ナノハイドロキシアパタイトのソノ合成

ハイドロキシアパタイト(HAまたはHAp)は、骨材料と構造が似ているため、医療目的で非常に頻繁に使用される生物活性セラミックです。ヒドロキシアパタイトの超音波支援合成(ソノ合成)は、最高の品質基準でナノ構造HApを製造するための成功した技術です。超音波経路は、ナノ結晶HApならびに修飾粒子、例えばコア - シェルナノスフェア、および複合材料を製造することを可能にする。

ハイドロキシアパタイト:用途の広い鉱物

ヒドロキシアパタイトまたはヒドロキシアパタイト(HAp、HAも)は、天然に存在するカルシウムアパタイトの鉱物形態であり、式Caを有する5(PO4)3(OH)です。結晶単位格子が2つの実体からなることを示すために、それは通常Caと書かれます10(PO4)6(OH)2.ヒドロキシアパタイトは、錯体アパタイト基のヒドロキシル末端メンバーです。OH-イオンは、フッ化物、塩化物、または炭酸塩に置き換えることができ、フルオロアパタイトまたはクロラパタイトを生成します。それは六角形の結晶系で結晶化します。HApは、骨の最大50重量%がヒドロキシアパタイトの修飾型であるため、骨材料として知られています。
医学では、ナノ構造多孔質HApは人工骨の用途に興味深い材料です。多孔質HApセラミックは、骨接触における生体適合性が高く、骨材料と同様の化学組成であるため、骨組織の再生、細胞増殖、薬物送達などの生物医学的用途で非常に使用されています。
「骨組織工学では、骨の欠損や増強、人工骨移植材料、プロテーゼの修正手術の充填材として応用されています。その高い表面積は、優れた骨伝導性と吸収性につながり、骨の迅速な成長を提供します。」[Soypan et al. 2007]そのため、現代のインプラントの多くはヒドロキシアパタイトでコーティングされています。
微結晶性ヒドロキシアパタイトの別の有望な用途は、 “骨作り” カルシウムに比べて吸収力に優れたサプリメントです。
HApは、骨や歯の補修材料としての使用以外にも、触媒作用、肥料製造、医薬品の化合物、タンパク質クロマトグラフィーの用途、水処理プロセスなどに応用されています。

パワー超音波:効果と影響

超音波処理は、液体媒体に結合する音場が使用されるプロセスとして説明されています。超音波は液体中を伝搬し、高圧と低圧のサイクル(圧縮と希薄化)を交互に繰り返す。希薄化段階では、液体中に小さな真空気泡またはボイドが出現し、気泡がエネルギーを吸収できなくなるまで、さまざまな高圧/低圧サイクルで成長します。この段階では、気泡は圧縮段階で激しく爆発します。この気泡崩壊の際には、衝撃波、高温(約5,000K)、圧力(約2,000気圧)という形で大量のエネルギーが放出されます。さらに、これらの「ホットスポット」は、非常に高い冷却速度を特徴としています。気泡の爆縮は、最大280m/sの速度の液体ジェットももたらします。この現象はキャビテーションと呼ばれます。
キャビテーション気泡の崩壊中に発生するこれらの極端な力が超音波処理された媒体中で膨張すると、粒子および液滴が影響を受ける – その結果、粒子間衝突が発生し、固体が粉々になります。これにより、粉砕、解凝集、分散などの粒度低減が達成される。粒子はサブミクロンおよびナノサイズに希釈できます。
機械的効果に加えて、強力な超音波処理はフリーラジカルを生成し、分子をせん断し、粒子表面を活性化することができます。これらの現象はソノケミストリーとして知られています。

SONO合成

スラリーの超音波処理は、均一な分布を有する非常に微細な粒子をもたらし、その結果、沈殿のためのより多くの核形成部位が作られる。
超音波下で合成されたHAp粒子は、凝集レベルの低下を示します。超音波合成されたHApの凝集傾向が低いことは、例えばPoinernら(2009)のFESEM(電界放出走査電子顕微鏡)分析によって確認された。

超音波は、超音波キャビテーションによる化学反応と、成長期の粒子形態に直接影響を与えるその物理的効果を補助し促進します。超微細反応混合物の調製をもたらす超音波処理の主な利点は、以下の通りである

  • 1)反応速度の向上
  • 2)処理時間の短縮
  • 3)エネルギーの効率的な使用の全体的な改善。

Poinernら(2011)は、硝酸カルシウム四水和物(Ca[NO3]2・4H2O)とリン酸二水素カリウム(KH2PO4)を主反応物として使用する湿式化学経路を開発しました。合成中のpH値を制御するために、水酸化アンモニウム(NH4OH)を添加した。
超音波プロセッサは UP50Hの (50 W、30 kHz、MS7ソノトロード、直径7 mm)ヒールシャー超音波製。

超音波分散カルシウム - ハイドロキシアパタイト

超音波還元分散カルシウム - ハイドロキシアパタイト

ナノHAP合成のステップ:

A 40 mL solution of 0.32M Ca(NO3)2 ·4時間2Oは小さなビーカーで準備されました。次に、溶液のpHを約2.5mLNHで9.0に調整しました4おや。溶液を超音波処理した UP50Hの 100%で amp1時間設定。
最初の1時間の終わりに、0.19Mの60mL溶液[KH2発注書4]を第1の溶液にゆっくりと滴下し、2時間目の超音波照射を行った。混合プロセス中、pH値は9に維持され、Ca/P比は1.67に維持されました。次に、溶液を遠心分離(~2000 g)を使用してろ過し、得られた白色沈殿物を熱処理のために多数のサンプルに比例させました。
熱処理前の合成手順における超音波の存在は、初期のナノHAP粒子前駆体の形成に大きな影響を与えます。これは、粒子サイズが核形成と材料の成長パターンに関連しており、液相内の過飽和度に関連しているためです。
さらに、粒子サイズとその形態の両方が、この合成プロセス中に直接影響を受ける可能性があります。超音波出力を0Wから50Wに増加させる効果は、熱処理の前に粒子サイズを小さくすることが可能であることを示しました。
液体を照射するために使用される超音波出力の増加は、より多くの気泡/キャビテーションが生成されていることを示していました。これにより、より多くの核形成部位が生成され、その結果、これらの部位の周囲に形成される粒子が小さくなりました。さらに、より長い期間の超音波照射にさらされた粒子は、凝集が少なくなります。その後のFESEMデータでは、合成プロセス中に超音波を使用した場合の粒子凝集の減少が確認されています。
ナノメートルサイズ範囲および球状形態のナノHAp粒子は、超音波の存在下で湿式化学沈殿法を用いて作製した。得られたナノHAP粉末の結晶構造および形態は、超音波照射源およびその後の熱処理のパワーに依存することがわかった。合成プロセスにおける超音波の存在が化学反応および物理的効果を促進し、その後、熱処理後に超微細ナノHAp粉末を生成することは明らかであった。

ガラスフローセルによる連続超音波処理

超音波反応器室での超音波処理

ハイドロキシアパ タイト:

  • 主な無機リン酸カルシウムミネラル
  • 高い生体適合性
  • 遅い生分解性
  • 骨伝導性
  • 無毒
  • 非免疫原性
  • ポリマーやガラスと組み合わせることができます
  • 他の分子の優れた吸収構造マトリックス
  • 優れた代用骨

超音波ホモジナイザーは、HApなどの粒子を合成および官能基化するための強力なツールです

プローブ型超音波装置 UP50Hの

超音波ゾルゲル経路によるHAp合成

ナノ構造HAp粒子の合成のための超音波支援ゾル - ゲル経路:
Material:
– 反応物:硝酸カルシウムCa(NO3)2、リン酸二アンモニウム水素(NH4)2HPOの4、ヒドロキシドナトリウムNaOH;
– 25ml試験管

  1. Ca(NOを溶解します3)2 および(NH4)2HPOの4 蒸留水中(カルシウムとリンのモル比:1.67)
  2. 溶液にNaOHを加えて、pHを10前後に保ちます。
  3. 超音波処理 UP100Hシリーズ (ソノトロードMS10、振幅100%)
  • 熱水合成は、電気オーブンで150°Cで24時間行われました。
  • 反応後、結晶性HApは遠心分離と脱イオン水による洗浄によって回収できます。
  • 得られたHApナノ粉末を顕微鏡(SEM、TEM)および/または分光法(FT-IR)で分析します。合成されたHApナノ粒子は、高い結晶化度を示します。超音波処理時間に応じて異なる形態が観察され得る。より長い超音波処理は、高いアスペクト比および超高結晶化度を有する均一なHApナノロッドをもたらし得る。[マナフィら2008]

HApの修正

その脆性のために、純粋なHApの適用は限られています。材料研究では、天然の骨はナノサイズの針状のHAp結晶(骨の約65wt%を占める)を主成分とする複合材料であるため、高分子によるHAp修飾に多くの努力が払われてきました。超音波支援によるHApの改質および改善された材料特性を有する複合材料の合成は、多様な可能性を提供する(以下のいくつかの例を参照)。

実例:

ナノHApの合成

Poinern et al. (2009) の研究では、ヒールシャー UP50Hの プローブ型超音波装置は、HApのソノ合成に首尾よく使用された。超音波エネルギーの増加に伴い、HAp結晶の粒子サイズは減少した。ナノ構造ハイドロキシアパタイト(HAp)は、超音波支援湿潤沈殿法によって調製された。Ca(いいえ3)とKH25発注書4 主材料として使用されるヴェルデとNH3 集じん者として。超音波照射下での熱水沈殿により、ナノメートルサイズ範囲(約30nm±5%)の球状形態を有するナノサイズのHAp粒子が得られました。Poinernと共同研究者は、ソノ水熱合成が商業生産への強力なスケールアップ能力を備えた経済的なルートであることを発見しました。

ゲランチン-ハイドロキシアパタイト(Gel-HAp)の合成

Brundavanamらは、穏やかな超音波処理条件下で、ゲルアンチン - ヒドロキシアパタイト(Gel-HAp)複合材料を調製することに成功しました。ゼランタイン-ヒドロキシアパタイトの調製では、ゼラチン1gを40°Cの1000mLミリク水に完全溶解し、調製したゼラチン溶液2mLをCa2+/NHに添加した3 混交。混合物を超音波処理した UP50Hの 超音波装置(50W、30kHz)。超音波処理中に、0.19M KHの60mL2発注書4 を滴下して混合物に加えました。
溶液全体を1時間超音波処理した。pH値は常にpH 9でチェックおよび維持され、Ca/P比は1.67に調整されました。白色沈殿物のろ過は遠心分離によって達成され、濃厚なスラリーをもたらした。異なるサンプルを管状炉で2時間、100°C、200°C、300°C、400°Cの温度で熱処理しました。 これにより、粒状のゲル-HAp粉末が得られ、これを微粉末に粉砕し、XRD、FE-SEM、およびFT-IRを特徴とする。結果は、HApの成長期における穏やかな超音波処理およびゼラチンの存在がより低い接着を促進することを示し、それによってゲル-HApナノ粒子のより小さく規則的な球形を形成する。穏やかな超音波処理は、超音波均質化効果によるナノサイズのゲル-HAp粒子の合成を助長する。ゼラチンからのアミド種とカルボニル種は、その後、音響化学的に助けられた相互作用を介して成長段階でHApナノ粒子に結合します。
[Brundavanam et al. 2011]

チタン血小板へのHApの沈着

Ozhukil Kollatha et al.(2013)は、Tiプレートをハイドロキシアパタイトでコーティングしました。堆積前に、HAp懸濁液は UP400Sの (超音波ホーンH14を備えた400ワットの超音波装置、超音波処理時間40秒、75%の振幅)。

シルバーコーティングHAp

Ignatevら(2013)は、銀ナノ粒子(AgNp)をHAp上に堆積させて抗菌性を有するHAp被膜を得て、細胞毒性効果を低下させる生合成法を開発した。銀ナノ粒子の解凝集およびヒールシャーのハイドロキシアパタイト上での沈降のために UP400Sの が使用されました。

イグナテフと彼の同僚は、銀コーティングされたHApの製造に超音波プローブタイプのデバイスUP400Sを使用しました。

磁気攪拌機と超音波装置のセットアップ UP400Sの 銀コーティングされたHap調製に使用されました[Ignatev et al 2013]


当社の強力な超音波装置は、サブミクロンおよびナノサイズの範囲の粒子を処理するための信頼性の高いツールです。研究目的で小さなチューブ内の粒子を合成、分散、または官能化したい場合でも、商業生産のために大量のナノ粉末スラリーを処理する必要がある場合でも – ヒールシャーはあなたの要件に適した超音波装置を提供しています!

超音波反応器付きUP400S

超音波ホモジナイザー UP400Sの


お問い合わせ / 詳細情報のお問い合わせ

Talk to us about your processing requirements. We will recommend the most suitable setup and processing parameters for your project.





私たちの注意点 プライバシーポリシー.


文献/参考文献

  • ブルンダヴァナム、R. K.;ジナグ、Z.-T.、チャップマン、P。;ル、X.-T.;モンディノス、N。;フォーセット、D。;Poinern、GEJ(2011):ナノハイドロキシアパタイトの超音波熱支援合成に対する希ゼラチンの影響。ウルトラソン。ソノケム。18, 2011.697-703.
  • センギズ、B。;ゴクチェ、Y。;ユルドゥズ、N。;アクタス、Z。;Calimli、A.(2008):ハイドロヤパタイトナノ粒子の合成と特性評価。コロイドと表面A:物理化学。工学的側面322;2008. 29-33.
  • イグナテフ、M。;リバック、T。;コロンゲス、G。;シャーフ、W。;Marke、S.(2013):銀ナノ粒子によるプラズマ溶射ハイドロキシアパタイトコーティング。Acta Metallurgica Slovaca、19/1;2013. 20-29.
  • Jevtića、M。;ラドゥロヴィッチ、A。;イグニャトヴィチャ、名;ミトリチブ、M。;Uskoković、D.(2009):超音波照射下でのポリ(d、l-ラクチド - コグリコリド)/ハイドロキシアパタイトコアシェルナノスフィアの制御されたアセンブリ。Acta Biomaterialia 5/1;2009. 208–218.
  • クスリーニ、E。;プジアストゥティ、AR;Astutiningsih、S。;Harjanto、S.(2012):超音波乾燥と噴霧乾燥の組み合わせ方法によるウシ骨からのハイドロキシアパタイトの調製。化学・生化学・環境科学国際会議(ICBEE'2012)シンガポール、2012年12月14-15日
  • マナフィ、S。;Badiee、SH(2008):湿式化学法によるナノハイドロキシアパタイトの結晶化度に対する超音波の影響。Ir J Pharma Sci 4/2;2008. 163-168
  • オズキル・コラサ、V。;チェンク、Q。;クロセブ、R。;ルイテナ、J。;トレイナブ、K。;ムレンサ、S。;ボッカッチニック、AR;Clootsb、R.(2013):チタン上のハイドロキシアパタイトのAC対DC電気泳動堆積。欧州セラミック協会誌 33;2013. 2715–2721.
  • ポイナン、GEJ;ブルンダヴァナム、R.K.;ティ・レ、X。;Fawcett、D.(2012):潜在的な硬組織工学用途のための30 nmサイズの粒子ベースのハイドロキシアパタイト粉末に由来する多孔質セラミックの機械的特性。American Journal of Biomedical Engineering 2/6;2012. 278-286.
  • ポイナン、GJE;ブルンダヴァナム、R。;ティ・レ、X。;ジョルジェビッチ、S。;プロキッチ、M。;Fawcett、D.(2011):ナノメートルスケールのハイドロキシアパタイトバイオセラミックの形成における熱的および超音波の影響。ナノメディシンの国際ジャーナル6;2011. 2083–2095.
  • ポイナン、GJE;ブルンダヴァナム、R.K.;モンディノス、N。;江 Z.-T.(2009): [超音波支援法を用いたナノハイドロキシアパタイトの合成と特性評価]超音波ソノケミストリー、16/4;2009. 469- 474.
  • ソイパン、I。;メル、M。;ラメシュ、S。;Khalid、KA:(2007):人工骨用途のための多孔質ハイドロキシアパタイト。先端材料の科学と技術 8.2007. 116.
  • Suslick、KS(1998):化学技術のカークオスマー百科事典。第4版J.ワイリー & サンズ:ニューヨーク、Vol.26、1998年。517-541.

UIP1500hdなどのベンチトップおよび生産用の超音波装置は、完全な工業用グレードを提供します。

超音波装置 UIP1500hd 貫通式リアクター

私たちはあなたのプロセスについて喜んで話し合います。

Let's get in contact.