Hielscher Ultrasonics
Kami akan senang mendiskusikan proses Anda.
Telepon kami: +49 3328 437-420
Kirim email kepada kami: [email protected]

Sonosintesis Nano-Hidroksiapatit

Hidroksiapatit (HA atau HAp) merupakan keramik bioaktif yang banyak digunakan untuk keperluan medis karena strukturnya mirip dengan material tulang. Sintesis hidroksiapatit berbantuan ultrasonik (sonosintesis) merupakan teknik yang berhasil menghasilkan HAp berstruktur nano dengan standar kualitas tertinggi. Metode ultrasonik memungkinkan produksi HAp nanokristalin serta partikel termodifikasi, misalnya nanosfer inti–cangkang, dan komposit.

Hidroksiapatit: Mineral serbaguna

Hidroksilapatit atau hidroksiapatit (HAp, juga HA) merupakan bentuk mineral kalsium apatit yang terbentuk secara alami dengan rumus Ca5(PO4)3(OH). Untuk menunjukkan bahwa sel satuan kristalnya terdiri atas dua entitas, rumusnya biasanya ditulis Ca10(PO4)6(OH)2. Hidroksilapatit merupakan anggota ujung hidroksil dari kelompok apatit yang kompleks. Ion OH- dapat digantikan oleh fluorida, klorida, atau karbonat, sehingga menghasilkan fluorapatit atau klorapatit. Mineral ini mengkristal dalam sistem kristal heksagonal. HAp dikenal sebagai material tulang karena hingga 50 wt% tulang merupakan bentuk hidroksiapatit yang termodifikasi.
Dalam bidang kedokteran, HAp berpori dengan struktur nano merupakan material yang menarik untuk aplikasi tulang buatan. Karena biokompatibilitasnya yang baik saat berkontak dengan tulang dan komposisi kimianya yang mirip dengan material tulang, keramik HAp berpori telah digunakan secara luas dalam aplikasi biomedis, termasuk regenerasi jaringan tulang, proliferasi sel, dan penghantaran obat.
“Dalam rekayasa jaringan tulang, material ini telah digunakan sebagai bahan pengisi untuk defek dan augmentasi tulang, bahan cangkok tulang buatan, serta bedah revisi prostesis. Luas permukaannya yang tinggi menghasilkan osteokonduktivitas dan kemampuan resorpsi yang sangat baik, sehingga memungkinkan pertumbuhan tulang ke dalam material dengan cepat.” [Soypan et al. 2007] Oleh karena itu, banyak implan modern dilapisi hidroksilapatit.
Aplikasi lain yang menjanjikan dari hidroksilapatit mikrokristalin adalah penggunaannya sebagai suplemen “pembentuk tulang” dengan penyerapan yang lebih baik dibandingkan kalsium.
Selain digunakan sebagai material perbaikan tulang dan gigi, HAp juga digunakan dalam katalisis, produksi pupuk, sebagai senyawa dalam produk farmasi, dalam aplikasi kromatografi protein, dan proses pengolahan air.

Ultrasonik berdaya tinggi: Efek dan dampak

Sonikasi dijelaskan sebagai proses yang menggunakan medan akustik yang dikopel ke medium cair. Gelombang ultrasonik merambat dalam cairan dan menghasilkan siklus tekanan tinggi/tekanan rendah secara bergantian (kompresi dan rarefaksi). Selama fase rarefaksi, muncul gelembung vakum kecil atau rongga dalam cairan, yang membesar selama beberapa siklus tekanan tinggi/tekanan rendah hingga gelembung tidak dapat lagi menyerap energi. Pada tahap ini, gelembung mengalami implosi hebat selama fase kompresi. Selama keruntuhan gelembung tersebut, sejumlah besar energi dilepaskan dalam bentuk gelombang kejut, suhu tinggi (sekitar 5.000K), dan tekanan tinggi (sekitar 2.000atm). Selain itu, “titik panas” ini dicirikan oleh laju pendinginan yang sangat tinggi. Implosi gelembung juga menghasilkan semburan cairan dengan kecepatan hingga 280m/s. Fenomena ini disebut kavitasi.
Ketika gaya ekstrem yang dihasilkan selama keruntuhan gelembung kavitasi ini merambat dalam medium yang disonikasi, partikel dan tetesan terpengaruh – sehingga terjadi tumbukan antarpartikel yang menyebabkan padatan pecah. Dengan demikian, pengecilan ukuran partikel melalui penggilingan, deaglomerasi, dan dispersi dapat dicapai. Partikel dapat diperkecil hingga ukuran submikron dan nano.
Selain efek mekanis, sonikasi yang kuat dapat menghasilkan radikal bebas, memutus molekul melalui gaya geser, dan mengaktifkan permukaan partikel. Fenomena ini dikenal sebagai sonokimia.

Sonosintesis

Perlakuan ultrasonik pada bubur menghasilkan partikel yang sangat halus dengan distribusi merata, sehingga terbentuk lebih banyak situs nukleasi untuk pengendapan.
Partikel HAp yang disintesis dengan ultrasonikasi menunjukkan tingkat aglomerasi yang lebih rendah. Kecenderungan aglomerasi yang lebih rendah pada HAp yang disintesis secara ultrasonik dikonfirmasi, misalnya, melalui analisis FESEM (mikroskopi elektron pemindai emisi medan) oleh Poinern et al. (2009).

Ultrasonik membantu dan mendorong reaksi kimia melalui kavitasi ultrasonik dan efek fisiknya yang secara langsung memengaruhi morfologi partikel selama fase pertumbuhan. Manfaat utama ultrasonikasi dalam menghasilkan campuran reaksi yang sangat halus adalah

  • 1) peningkatan laju reaksi,
  • 2) pengurangan waktu pemrosesan
  • 3) peningkatan efisiensi penggunaan energi secara keseluruhan.

Poinern et al. (2011) mengembangkan metode kimia basah yang menggunakan kalsium nitrat tetrahidrat (Ca[NO3]2 · 4H2O) dan kalium dihidrogen fosfat (KH2PO4) sebagai reaktan utama. Untuk mengendalikan nilai pH selama sintesis, amonium hidroksida (NH4OH) ditambahkan.
Prosesor ultrasonik yang digunakan adalah UP50H (50 W, 30 kHz, sonotrode MS7 dengan diameter 7 mm) dari Hielscher Ultrasonics.

Kalsium hidroksiapatit yang didispersikan secara ultrasonik

Kalsium hidroksiapatit yang diperkecil ukurannya dan didispersikan secara ultrasonik

Tahapan sintesis nano-HAP:

Sebanyak 40 mL larutan 0,32M Ca(NO3)2 · 4H2O disiapkan dalam gelas beker kecil. pH larutan kemudian disesuaikan menjadi 9,0 dengan sekitar 2,5mL NH4OH. Larutan disonikasi menggunakan UP50H pada pengaturan amplitudo 100% selama 1 jam.
Pada akhir jam pertama, sebanyak 60 mL larutan 0,19M [KH2PO4] kemudian ditambahkan secara perlahan, tetes demi tetes, ke dalam larutan pertama selama jam kedua iradiasi ultrasonik. Selama proses pencampuran, nilai pH diperiksa dan dipertahankan pada 9, sementara rasio Ca/P dipertahankan pada 1,67. Larutan kemudian disaring menggunakan sentrifugasi (~2000 g), setelah itu endapan putih yang dihasilkan dibagi menjadi sejumlah sampel untuk perlakuan panas.
Adanya ultrasonik dalam prosedur sintesis sebelum perlakuan termal memiliki pengaruh signifikan terhadap pembentukan prekursor awal partikel nano-HAP. Hal ini disebabkan oleh hubungan ukuran partikel dengan nukleasi dan pola pertumbuhan material, yang pada gilirannya berkaitan dengan tingkat lewat jenuh dalam fase cair.
Selain itu, ukuran partikel maupun morfologinya dapat dipengaruhi secara langsung selama proses sintesis ini. Efek peningkatan daya ultrasonik dari 0 menjadi 50W menunjukkan bahwa ukuran partikel dapat diperkecil sebelum perlakuan termal.
Peningkatan daya ultrasonik yang digunakan untuk mengiradiasi cairan menunjukkan bahwa lebih banyak gelembung/kavitasi dihasilkan. Hal ini selanjutnya menghasilkan lebih banyak situs nukleasi, sehingga partikel yang terbentuk di sekitar situs tersebut lebih kecil. Selain itu, partikel yang terpapar iradiasi ultrasonik lebih lama menunjukkan aglomerasi yang lebih rendah. Data FESEM selanjutnya mengonfirmasi berkurangnya aglomerasi partikel ketika ultrasonik digunakan selama proses sintesis.
Partikel nano-HAp dalam rentang ukuran nanometer dengan morfologi sferis dihasilkan menggunakan teknik pengendapan kimia basah dengan adanya ultrasonik. Ditemukan bahwa struktur kristalin dan morfologi serbuk nano-HAP yang dihasilkan bergantung pada daya sumber iradiasi ultrasonik dan perlakuan termal selanjutnya yang digunakan. Terbukti bahwa adanya ultrasonik dalam proses sintesis mendorong reaksi kimia dan efek fisik yang kemudian menghasilkan serbuk nano-HAp ultrahalus setelah perlakuan termal.

Ultrasonikasi kontinu dengan sel alir kaca

Sonikasi dalam ruang reaktor ultrasonik

Hidroksiapatit:

  • mineral kalsium fosfat anorganik utama
  • biokompatibilitas tinggi
  • biodegradabilitas lambat
  • osteokonduktif
  • tidak toksik
  • tidak imunogenik
  • dapat dikombinasikan dengan polimer dan/atau kaca
  • matriks struktur penyerapan yang baik untuk molekul lain
  • pengganti tulang yang sangat baik
Homogenizer ultrasonik merupakan alat yang bertenaga untuk menyintesis dan memfungsionalisasi partikel, seperti HAp

Sonikator tipe probe UP50H

Sintesis HAp melalui Metode Sol-Gel Ultrasonik

Metode sol-gel berbantuan ultrasonik untuk sintesis partikel HAp berstruktur nano:
Bahan:
– reaktan: Kalsium nitrat Ca(NO3)2, diamonium hidrogen fosfat (NH4)2HPO4, natrium hidroksida NaOH ;
– tabung reaksi 25 ml

  1. Larutkan Ca(NO3)2 dan (NH4)2HPO4 dalam air suling (rasio molar kalsium terhadap fosfor: 1,67)
  2. Tambahkan sejumlah NaOH ke dalam larutan untuk menjaga pH-nya sekitar 10.
  3. Perlakuan ultrasonik menggunakan UP100H (sonotrode MS10, amplitudo 100%)
  • Sintesis hidrotermal dilakukan pada 150°C selama 24 h dalam oven listrik.
  • Setelah reaksi, HAp kristalin dapat diperoleh melalui sentrifugasi dan pencucian dengan air deionisasi.
  • Analisis serbuk nano HAp yang diperoleh dilakukan menggunakan mikroskopi (SEM, TEM,) dan/atau spektroskopi (FT-IR). Nanopartikel HAp yang disintesis menunjukkan kristalinitas tinggi. Morfologi yang berbeda dapat diamati bergantung pada waktu sonikasi. Sonikasi yang lebih lama dapat menghasilkan batang nano HAp yang seragam dengan rasio aspek tinggi dan kristalinitas ultratinggi. [bdk. Manafi et al. 2008]

Modifikasi HAp

Karena sifatnya yang rapuh, aplikasi HAp murni terbatas. Dalam penelitian material, banyak upaya telah dilakukan untuk memodifikasi HAp dengan polimer karena tulang alami merupakan komposit yang terutama terdiri atas kristal HAp berukuran nano berbentuk jarum (mencakup sekitar 65wt% tulang). Modifikasi HAp berbantuan ultrasonik dan sintesis komposit dengan karakteristik material yang ditingkatkan menawarkan beragam kemungkinan (lihat beberapa contoh di bawah).

Contoh Praktis:

Sintesis nano-HAp

Dalam penelitian Poinern et al. (2009), sonikator tipe probe Hielscher UP50H berhasil digunakan untuk sonosintesis HAp. Seiring meningkatnya energi ultrasonik, ukuran partikel kristalit HAp menurun. Hidroksiapatit berstruktur nano (HAp) disiapkan dengan teknik pengendapan basah berbantuan ultrasonik. Ca(NO3) dan KH25PO4 digunakan sebagai bahan utama dan NH3 sebagai zat pengendap. Pengendapan hidrotermal di bawah iradiasi ultrasonik menghasilkan partikel HAp berukuran nano dengan morfologi sferis dalam rentang ukuran nanometer (sekitar 30nm ± 5%). Poinern dan rekan-rekannya menemukan bahwa sintesis sonohidrotermal merupakan metode yang ekonomis dengan kemampuan peningkatan skala yang tinggi untuk produksi komersial.

Sintesis gelatin-hidroksiapatit (Gel-HAp)

Brundavanam dan rekan-rekannya berhasil menyiapkan komposit gelatin-hidroksiapatit (Gel-HAp) dalam kondisi sonikasi ringan. Untuk menyiapkan gelatin-hidroksiapatit, 1g gelatin dilarutkan sepenuhnya dalam 1000mL air MilliQ pada 40°C. Sebanyak 2mL larutan gelatin yang telah disiapkan kemudian ditambahkan ke dalam campuran Ca2+/NH3 . Campuran tersebut disonikasi menggunakan sonikator UP50H (50W, 30kHz). Selama sonikasi, 60mL larutan 0,19M KH2PO4 ditambahkan tetes demi tetes ke dalam campuran.
Seluruh larutan disonikasi selama 1h. Nilai pH diperiksa dan selalu dipertahankan pada pH 9, sedangkan rasio Ca/P disesuaikan menjadi 1,67. Penyaringan endapan putih dilakukan melalui sentrifugasi, sehingga menghasilkan bubur kental. Sampel yang berbeda diberi perlakuan panas dalam tanur tabung selama 2h pada suhu 100, 200, 300, dan 400°C. Dengan demikian, diperoleh serbuk Gel–HAp berbentuk butiran, yang kemudian digiling menjadi serbuk halus dan dikarakterisasi menggunakan XRD, FE-SEM, dan FT-IR. Hasilnya menunjukkan bahwa ultrasonikasi ringan dan adanya gelatin selama fase pertumbuhan HAp mendorong adhesi yang lebih rendah – sehingga menghasilkan nanopartikel Gel–HAp yang lebih kecil dan berbentuk sferis teratur. Sonikasi ringan membantu sintesis partikel Gel–HAp berukuran nano berkat efek homogenisasi ultrasonik. Spesies amida dan karbonil dari gelatin selanjutnya menempel pada nanopartikel HAp selama fase pertumbuhan melalui interaksi berbantuan sonokimia.
[Brundavanam et al. 2011]

Deposisi HAp pada keping titanium

Ozhukil Kollatha et al. (2013) melapisi pelat Ti dengan hidroksiapatit. Sebelum deposisi, suspensi HAp dihomogenisasi menggunakan UP400S (perangkat ultrasonik 400 watt dengan horn ultrasonik H14, waktu sonikasi 40 detik pada amplitudo 75%).

HAp berlapis perak

Ignatev dan rekan-rekannya (2013) mengembangkan metode biosintesis yang mendeposisikan nanopartikel perak (AgNp) pada HAp untuk memperoleh lapisan HAp dengan sifat antibakteri dan mengurangi efek sitotoksik. Untuk deaglomerasi nanopartikel perak dan sedimentasinya pada hidroksiapatit, Hielscher UP400S digunakan.

Ignatev dan rekan-rekannya menggunakan perangkat ultrasonik tipe probe UP400S untuk produksi HAp berlapis perak.

Susunan perangkat yang terdiri atas pengaduk magnetik dan sonikator UP400S digunakan untuk pembuatan Hap berlapis perak [Ignatev et al 2013]

Perangkat ultrasonik kami yang bertenaga merupakan alat andal untuk memproses partikel dalam rentang ukuran submikron dan nano. Baik Anda ingin menyintesis, mendispersikan, atau memfungsionalisasi partikel dalam tabung kecil untuk keperluan penelitian maupun perlu memproses bubur serbuk nano dalam volume besar untuk produksi komersial – Hielscher menawarkan sonikator yang sesuai dengan kebutuhan Anda!

UP400S dengan reaktor ultrasonik

Homogenizer ultrasonik UP400S

Hubungi Kami / Minta Informasi Lebih Lanjut

Diskusikan kebutuhan pemrosesan Anda dengan kami. Kami akan merekomendasikan konfigurasi dan parameter pemrosesan yang paling sesuai untuk proyek Anda.





Literatur/referensi

  • Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Effect of dilute gelatine on the ultrasonic thermally assisted synthesis of nano hydroxyapatite. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697–703.
  • Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Synthesis and characterization of hydroyapatite nanoparticles. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 322; 2008. 29–33.
  • Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Plasma Sprayed Hydroxyapatite Coatings with Silver Nanoparticles. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20–29.
  • Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Perakitan terkontrol nanosfer inti-cangkang poli(d,l-laktida-ko-glikolida)/hidroksiapatitat di bawah iradiasi ultrasonik. Biomaterialia Acta 5/ 1; 2009. 208–218.
  • Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Preparation of Hydroxyapatite from Bovine Bone by Combination Methods of Ultrasonic and Spray Drying. Intl. Conf. on Chemical, Bio-Chemical and Environmental Sciences (ICBEE’2012) Singapore, December 14–15, 2012.
  • Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Effect of Ultrasonic on Crystallinity of Nano-Hydroxyapatite via Wet Chemical Method. 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): Deposisi Elektroforesis AC vs. DC Hidroksiapatit pada Titanium. Jurnal Masyarakat Keramik Eropa 33; 2013. 2715–2721.
  • Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): The Mechanical Properties of a Porous Ceramic Derived from a 30 nm Sized Particle Based Powder of Hydroxyapatite for Potential Hard Tissue Engineering Applications. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278–286.
  • Poinern, GJE; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Pengaruh termal dan ultrasonik dalam pembentukan bio-keramik hidroksiapatit skala nanometer. Jurnal Internasional Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
  • Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Synthesis and characterisation of nanohydroxyapatite using an ultrasound assisted method. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469–474.
  • Pan Kedelai, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, KA: (2007): Hidroksiapatit berpori untuk aplikasi tulang buatan. Sains dan Teknologi Bahan Maju 8. 2007. 116.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517–541.

Topik Terkait

Perangkat ultrasonik untuk penggunaan di meja laboratorium dan produksi, seperti UIP1500hd, sepenuhnya memenuhi standar kelas industri.

Perangkat ultrasonik UIP1500hd dengan reaktor aliran kontinu

Kami akan senang mendiskusikan proses Anda.

✕