezelték 100, 200, 300 és 400 °C hőmérsékleten. Ezáltal szemcsés formájú gél–HAp port kaptunk, amelyet finom porrá őröltünk, és XRD, FE-SEM és FT-IR jellemeztünk. Az eredmények azt mutatják, hogy az enyhe ultrahangos kezelés és a zselatin jelenléte a HAp növekedési fázisában elősegíti az alacsonyabb tapadást - ezáltal kisebb és szabályos gömb alakú gél-HAp nano-részecskéket eredményez. Az enyhe szonikáció segíti a nanoméretű gél-HAp részecskék szintézisét az ultrahangos homogenizációs hatások miatt. A zselatinból származó amid és karbonil fajok ezt követően a HAp nanorészecskékhez kapcsolódnak a növekedési fázisban szonokémiailag támogatott kölcsönhatás révén.
[Brundavanam et al. 2011]

A HAp lerakódása titán vérlemezkékre

Ozhukil Kollatha et al. (2013) hidroxiapatittal bevonta a Ti lemezeket. A lerakódás előtt a HAp szuszpenziót homogenizáltuk egy UP400S (400 wattos ultrahangos készülék ultrahangos kürttel H14, ultrahangos idő 40 mp. 75% amplitúdóval).

Ezüst bevonatú HAp

Ignatev és munkatársai (2013) kifejlesztettek egy bioszintetikus módszert, ahol ezüst nanorészecskéket (AgNp) helyeztek a HAp-re, hogy antibakteriális tulajdonságokkal rendelkező HAp bevonatot kapjanak és csökkentsék a citotoxikus hatást. Az ezüst nanorészecskék deagglomerációjához és a hidroxiapatiton történő ülepítéséhez a Hielscher UP400S használták.

A mágneses keverő és az ultrahangos készülék beállítása UP400S ezüstbevonatú Hap készítményhez használták [Ignatev et al 2013]

Nagy teljesítményű ultrahangos készülékeink megbízható eszközök a részecskék kezelésére a szubmikron és nano méretű tartományban. Akár kis csövekben lévő részecskéket szeretne szintetizálni, diszpergálni vagy funkcalizálni kutatási célokra, akár nagy mennyiségű nanopor-szuszpenziót kell kezelnie a kereskedelmi termeléshez – Hielscher kínál a megfelelő ultrahangos az Ön igényeinek!

Ultrahangos homogenizátor UP400S

Irodalom/Hivatkozások

Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): A híg zselatin hatása a nano-hidroxiapatit ultrahangos termikusan segített szintézisére. Ultrahang. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Hidrojapatit nanorészecskék szintézise és jellemzése. Kolloidok és felületek A: Physicochem. Eng. szempontok 322; 2008. 29-33.
Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Plazma permetezett hidroxiapatit bevonatok ezüst nanorészecskékkel. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Poli(d,l-laktid-koglikolid)/ hidroxiapatit mag-héj nanogömbök ellenőrzött összeszerelése ultrahangos besugárzás alatt. Acta Biomaterialia 5/1; 2009. 208–218.
Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Hidroxiapatit előállítása szarvasmarhacsontból ultrahangos és porlasztva szárítás kombinált módszereivel. Nemzetközi Kémiai, Biokémiai és Környezettudományi Konferencia (ICBEE'2012), Szingapúr, 2012. december 14-15.
Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Az ultrahang hatása a nano-hidroxiapatit kristályosságára nedves kémiai módszerrel. 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): AC vs. DC hidroxiapatit elektroforetikus lerakódása titánon. Az Európai Kerámia Társaság folyóirata 33; 2013. 2715–2721.
Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): A hidroxiapatit 30 nm méretű részecskealapú porából származó porózus kerámia mechanikai tulajdonságai potenciális keményszövet-mérnöki 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): Termikus és ultrahangos hatás nanométeres méretű hidroxiapatit biokerámia kialakulásában. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Nanohidroxiapatit szintézise és jellemzése ultrahanggal támogatott módszerrel. Ultrahangos szonokémia, 16 /4; 2009. 469- 474.
Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Porózus hidroxiapatit mesterséges csont alkalmazásokhoz. A fejlett anyagok tudománya és technológiája 8. 2007. 116.
Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer kémiai technológiai enciklopédia; 4. kiadás J. Wiley & Fiai: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.

Kapcsolódó témakörök

Ultrahangos készülékek asztali és gyártás, mint például az UIP1500hd teljes ipari minőségű.

Ultrahangos készülék UIP1500hd átfolyó reaktorral