Sintesi sono della nano-idrossiapatite

L'idrossiapatite (HA o HAp) è una ceramica bioattiva molto utilizzata in campo medico grazie alla sua struttura simile a quella dell'osso. La sintesi assistita da ultrasuoni (sono-sintesi) dell'idrossiapatite è una tecnica di successo per produrre HAp nanostrutturato ai massimi livelli di qualità. La via degli ultrasuoni consente di produrre HAp nano-cristallino, nonché particelle modificate, ad esempio nanosfere core-shell, e compositi.

Idrossiapatite: Un minerale versatile

L'idrossilapatite o idrossiapatite (HAp, anche HA) è una forma minerale naturale di apatite di calcio con formula Ca₅(PO₄)₃(OH). Per indicare che la cella cristallina comprende due entità, si scrive solitamente Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. L'idrossilapatite è il membro idrossile del gruppo complesso dell'apatite. Lo ione OH- può essere sostituito da fluoruro, cloruro o carbonato, producendo fluoroapatite o clorapatite. Cristallizza nel sistema cristallino esagonale. L'HAp è noto come materiale osseo, poiché fino al 50 % in peso dell'osso è una forma modificata di idrossiapatite.
In medicina, l'HAp poroso nanostrutturato è un materiale interessante per l'applicazione dell'osso artificiale. Grazie alla sua buona biocompatibilità a contatto con l'osso e alla sua composizione chimica simile a quella dell'osso, la ceramica porosa HAp ha trovato un enorme impiego nelle applicazioni biomediche, tra cui la rigenerazione del tessuto osseo, la proliferazione cellulare e la somministrazione di farmaci.
"Nell'ingegneria dei tessuti ossei è stato applicato come materiale di riempimento per i difetti e l'aumento dell'osso, come materiale per innesti ossei artificiali e per la chirurgia di revisione delle protesi. La sua elevata superficie porta a un'eccellente osteoconduttività e riassorbibilità, garantendo una rapida crescita ossea." [Molti impianti moderni sono quindi rivestiti di idrossilapatite.
Un'altra promettente applicazione dell'idrossilapatite microcristallina è il suo utilizzo come “costruzione delle ossa” integratore con un assorbimento superiore a quello del calcio.
Oltre all'uso come materiale di riparazione per ossa e denti, altre applicazioni dell'HAp si trovano nella catalisi, nella produzione di fertilizzanti, come composto nei prodotti farmaceutici, nelle applicazioni di cromatografia proteica e nei processi di trattamento delle acque.

Ultrasuoni di potenza: Effetti e impatto

La sonicazione viene descritta come un processo in cui viene utilizzato un campo acustico accoppiato a un mezzo liquido. Le onde ultrasonore si propagano nel liquido e producono cicli alternati di alta e bassa pressione (compressione e rarefazione). Durante la fase di rarefazione emergono piccole bolle di vuoto o vuoti nel liquido, che crescono nel corso di vari cicli di alta pressione/bassa pressione fino a quando la bolla non può più assorbire energia. A questo punto, le bolle implodono violentemente durante una fase di compressione. Durante il collasso delle bolle viene rilasciata una grande quantità di energia sotto forma di onde d'urto, alte temperature (circa 5.000K) e pressioni (circa 2.000atm). Inoltre, questi "punti caldi" sono caratterizzati da tassi di raffreddamento molto elevati. L'implosione della bolla provoca anche getti di liquido con velocità fino a 280 m/s. Questo fenomeno è definito cavitazione.
Quando queste forze estreme, generate durante il collasso delle bolle di cavitazione, si espandono nel mezzo sonicato, le particelle e le gocce vengono colpite. – con conseguente collisione interparticellare, in modo che il solido si frantumi. In questo modo si ottiene una riduzione delle dimensioni delle particelle, come la macinazione, la deagglomerazione e la dispersione. Le particelle possono essere ridotte a dimensioni submicroniche e nanometriche.
Oltre agli effetti meccanici, la potente sonicazione può creare radicali liberi, tagliare le molecole e attivare le superfici delle particelle. Questo fenomeno è noto come sicochimica.

Sono-Sintesi

Un trattamento a ultrasuoni dell'impasto consente di ottenere particelle molto fini con una distribuzione uniforme, in modo da creare più siti di nucleazione per la precipitazione.
Le particelle di HAp sintetizzate con ultrasuoni mostrano un livello ridotto di agglomerazione. La minore tendenza all'agglomerazione dell'HAp sintetizzato a ultrasuoni è stata confermata ad esempio dall'analisi FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) di Poinern et al. (2009).

Gli ultrasuoni assistono e promuovono le reazioni chimiche grazie alla cavitazione ultrasonica e ai suoi effetti fisici che influenzano direttamente la morfologia delle particelle durante la fase di crescita. I principali vantaggi dell'ultrasuonoterapia per la preparazione di miscele di reazione superfini sono

1) aumento della velocità di reazione,
2) riduzione dei tempi di elaborazione
3) un miglioramento generale dell'uso efficiente dell'energia.

Poinern et al. (2011) hanno sviluppato una via chimica a umido che utilizza il nitrato di calcio tetraidrato (Ca[NO3]2 - 4H2O) e il diidrogenofosfato di potassio (KH2PO4) come reagenti principali. Per controllare il valore del pH durante la sintesi, è stato aggiunto idrossido di ammonio (NH4OH).
L'elaboratore di ultrasuoni era un UP50H (50 W, 30 kHz, sonotrodo MS7 con diametro di 7 mm) di Hielscher Ultrasonics.

Dispersione ultrasonica di calcio-idrossiapatite

Idrossiapatite di calcio ridotta e dispersa con gli ultrasuoni

Fasi della sintesi di nano-HAP:

Una soluzione di 40 mL di 0,32M di Ca(NO₃)₂ - 4H₂O è stato preparato in un piccolo becher. Il pH della soluzione è stato quindi regolato a 9,0 con circa 2,5 mL di NH₄OH. La soluzione è stata sonicata con il UP50H al 100% di ampiezza per 1 ora.
Alla fine della prima ora una soluzione di 60 mL di 0,19M [KH₂OP₄] è stato poi aggiunto lentamente, a goccia, alla prima soluzione mentre veniva sottoposto a una seconda ora di irradiazione a ultrasuoni. Durante il processo di miscelazione, il valore di pH è stato controllato e mantenuto a 9, mentre il rapporto Ca/P è stato mantenuto a 1,67. La soluzione è stata quindi filtrata mediante centrifugazione (~2000 g), dopodiché il precipitato bianco risultante è stato suddiviso in una serie di campioni per il trattamento termico.
La presenza di ultrasuoni nella procedura di sintesi prima del trattamento termico ha un'influenza significativa nella formazione dei precursori iniziali di particelle di nano-HAP. Ciò è dovuto al fatto che la dimensione delle particelle è legata alla nucleazione e al modello di crescita del materiale, che a sua volta è legato al grado di super-saturazione all'interno della fase liquida.
Inoltre, sia la dimensione delle particelle che la loro morfologia possono essere influenzate direttamente durante questo processo di sintesi. L'effetto dell'aumento della potenza degli ultrasuoni da 0 a 50 W ha dimostrato che è possibile ridurre le dimensioni delle particelle prima del trattamento termico.
L'aumento della potenza degli ultrasuoni utilizzati per irradiare il liquido indica che viene prodotto un numero maggiore di bolle/cavitazioni. Ciò ha prodotto un maggior numero di siti di nucleazione e, di conseguenza, le particelle formate intorno a questi siti sono più piccole. Inoltre, le particelle esposte a periodi più lunghi di irradiazione a ultrasuoni mostrano una minore agglomerazione. I dati FESEM successivi hanno confermato la riduzione dell'agglomerazione delle particelle quando si utilizzano gli ultrasuoni durante il processo di sintesi.
Particelle di nano-HAp di dimensioni nanometriche e morfologia sferica sono state prodotte con una tecnica di precipitazione chimica a umido in presenza di ultrasuoni. È emerso che la struttura cristallina e la morfologia delle polveri di nano-HAP risultanti dipendevano dalla potenza della fonte di irradiazione ultrasonica e dal successivo trattamento termico utilizzato. È evidente che la presenza degli ultrasuoni nel processo di sintesi ha promosso le reazioni chimiche e gli effetti fisici che hanno prodotto le polveri ultrafini di nano-HAP dopo il trattamento termico.

Ultrasuoni continui con una cella a flusso in vetro

Sonizzazione in un reattore a ultrasuoni

Hielscher Ultrasonics è orgogliosa di sponsorizzare la 7a Conferenza Elettronica Internazionale sulla Chimica Medicinale. Cliccate qui per saperne di più sulle presentazioni e sulla partecipazione!

Idrossiapatite:

principale minerale inorganico di fosfato di calcio
elevata biocompatibilità
lenta biodegradabilità
osteoconduttivo
Non tossico
non immunogeno
possono essere combinati con polimeri e/o vetro
buona struttura di assorbimento matrice per altre molecole
eccellente sostituto osseo

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono strumenti potenti per sintetizzare e funzionalizzare particelle, come l'HAp

Ultrasuonatore a sonda UP50H

Sintesi dell'HAp per via sol-gel a ultrasuoni

Via sol-gel assistita da ultrasuoni per la sintesi di particelle nanostrutturate di HAp:
Materiale:
– reagenti: Nitrato di calcio Ca(NO₃)₂, idrogeno fosfato di di-ammonio (NH₄)₂HPO₄, idrossido di sodio NaOH ;
– Provetta da 25 ml

Sciogliere Ca(NO₃)₂ e (NH₄)₂HPO₄ in acqua distillata (rapporto molare calcio/fosforo: 1,67)
Aggiungete un po' di NaOH alla soluzione per mantenere il pH intorno a 10.
Trattamento ad ultrasuoni con un UP100H (sonotrodo MS10, ampiezza 100%)

Le sintesi idrotermali sono state condotte a 150°C per 24 ore in un forno elettrico.
Dopo la reazione, l'HAp cristallino può essere raccolto mediante centrifugazione e lavaggio con acqua deionizzata.
Analisi della nanopolvere di HAp ottenuta mediante microscopia (SEM, TEM) e/o spettroscopia (FT-IR). Le nanoparticelle di HAp sintetizzate mostrano un'elevata cristallinità. Si osservano morfologie diverse a seconda del tempo di sonicazione. Una sonicazione più lunga può portare a nanorods di HAp uniformi con un elevato rapporto d'aspetto e un'altissima cristallinità. [cp. Manafi et al. 2008].

Modifica dell'HAp

A causa della sua fragilità, l'applicazione dell'HAp puro è limitata. Nella ricerca sui materiali, sono stati compiuti molti sforzi per modificare l'HAp con i polimeri, poiché l'osso naturale è un composito costituito principalmente da cristalli di HAp di dimensioni nanometriche, simili ad aghi (rappresenta circa il 65% dell'osso). La modifica dell'HAp assistita dagli ultrasuoni e la sintesi di compositi con caratteristiche migliori del materiale offrono molteplici possibilità (si vedano alcuni esempi di seguito).

Esempi pratici:

Sintesi di nano-HAp

Nello studio di Poinern et al. (2009), una Hielscher UP50H L'ultrasuonatore a sonda è stato utilizzato con successo per la sono-sintesi di HAp. Con l'aumento dell'energia degli ultrasuoni, le dimensioni delle particelle dei cristalliti di HAp sono diminuite. L'idrossiapatite nanostrutturata (HAp) è stata preparata con una tecnica di precipitazione a umido assistita da ultrasuoni. Ca(NO₃) e KH₂₅OP₄ è stato utilizzato come materiale principale e NH₃ come precipitatore. La precipitazione idrotermale sotto irradiazione ultrasonica ha prodotto particelle di HAp di dimensioni nanometriche con una morfologia sferica nell'intervallo di dimensioni nanometriche (circa 30 nm ± 5%). Poinern e collaboratori hanno trovato nella sintesi sono-idrotermica una via economica con una forte capacità di scalare la produzione commerciale.

Sintesi della gelantina-idrossiapatite (Gel-HAp)

Brundavanam e collaboratori hanno preparato con successo un composito gelantina-idrossiapatite (Gel-HAp) in condizioni di lieve sonicazione. Per la preparazione della gelantina-idrossiapatite, 1g di gelatina è stato completamente sciolto in 1000mL di acqua MilliQ a 40°C. 2mL della soluzione di gelatina preparata sono stati poi aggiunti al Ca2+/NH₃ miscela. La miscela è stata sonicata con un UP50H ultrasuoni (50W, 30kHz). Durante la sonicazione, 60 mL di 0,19 M KH₂OP₄ sono stati aggiunti a goccia alla miscela.
L'intera soluzione è stata sonicata per 1 ora. Il valore del pH è stato controllato e mantenuto sempre a pH 9, mentre il rapporto Ca/P è stato regolato a 1,67. Il precipitato bianco è stato filtrato per centrifugazione, ottenendo un impasto denso. I diversi campioni sono stati trattati termicamente in un forno a tubi per 2 ore a temperature di 100, 200, 300 e 400°C. Si è così ottenuta una polvere di Gel-HAp in forma granulare, che è stata macinata fino a diventare una polvere fine e caratterizzata mediante XRD, FE-SEM e FT-IR. I risultati dimostrano che una leggera ultrasonicazione e la presenza di gelatina durante la fase di crescita dell'HAp promuovono una minore adesione, determinando così una forma sferica più piccola e regolare delle nano-particelle di Gel-HAp. La leggera sonicazione favorisce la sintesi di particelle di Gel-HAp di dimensioni nanometriche grazie agli effetti di omogeneizzazione degli ultrasuoni. Le specie amidiche e carboniliche della gelatina si attaccano successivamente alle nanoparticelle di HAp durante la fase di crescita tramite un'interazione assistita dal suono.
[Brundavanam et al. 2011].

Deposizione di HAp su piastrine di titanio

Ozhukil Kollatha et al. (2013) hanno rivestito piastre di Ti con idrossiapatite. Prima della deposizione, la sospensione di HAp è stata omogenizzata con un UP400S (dispositivo a ultrasuoni da 400 watt con tromba a ultrasuoni H14, tempo di sonicazione 40 sec. al 75% di ampiezza).

HAp rivestito d'argento

Ignatev e collaboratori (2013) hanno sviluppato un metodo biosintetico in cui le nanoparticelle di argento (AgNp) sono state depositate su HAp per ottenere un rivestimento di HAp con proprietà antibatteriche e per diminuire l'effetto citotossico. Per la deagglomerazione delle nanoparticelle d'argento e per la loro sedimentazione sull'idrossiapatite, è stato utilizzato un Hielscher UP400S è stato utilizzato.

Un'installazione di agitatore magnetico e ultrasuonatore UP400S è stato utilizzato per la preparazione dell'Hap rivestito d'argento [Ignatev et al 2013].

I nostri potenti dispositivi a ultrasuoni sono strumenti affidabili per il trattamento di particelle di dimensioni inferiori al micron e nano. Sia che vogliate sintetizzare, disperdere o funzionalizzare particelle in piccole provette a scopo di ricerca, sia che abbiate bisogno di trattare alti volumi di impasti di nano-polveri per la produzione commerciale. – Hielscher offre l'ultrasuonatore adatto alle vostre esigenze!

omogeneizzatore a ultrasuoni UP400S

Nome

Indirizzo e-mail (obbligatorio)

Numero di telefono

Prodotto o interesse per...

Si prega di osservare le nostre Gestione dei dati.

Letteratura/riferimenti

Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Effetto della gelatina diluita sulla sintesi termicamente assistita da ultrasuoni di nano-idrossiapatite. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Sintesi e caratterizzazione di nanoparticelle di idroapatite. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspetti 322; 2008. 29-33.
Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Rivestimenti di idrossiapatite spruzzati al plasma con nanoparticelle d'argento. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Assemblaggio controllato di nanosfere core-shell di poli(d,l-lattide-co-glicolide)/idrossiapatite sotto irradiazione ultrasonica. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208-218.
Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Preparazione di idrossiapatite da osso bovino mediante metodi combinati di essiccazione a ultrasuoni e spray. Intl. Conf. on Chemical, Bio-Chemical and Environmental Sciences (ICBEE'2012) Singapore, 14-15 dicembre 2012.
Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Effetto degli ultrasuoni sulla cristallinità della nano-idrossiapatite con metodo chimico umido. 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): Deposizione elettroforetica AC vs. DC di idrossiapatite su titanio. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715-2721.
Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Proprietà meccaniche di una ceramica porosa derivata da una polvere di idrossiapatite con particelle di 30 nm per potenziali applicazioni di ingegneria dei tessuti duri. 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): Influenza termica e ultrasonica nella formazione di bioceramica di idrossiapatite su scala nanometrica. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083-2095.
Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Sintesi e caratterizzazione di nanoidrossiapatite con un metodo assistito da ultrasuoni. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Idrossiapatite porosa per applicazioni ossee artificiali. Scienza e tecnologia dei materiali avanzati 8. 2007. 116.
Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Figli: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.

Argomenti correlati

I dispositivi a ultrasuoni da banco e per la produzione, come il modello UIP1500hd, offrono un livello industriale completo.

Dispositivo a ultrasuoni UIP1500hd con reattore a flusso continuo