ナノハイドロキシアパタイトのソノシンセシス

ヒ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、最高品質基準でナノ構造HApを生成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 - シェルナノスフィア、および複合材料を生成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)は、カルシウムアパタイトの天然に存在する鉱物形態であり、式Caがあります₅(PO₄)₃(OH)です。水晶単位セルが2つのエンティティで構成されることを示すために、通常はCaと書かれます₁₀(PO₄)₆(オハイオ州)₂.ヒドロキシアパタイトは、錯体アパタイトグループ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は人工骨の応用に興味深い材料です。骨接触における生体適合性が良好で、骨材料と同様の化学組成により、多孔質HApセラミックは、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大きな用途が見出されています。
「骨組織工学では、骨の欠損や増大、人工骨移植材料、プロテーゼ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、優れた骨伝導性と再吸収性をもたらし、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、その使用です。 “ボーンビルディング” カルシウムに比べて吸収性に優れたサプリメントです。
HApは、骨や歯の修復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も応用されています。

パワー超音波:効果と影響

超音波処理は、液体媒体に結合した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/低圧サイクル(圧縮と希薄化)を交互に生成します。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。このフェーズでは、圧縮フェーズ中にバブルが激しく爆発します。このバブル崩壊時には、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。気泡の爆縮はまた、最大280m/sの速度の液体ジェットをもたらします。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媒体中で拡大すると、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、分散などの粒度縮小が達成されます。粒子はサブミクロンおよびナノサイズに希釈することができます。
機械的効果の他に、強力な超音波処理はフリーラジカルを作り出し、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。

ソノシンセシス

スラリーの超音波処理は、沈殿のためのより多くの核形成部位が作成されるように、均一な分布を持つ非常に細かい粒子をもたらす。
超音波処理下で合成されたHAp粒子は、凝集のレベルの低下を示します。超音波合成されたHApの凝集に対する低い傾向は、例えばPoinernら(2009)のFESEM(電界放出走査型電子顕微鏡)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とその物理的効果によって化学反応を補助し、促進します。これは、成長期の粒子形態に直接影響を与えます。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、

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 et al. (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ルートを開発しました。合成中のpH値を制御するために、水酸化アンモニウム(NH4OH)を添加しました。
超音波プロセッサは UP50Hの (50 W、30 kHz、MS7 Sonotrode w/直径7 mm)ヒールシャー超音波製。

超音波還元分散カルシウム - ヒドロキシアパタイト

nano-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用意されました。その後、溶液のpHを約2.5mLのNHで9.0に調整しました₄おや。溶液を超音波処理しました UP50Hの 100%で ampリチュード設定1時間。
最初の1時間の終わりに、0.19M [KH₂発注書₄次いで、超音波照射の2時間を受けながら、第1の溶液にゆっくりと滴下した。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いくつかのサンプルに比例させました。
熱処理に先立つ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、それが液相内の過飽和度に関連しているためです。
さらに、この合成プロセス中に、粒子サイズとその形態の両方が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す。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Nano-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力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、熱処理後に超微細ナノHAp粉末をその後生成する化学反応および物理的効果を促進することは明らかであった。

超音波反応器チャンバーでの超音波処理

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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
他の分子のためのよい吸収の構造のマトリックス
優れた骨代用品

超音波ホモジナイザーは、HApなどの粒子を合成し、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-ゲルルートによる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:
材料：
– 反応物:硝酸カルシウムCa(NO)₃)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

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)
溶液にNaOHを添加して、pHを約10に保ちます。
超音波治療 UP100Hの (ソノトロードMS10、振幅100%)

水熱合成は、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ナノ粉末の顕微鏡法(SEM、TEM)および/または分光法(FT-IR)による分析。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すことができる。[cp. Manafi et al. 2008]

HApの改造

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ことから、HApをポリマーで修飾する試みが盛んに行われてきました。超音波支援によるHApの修飾と、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します(以下のいくつかの例を参照)。

実例:

nano-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のソノ合成に成功した。超音波エネルギーの増加に伴い、HAp結晶子の粒子サイズは減少した。ナノ構造ヒ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ました。Ca(いいえ₃)とKH₂₅発注書₄ ヴェルデを主材料とし、NHを使用₃ 集塵機として。超音波照射下での熱水沈殿は、ナノメートルサイズ範囲(約30nm±5%)の球形を有するナノサイズのHAp粒子をもたらした。Poinern氏らは、ソノ-熱水合成が、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-ヒドロキシアパタイト(Gel-HAp)の合成

Brundavanamと共同研究者は、穏やかな超音波処理条件下で、ゲランチン - ヒドロキシアパタイト(Gel-HAp)複合材料を成功裏に調製しました。ゼランチン-ヒドロキシアパタイトの調製では、1 gのゼラチンを1000 mL MilliQ水(40°C)に完全溶解し、調製したゼラチン溶液2 mLをCa2+/NHに加えました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た。
全溶液を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、濃厚なスラリーが得られました。異なるサンプルを管状炉で100°C、200°C、300°C、400°Cの2時間熱処理しました。これにより、粒状のGel-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、軽度の超音波処理およびHApの成長期におけるゼラチンの存在が低接着性を促進することを示しており、それによりゲル-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粒子の合成を助ける。ゼラチンからのアミドおよびカルボニル種は、その後、成長段階で音響化学的に支援された相互作用を介してHApナノ粒子に結合します。
[Brundavanam et al. 2011]

チタン血小板上への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持つHApコーティングを取得し、細胞毒性効果を低下させる生合成方法を開発しました。銀ナノ粒子の解凝集およびヒールシャーのヒールシャー石上のそれらの沈降のために UP400Sのが使用された。

イグナテフ氏と彼の同僚は、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。

マグネチックスターラー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で粒子を合成、分散、または官能基化したい場合でも、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!

超音波ホモジナイザー UP400Sの

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