ナノヒドロキシアパタイトの超音波合成
ヒドロキシアパタイト（HAまたはHAp）は、骨材料と構造が類似しているため、医療用途で広く使用されている生体活性セラミックスです。ヒドロキシアパタイトの超音波支援合成（超音波合成）は、最高水準の品質基準を満たすナノ構造HApを製造するための有効な技術です。超音波法では、ナノ結晶HApに加え、コアシェル型ナノ球などの改質粒子や複合材料も製造できます。
ハイドロキシアパタイト：多用途な鉱物
医療分野では、ナノ構造を持つ多孔質HApは、人工骨用途において興味深い材料です。骨との接触時に良好な生体適合性を示し、骨材料と化学組成が類似しているため、多孔質HApセラミックスは、骨組織再生、細胞増殖、薬物送達などの生物医学用途で非常に広く使用されています。
「骨組織工学では、骨欠損部の充填および骨増生のための材料、人工骨移植材料、人工補綴物の再置換手術に使用されています。大きな表面積により優れた骨伝導性と吸収性が得られ、骨の内部への成長が速やかに進みます。」 [Soypan et al. 2007] そのため、現代の多くのインプラントはヒドロキシルアパタイトでコーティングされています。
微結晶ヒドロキシルアパタイトの別の有望な用途は、カルシウムよりも優れた吸収性を持つ「骨形成」サプリメントとしての使用です。
骨や歯の修復材料としての使用に加え、HApには、触媒作用、肥料製造、医薬品の配合成分、タンパク質クロマトグラフィー、水処理プロセスなどの用途があります。
強力超音波：作用と影響
キャビテーション気泡の崩壊時に生じるこれらの極めて強い力が超音波処理中の媒体に広がると、粒子や液滴が影響を受け、粒子間衝突によって固体が砕かれます。これにより、粉砕、解凝集、分散などによる粒径の低減が達成されます。粒子はサブマイクロメートルサイズやナノサイズにまで微細化できます。
機械的効果に加え、強力な超音波処理は、フリーラジカルの生成、分子のせん断、粒子表面の活性化を引き起こすことができます。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。
超音波合成
スラリーを超音波処理すると、均一に分布した非常に微細な粒子が得られ、析出のための核生成部位が増加します。
超音波処理下で合成されたHAp粒子は、凝集の程度が低下します。超音波合成HApの凝集傾向が低いことは、例えばPoinernら（2009）のFESEM（電界放出型走査電子顕微鏡法）分析で確認されています。
超音波は、成長段階の粒子形態に直接影響する超音波キャビテーションとその物理的効果によって、化学反応を支援し、促進します。超微細な反応混合物の調製をもたらす超音波処理の主な利点は、次のとおりです。
- 1) 反応速度の向上、
- 2) 処理時間の短縮
- 3) エネルギー利用効率の全体的な向上。
Poinernら（2011）は、主要な反応物として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）を使用する湿式化学法を開発しました。合成中のpH値を制御するため、水酸化アンモニウム（NH4OH）を添加しました。
超音波プロセッサーには、 UP50H （50 W、30 kHz、直径7 mmのMS7ソノトロード）というHielscher Ultrasonics製の装置を使用しました。
超音波で微細化・分散したカルシウムヒドロキシアパタイト
ナノHAP合成の手順：
小型ビーカーで40 mLの0.32M Ca(NO3)2 · 4H2O溶液を調製しました。その後、溶液のpHを9.0にするため、約2.5mLのNH4OHで調整しました。溶液を UP50H を用いて振幅設定100%で1時間超音波処理しました。
最初の一時間が終了した時点で、60 mLの0.19M [KH2PO4]溶液を最初の溶液にゆっくりと滴下しながら、二時間目の超音波照射を行いました。混合中はpH値を確認して9に維持し、Ca/P比を1.67に維持しました。その後、遠心分離（~2000 g）を用いて溶液をろ過し、得られた白色沈殿を熱処理用の複数のサンプルに分割しました。
熱処理前の合成工程で超音波を使用することは、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、粒径が材料の核生成および成長パターンと関係し、それらがさらに液相内の過飽和度と関係しているためです。
また、この合成プロセスでは、粒径と形態の両方に直接影響を与えることができます。超音波出力を0から50Wに増加させた際の効果から、熱処理前に粒径を低減できることが示されました。
液体への照射に用いる超音波出力の増加に伴い、より多くの気泡やキャビテーションが発生していることが示されました。その結果、核生成部位が増加し、これらの部位の周囲で形成される粒子が小さくなります。さらに、超音波照射時間が長い粒子ほど凝集が少なくなります。その後のFESEMデータにより、合成プロセスで超音波を使用した場合に粒子の凝集が減少することが確認されました。
超音波の存在下で湿式化学沈殿法を用いることにより、ナノメートルサイズで球状形態のナノHAp粒子が製造されました。得られたナノHAP粉末の結晶構造と形態は、超音波照射源の出力と、その後に用いる熱処理に依存することがわかりました。合成プロセスにおける超音波の存在が化学反応と物理的効果を促進し、その結果、熱処理後に超微細なナノHAp粉末が得られることが明らかになりました。
超音波反応器チャンバー内での超音波処理
- 主要な無機リン酸カルシウム鉱物
- 高い生体適合性
- 緩やかな生分解性
- 骨伝導性
- 無毒性
- 非免疫原性
- ポリマーおよび／またはガラスと組み合わせることが可能
- 他の分子を吸収するための良好な構造マトリックス
- 優れた骨代替材料
プローブ型超音波処理装置 UP50H
超音波ゾルゲル法によるHAp合成
ナノ構造HAp粒子を合成するための超音波支援ゾルゲル法：
材料：
– 反応物：硝酸カルシウムCa(NO3)2、リン酸水素二アンモニウム(NH4)2HPO4、水酸化ナトリウムNaOH；
– 25 mlの試験管
- Ca(NO3)2 と(NH4)2HPO4 を蒸留水に溶解します（カルシウムとリンのモル比：1.67）。
- 溶液に少量のNaOHを加え、pHを10前後に維持します。
- 超音波処理には UP100H （ソノトロードMS10、振幅100%）を使用します。
- 水熱合成は、電気炉内で150°C、24 hの条件で実施しました。
- 反応後、遠心分離と脱イオン水による洗浄によって結晶性HApを回収できます。
- 得られたHApナノ粉末を顕微鏡法（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性を示します。超音波処理時間に応じて異なる形態が観察されます。超音波処理を長くすると、高いアスペクト比と極めて高い結晶性を持つ均一なHApナノロッドが得られる場合があります。[参照：Manafi et al. 2008]
HApの改質
純粋なHApは脆いため、その用途は限られています。天然の骨は、主にナノサイズの針状HAp結晶（骨の約65wt%を占める）からなる複合材料であるため、材料研究では、ポリマーによるHApの改質に多くの取り組みがなされてきました。超音波支援によるHApの改質と、材料特性を改善した複合材料の合成は、多様な可能性を提供します（以下にいくつかの例を示します）。
実用例：
ナノHApの合成
ゼラチン・ハイドロキシアパタイト（Gel-HAp）の合成
溶液全体を1h超音波処理しました。pH値を確認して常にpH 9に維持し、Ca/P比を1.67に調整しました。白色沈殿のろ過は遠心分離によって行い、濃厚なスラリーが得られました。各サンプルを管状炉で100、200、300、400°Cの各温度において2h熱処理しました。これにより顆粒状のGel–HAp粉末が得られ、微粉末に粉砕した後、XRD、FE-SEM、FT-IRによって特性を評価しました。結果は、穏やかな超音波処理とHApの成長段階におけるゼラチンの存在が付着の低減を促進し、その結果、Gel–HApナノ粒子がより小さくなり、規則的な球状形態を形成することを示しています。穏やかな超音波処理は、超音波ホモジナイズ効果によってナノサイズのGel–HAp粒子の合成を支援します。ゼラチン由来のアミド種およびカルボニル種は、その後、成長段階でソノケミストリー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]
チタン小板上へのHApの析出
銀被覆HAp
当社の強力な超音波装置は、サブマイクロメートルおよびナノサイズ範囲の粒子を処理するための信頼性の高いツールです。研究目的で小型チューブ内の粒子を合成、分散、機能化する場合にも、商業生産のために大量のナノ粉末スラリーを処理する場合にも、Hielscherはお客様の要件に適した超音波処理装置を提供します！
超音波ホモジナイザー UP400S
文献・参考資料
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超音波装置 UIP1500hd （フロースルー反応器付き）