Sintesi sonora della nano-idrossiapatite

L'idrossiapatite (HA o HAp) è una ceramica bioattiva altamente frequentata per scopi medici grazie alla sua struttura simile al materiale osseo. La sintesi ultrasonicamente assistita (sono-sintesi) dell'idrossiapatite è una tecnica di successo per produrre HAp nanostrutturato ai più alti standard qualitativi. Il percorso ad ultrasuoni permette di produrre HAp nanocristallino così come particelle modificate, ad esempio nanosfere a conchiglia e compositi.

Idrossiapatite: Un minerale versatile

L'idrossiapatite o idrossiapatite (HAp, anche HAp) è una forma minerale naturale di apatite di calcio con la formula Ca₅(PO₄)₃(OH). Per indicare che la cella dell'unità di cristallo è composta da due entità, di solito si scrive Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. L'idrossilapatite è il membro finale idrossile del complesso gruppo di apatite. Lo ione OH- può essere sostituito da fluoruro, cloruro o carbonato, producendo fluorapatite o clorapatite. Si cristallizza nel sistema dei cristalli esagonali. L'HAp è noto come materiale osseo in quanto 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 nel contatto osseo e alla sua composizione chimica simile a quella del materiale osseo, la ceramica porosa HAp ha trovato un enorme impiego in 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 difetti ossei e aumento osseo, materiale per innesto osseo artificiale e chirurgia di revisione delle protesi. La sua elevata superficie porta ad un'eccellente osteoconduttivita' e riassorbibilita', garantendo una rapida crescita ossea". Quindi, molti impianti moderni sono rivestiti con idrossipatite.
Un'altra promettente applicazione dell'idrossilapatite microcristallina è il suo utilizzo come “costruzione delle ossa” integratore con assorbimento superiore rispetto al calcio.
Oltre al suo utilizzo come materiale per la riparazione di ossa e denti, altre applicazioni dell'HAp possono essere trovate nella catalisi, nella produzione di fertilizzanti, come composto in prodotti farmaceutici, nelle applicazioni di cromatografia proteica e nei processi di trattamento delle acque.

Ecografia di potenza: Effetti e impatto

L'sonicazione è descritta come un processo in cui viene utilizzato un campo acustico, che viene accoppiato ad un mezzo liquido. Le onde ultrasoniche si propagano nel liquido e producono cicli alternati di alta pressione/bassa pressione (compressione e rarefazione). Durante la fase di rarefazione emergono piccole bolle di vuoto o vuoti nel liquido, che crescono in vari cicli ad alta pressione/bassa pressione fino a quando la bolla non può assorbire più energia. In questa fase, le bolle implodono violentemente durante la fase di compressione. Durante il collasso della bolla, una grande quantità di energia viene rilasciata sotto forma di onde d'urto, alte temperature (circa 5.000K) e pressioni (circa 2.000atm). Inoltre, questi "punti caldi" sono caratterizzati da velocità di raffreddamento molto elevate. L'implosione della bolla produce anche getti di liquido fino a 280m/s di velocità. Questo fenomeno è chiamato cavitazione.
Quando queste forze estreme, che si generano durante il collasso delle bolle di cavitazione, si espandono nel mezzo sonicato, le particelle e le goccioline sono interessate. – con conseguente collisione tra le particelle in modo che il solido si frantuma. In questo modo si ottiene una riduzione delle dimensioni delle particelle come la fresatura, 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, molecole di taglio e attivare le superfici delle particelle. Questo fenomeno è noto come sono-chimica.

Sintesi del suono

Un trattamento ad ultrasuoni del liquame produce particelle molto fini con distribuzione uniforme, in modo da creare più siti di nucleazione per le precipitazioni.
Le particelle di HAp sintetizzate con l'ultrasuoni mostrano un livello ridotto di agglomerazione. La minore tendenza all'agglomerazione di HAp sintetizzato ad ultrasuoni è stata confermata, ad esempio, dall'analisi FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) di Poinern et al.

Gli ultrasuoni aiutano e promuovono reazioni chimiche per cavitazione ultrasonica e i suoi effetti fisici che influenzano direttamente la morfologia delle particelle durante la fase di crescita. I principali vantaggi dell'ultrasonicazione che si ottiene nella preparazione di miscele di reazione superfini sono

1) maggiore velocità di reazione,
2) tempo di elaborazione ridotto
3) un miglioramento complessivo dell'uso efficiente dell'energia.

Poinern et al. (2011) hanno sviluppato una via chimica umida che utilizza come reagenti principali il nitrato di calcio tetraidrato (Ca[NO3]2 - 4H2O) e il diidrogeno fosfato di potassio (KH2PO4). Per il controllo del valore di pH durante la sintesi è stato aggiunto l'idrossido di ammonio (NH4OH).
Il processore ad ultrasuoni era un UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode con diametro 7 mm) da Hielscher Ultrasonics.

Fasi della sintesi nano-HAP:

Una soluzione da 40 ml di 0,32M Ca(NO₃)₂ - · 4H₂O è stato preparato in un piccolo becher. Il pH della soluzione è stato poi regolato a 9.0 con circa 2.5mL di NH₄OH. La soluzione è stata sonicated con il UP50H al 100% dell'ampiezza impostata per 1 ora.
Alla fine della prima ora una soluzione da 60 ml di 0.19M [KH₂PO₄] è stato poi lentamente aggiunto a goccia a goccia nella prima soluzione durante la seconda ora di irradiazione ultrasonica. 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 poi filtrata mediante centrifugazione (~2000 g), dopo di che il precipitato bianco risultante è stato dosato in un certo numero 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 di particelle nano-HAP iniziali. 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 nella fase liquida.
Inoltre, sia la dimensione delle particelle che la loro morfologia possono essere direttamente influenzate durante questo processo di sintesi. L'effetto dell'aumento della potenza degli ultrasuoni da 0 a 50W ha dimostrato che era possibile ridurre la dimensione delle particelle prima del trattamento termico.
La crescente potenza ultrasonica utilizzata per irradiare il liquido indicava che si produceva un maggior numero di bolle/cavitazioni. Questo a sua volta ha prodotto più siti di nucleazione e di conseguenza le particelle che si formano intorno a questi siti sono più piccole. Inoltre, le particelle esposte a periodi più lunghi di irradiazione ultrasonica mostrano una minore agglomerazione. I successivi dati FESEM hanno confermato la riduzione dell'agglomerato di particelle quando si utilizzano gli ultrasuoni durante il processo di sintesi.
Le particelle Nano-HAp nella gamma di dimensioni nanometriche e nella morfologia sferica sono state prodotte utilizzando una tecnica di precipitazione chimica umida in presenza di ultrasuoni. È stato riscontrato che la struttura cristallina e la morfologia delle polveri nano-HAP risultanti dipendeva dalla potenza della sorgente di irradiazione ultrasonica e dal successivo trattamento termico utilizzato. Era evidente che la presenza di ultrasuoni nel processo di sintesi promuoveva le reazioni chimiche e gli effetti fisici che successivamente producevano le polveri nano- HAp ultrafini dopo il trattamento termico.

Ultrasonazione continua con cella a flusso di vetro

Sonicazione in una camera di reattore ad ultrasuoni

5° Convegno internazionale di elettronica sulla chimica medica

Idrossiapatite:

principale minerale inorganico principale fosfato di calcio inorganico
elevata biocompatibilità
biodegradabilità lenta
osteoconduttivo
Non tossico
immune
può essere combinato con polimeri e/o vetro.
matrice di buona struttura di assorbimento per altre molecole
eccellente sostituto osseo

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

Tipo di sonda ad ultrasuoni UP50H

Sintesi HAp tramite Ultrasuoni Sol-Gel Route

Percorso sol-gel ad ultrasuoni per la sintesi di particelle nanostrutturate di HAp:
Materiale:
– reagenti: Nitrato di calcio Ca(NO₃)₂di-ammonio idrogeno fosfato (NH₄)₂HPO₄Sodio idrossido di sodio NaOH ;
– Provetta da 25 ml

Sciogliere Ca(NO₃)₂ e (NH₄)₂HPO₄ in acqua distillata (rapporto molare calcio/fosforo: 1,67)
Aggiungere 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 HAp ottenuta al microscopio (SEM, TEM, TEM,) e/o spettroscopia (FT-IR). Le nanoparticelle sintetizzate di HAp mostrano un'elevata cristallinità. A seconda del tempo di sonicazione si possono osservare diverse morfologie. Una sonicazione più lunga può portare a nanorods HAp uniformi con un elevato rapporto di aspetto e un'altissima cristallinità. [cp. Manafi et al. 2008]

Modifica di HAp

A causa della sua fragilità, l'applicazione di HAp puro è limitata. Nella ricerca sui materiali, molti sforzi sono stati fatti per modificare l'HAp con i polimeri, poiché l'osso naturale è un composito composto principalmente da cristalli di HAp di dimensioni nanometriche e simili ad aghi (che rappresentano circa il 65wt% dell'osso). La modifica ultrasonicamente assistita dell'HAp e la sintesi di compositi con migliori caratteristiche del materiale offre molteplici possibilità (vedi alcuni esempi sotto).

Esempi pratici:

Sintesi di nano-HAp

Nello studio di Poinern et al. (2009), un Hielscher UP50H per la sono-sintesi di HAp è stato utilizzato con successo l'ultrasuoni a sonda. Con l'aumento dell'energia ultrasonica, la dimensione delle particelle dei cristalliti HAp è diminuita. L'idrossiapatite nanostrutturata (HAp) è stata preparata con una tecnica di precipitazione ad ultrasuoni assistita. Ca(NO₃) e KH₂₅PO₄ sono stati utilizzati come materiale principale e NH₃ come precipitatore. La precipitazione idrotermale sotto irradiazione ultrasonica ha prodotto particelle 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 scale-up per la produzione commerciale.

Sintesi di gelatina idrossiapatite (Gel-HAp)

Brundavanam e collaboratori hanno preparato con successo un composito gelatina idrossiapatite (Gel-HAp) in condizioni di sonicazione leggera. Per la preparazione della gelatina idrossiapatite, 1g di gelatina è stato completamente disciolto in 1000 ml di acqua MilliQ a 40°C. 2mL della soluzione di gelatina preparata è stato poi aggiunto al Ca2+/NH₃ miscela. La miscela è stata sonicato con un UP50H ultrasuoni (50W, 30kHz). Durante la sonicazione, 60mL di 0,19M KH₂PO₄ sono state aggiunte alla miscela con una goccia a caso.
L'intera soluzione è stata sonicata per 1 ora. Il valore di pH è stato sempre controllato e mantenuto a pH 9 e il rapporto Ca/P è stato regolato a 1,67. La filtrazione del precipitato bianco è stata ottenuta mediante centrifugazione, con conseguente formazione di uno spesso fango. Diversi campioni sono stati trattati termicamente in un forno a tubi per 2 ore ad una temperatura di 100, 200, 300 e 400°C. Si è così ottenuta una polvere Gel-HAp in forma granulare, macinata in polvere fine e caratterizzata da XRD, FE-SEM e FT-IR. I risultati mostrano che una leggera ultrasonicazione e la presenza di gelatina durante la fase di crescita dell'HAp favoriscono una minore adesione, dando luogo ad una forma sferica regolare e più piccola delle nano-particelle Gel-HAp. La delicata sonicazione aiuta la sintesi di particelle di Gel-HAp di dimensioni nanometriche grazie agli effetti di omogeneizzazione ad ultrasuoni. Le specie di ammide e carbonile della gelatina si attaccano successivamente alle nano-particelle HAp durante la fase di crescita attraverso un'interazione sono-chimicamente assistita.
[Brundavanam et al. 2011]

Deposizione di HAp su piastrine di titanio

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

Rivestito in argento HAp

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

Ignatev e i suoi collaboratori hanno utilizzato il dispositivo a sonde ad ultrasuoni UP400S per la produzione di HAp con rivestimento argentato.

Una configurazione di agitatore magnetico e ultrasuoni UP400S è stato utilizzato per la preparazione Hap argentata [Ignatev et al 2013].

I nostri potenti dispositivi a ultrasuoni sono strumenti affidabili per il trattamento di particelle di dimensioni inferiori al micron e nanometriche. Sia che vogliate sintetizzare, disperdere o funzionalizzare particelle in piccoli tubi a scopo di ricerca o che dobbiate trattare grandi volumi di fanghi di polveri nano-polvere per la produzione commerciale. – Hielscher offre l'ultrasuoni adatto alle vostre esigenze!

Omogeneizzatore ad ultrasuoni UP400S

Letteratura/riferimenti

Brundavanam, R. K. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Effetto della gelatina diluita sulla sintesi ultrasonica termicamente assistita della nano idrossiapatite. L'ultrasuono. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
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Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Rivestimenti in idrossiapatite spruzzata 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 in poli(d,l-lactide-co-glicolide)/idrossiapatite core-shell 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 con metodi combinati di essiccazione ad 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 dell'ultrasuoni sulla cristallinità della nano-idrossiapatite tramite il metodo chimico a 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. Rivista della Società Europea della Ceramica 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 a base di particelle di idrossiapatite di dimensioni 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 nanometri scala idrossiapatite idrossiapatite bio-ceramica. Rivista Internazionale di Nanomedicina 6; 2011. 2083–2095.
Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Sintesi e caratterizzazione della nanoidrossiapatite con un metodo assistito da ultrasuoni. Ecografia Sonochimica, 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.
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