ნანო-ჰიდროქსიაპატიტის სონო-სინთეზი
ჰიდროქსიაპატიტი (HA ან HAp) არის სამედიცინო მიზნებისთვის ხშირად გამოყენებული ბიოაქტიური კერამიკა, რადგან მისი სტრუქტურა ძვლის მასალის სტრუქტურის მსგავსია. ჰიდროქსიაპატიტის ულტრაბგერით ხელშეწყობილი სინთეზი (სონო-სინთეზი) წარმატებული ტექნიკაა უმაღლესი ხარისხის სტანდარტების შესაბამისი ნანოსტრუქტურული HAp-ის წარმოებისთვის. ულტრაბგერითი მეთოდი საშუალებას იძლევა წარმოიქმნას ნანოკრისტალური HAp, ასევე მოდიფიცირებული ნაწილაკები, მაგალითად, ბირთვი–გარსის სტრუქტურის ნანოსფეროები და კომპოზიტები.
ჰიდროქსიაპატიტი: მრავალმხრივი გამოყენების მინერალი
მედიცინაში, ნანოსტრუქტურული ფოროვანი HAp არის საინტერესო მასალა ხელოვნური ძვლის გამოყენებისთვის. კარგი ბიოთავსებადობის გამო ძვალთან კონტაქტში და ძვლის მასალასთან ქიმიური შემადგენლობის მსგავსების გამო, ფოროვანი HAp კერამიკა ფართოდ გამოიყენება ბიომედიცინურ აპლიკაციებში, მათ შორის ძვლის ქსოვილის რეგენერაციაში, უჯრედული პროლიფერაციასა და წამლის მიწოდებაში.
„ძვლის ქსოვილის ინჟინერიაში ის გამოიყენება ძვლის დეფექტების შესავსებად და ძვლის მოცულობის გასაზრდელად, ხელოვნურ ძვლოვან ტრანსპლანტატად და პროთეზის რევიზიულ ქირურგიაში. მისი ზედაპირის დიდი ფართობი უზრუნველყოფს შესანიშნავ ოსტეოკონდუქციულობასა და რეზორბციის უნარს, რაც ხელს უწყობს ძვლის სწრაფ ჩაზრდას.“ [Soypan et al. 2007] ამიტომ, ბევრი თანამედროვე იმპლანტი მოპირკეთებულია ჰიდროქსილაპატიტით.
მიკროკრისტალური ჰიდროქსილაპატიტის კიდევ ერთი პერსპექტიული გამოყენებაა მისი გამოყენება „ძვლის წარმომქმნელ“ დანამატად, რომელიც კალციუმთან შედარებით უკეთ შეიწოვება.
ძვლისა და კბილების აღსადგენ მასალად გამოყენების გარდა, HAp გამოიყენება კატალიზში, სასუქების წარმოებაში, ფარმაცევტული პროდუქტების კომპონენტად, ცილების ქრომატოგრაფიაში და წყლის დამუშავების პროცესებში.
მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა: ეფექტები და ზემოქმედება
როდესაც ეს ექსტრემალური ძალები, რომლებიც გენერირდება კავიტაციის ბუშტუკების კოლაფსის დროს, ვრცელდება ულტრაბგერით დამუშავებულ გარემოში, ნაწილაკები და წვეთები განიცდიან გავლენას – რის შედეგადაც ხდება ნაწილაკთაშორისი შეჯახება, რაც იწვევს მყარი სხეულის დაშლას. ამ გზით მიიღწევა ნაწილაკების ზომის შემცირება, როგორიცაა დაფქვა, დეაგლომერაცია და დისპერსია. ნაწილაკები შეიძლება შემცირდეს სუბმიკრონულ და ნანო ზომამდე.
მექანიკური ეფექტების გარდა, ძლიერმა ულტრაბგერითმა დამუშავებამ შეიძლება წარმოქმნას თავისუფალი რადიკალები, გახლიჩოს მოლეკულები და გაააქტიუროს ნაწილაკების ზედაპირები. ეს ფენომენი ცნობილია როგორც სონოქიმია.
სონო-სინთეზი
სუსპენზიის ულტრაბგერითი დამუშავება წარმოქმნის ძალიან წვრილ, თანაბრად განაწილებულ ნაწილაკებს, რის შედეგადაც ნალექის წარმოქმნისთვის მეტი კრისტალიზაციის ცენტრი იქმნება.
ულტრაბგერითი სინთეზის პირობებში მიღებული HAp ნაწილაკები ავლენენ აგლომერაციის შემცირებულ დონეს. ულტრაბგერითი სინთეზის დროს მიღებული HAp-ის აგლომერაციის უფრო დაბალი ტენდენცია დადასტურდა, მაგალითად, Poinern et al. (2009)-ის FESEM (ველის ემისიური სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპია) ანალიზით.
ულტრაბგერა ხელს უწყობს და აჩქარებს ქიმიურ რეაქციებს ულტრაბგერითი კავიტაციისა და მისი ფიზიკური ეფექტების მეშვეობით, რომლებიც პირდაპირ გავლენას ახდენენ ნაწილაკების მორფოლოგიაზე ზრდის ფაზის დროს. ულტრაბგერითი დამუშავების ძირითადი სარგებელი, რომელიც უზრუნველყოფს უწვრილესი რეაქციული ნარევების მომზადებას, არის
- 1) რეაქციის სიჩქარის ზრდა,
- 2) დამუშავების დროის შემცირება
- 3) ენერგიის ეფექტური გამოყენების საერთო გაუმჯობესება.
Poinern et al. (2011) შეიმუშავეს სველქიმიური მეთოდი, რომელიც იყენებს კალციუმის ნიტრატის ტეტრაჰიდრატს (Ca[NO3]2 · 4H2O) და კალიუმის დიჰიდროგენფოსფატს (KH2PO4) როგორც ძირითად რეაგენტებს. სინთეზის დროს pH მნიშვნელობის კონტროლისთვის, დამატებული იქნა ამონიუმის ჰიდროქსიდი (NH4OH).
ულტრაბგერითი პროცესორი იყო UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 სონოტროდი 7 mm დიამეტრით) Hielscher Ultrasonics-ისგან.
ულტრაბგერითი დამუშავებით შემცირებული და დისპერგირებული კალციუმ-ჰიდროქსიაპატიტი
ნანო-HAP სინთეზის ნაბიჯები:
პატარა ჭურჭელში მომზადდა 40 mL 0,32M Ca(NO3)2 · 4H2O ხსნარი. ხსნარის pH შემდეგ დაყენდა 9,0-მდე დაახლოებით 2,5mL NH4OH-ის გამოყენებით. ხსნარი დამუშავდა UP50H მოწყობილობით, 100% ამპლიტუდაზე, 1 საათის განმავლობაში.
პირველი საათის ბოლოს, 60 mL 0,19M [KH2PO4] ხსნარი ნელა და წვეთ-წვეთად დაემატა პირველ ხსნარს, რომელიც ამავდროულად მეორე საათის განმავლობაში ულტრაბგერით დასხივებას ექვემდებარებოდა. შერევის პროცესის დროს pH მნიშვნელობა მოწმდებოდა და შენარჩუნებული იყო 9-ზე, ხოლო Ca/P თანაფარდობა შენარჩუნდა 1,67-ზე. ხსნარი შემდეგ გაიფილტრა ცენტრიფუგირების გამოყენებით (~2000 g), რის შემდეგაც მიღებული თეთრი ნალექი გადანაწილდა რამდენიმე ნიმუშად თერმული დამუშავებისთვის.
თერმულ დამუშავებამდე სინთეზის პროცესში ულტრაბგერის გამოყენება მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს ნანო-HAP ნაწილაკების საწყისი წინამორბედების ფორმირებაზე. ეს განპირობებულია იმით, რომ ნაწილაკების ზომა დაკავშირებულია კრისტალიზაციის ცენტრების წარმოქმნასა და მასალის ზრდის ხასიათთან, რაც, თავის მხრივ, თხევადი ფაზის ზეგაჯერების ხარისხზეა დამოკიდებული.
გარდა ამისა, ამ სინთეზის პროცესში შესაძლებელია პირდაპირი გავლენის მოხდენა როგორც ნაწილაკების ზომაზე, ისე მათ მორფოლოგიაზე. ულტრაბგერითი სიმძლავრის 0-დან 50W-მდე გაზრდამ აჩვენა, რომ შესაძლებელი იყო ნაწილაკების ზომის შემცირება თერმულ დამუშავებამდე.
სითხის დასასხივებლად გამოყენებული ულტრაბგერითი სიმძლავრის ზრდა მიუთითებდა იმაზე, რომ მეტი ბუშტუკი და კავიტაციური ღრუ წარმოიქმნებოდა. ეს, თავის მხრივ, მეტ კრისტალიზაციის ცენტრს ქმნიდა და, შედეგად, ამ ცენტრების გარშემო წარმოქმნილი ნაწილაკები უფრო მცირე ზომის იყო. გარდა ამისა, ნაწილაკები, რომლებიც უფრო ხანგრძლივად ექვემდებარებოდნენ ულტრაბგერით დასხივებას, ნაკლებ აგლომერაციას ავლენდნენ. შემდგომმა FESEM მონაცემებმა დაადასტურა ნაწილაკების აგლომერაციის შემცირება სინთეზის პროცესში ულტრაბგერის გამოყენებისას.
ნანომეტრული ზომის დიაპაზონისა და სფერული მორფოლოგიის მქონე ნანო-HAp ნაწილაკები მიღებულ იქნა სველი ქიმიური დალექვის მეთოდით, ულტრაბგერის თანაობისას. დადგინდა, რომ მიღებული ნანო-HAP ფხვნილების კრისტალური სტრუქტურა და მორფოლოგია დამოკიდებული იყო ულტრაბგერითი გამოსხივების წყაროს სიმძლავრესა და შემდგომ გამოყენებულ თერმულ დამუშავებაზე. აშკარა იყო, რომ სინთეზის პროცესში ულტრაბგერის გამოყენება ხელს უწყობდა ქიმიურ რეაქციებსა და ფიზიკურ ეფექტებს, რომელთა შედეგადაც თერმული დამუშავების შემდეგ ულტრაწვრილი ნანო-HAp ფხვნილები მიიღებოდა.
ულტრაბგერითი დამუშავება ულტრაბგერითი რეაქტორის კამერაში
- ძირითადი არაორგანული კალციუმის ფოსფატის მინერალი
- მაღალი ბიოთავსებადობა
- ნელი ბიოდეგრადირებადობა
- ოსტეოკონდუქციული
- არატოქსიკური
- არაიმუნოგენური
- შეიძლება გაერთიანდეს პოლიმერებთან და/ან მინასთან
- კარგი აბსორბციული სტრუქტურული მატრიცა სხვა მოლეკულებისთვის
- ძვლის შესანიშნავი შემცვლელი
ზონდური ტიპის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი UP50H
HAp-ის სინთეზი ულტრაბგერითი ზოლ-გელ მეთოდით
ულტრაბგერით ხელშეწყობილი ზოლ-გელ მეთოდი ნანოსტრუქტურული HAp ნაწილაკების სინთეზისთვის:
მასალა:
– რეაგენტები: კალციუმის ნიტრატი Ca(NO3)2, დი-ამონიუმის ჰიდროგენფოსფატი (NH4)2HPO4, ნატრიუმის ჰიდროქსიდი NaOH;
– 25 ml საცდელი სინჯარა
- გახსენით Ca(NO3)2 და (NH4)2HPO4 დისტილირებულ წყალში (კალციუმისა და ფოსფორის მოლური თანაფარდობა: 1,67)
- ხსნარს დაამატეთ მცირე რაოდენობით NaOH, რათა მისი pH დაახლოებით 10-ზე შეინარჩუნოთ.
- ულტრაბგერითი დამუშავება მოწყობილობით UP100H (სონოტროდი MS10, ამპლიტუდა 100%)
- ჰიდროთერმული სინთეზები ჩატარდა 150°C-ზე 24 საათის განმავლობაში ელექტრო ღუმელში.
- რეაქციის შემდეგ, კრისტალური HAp შეიძლება მიღებულ იქნას ცენტრიფუგირებით და დეიონიზებული წყლით რეცხვით.
- მიღებული HAp ნანოფხვნილის ანალიზი მიკროსკოპიით (SEM, TEM,) და/ ან სპექტროსკოპიით (FT-IR). სინთეზებული HAp ნანონაწილაკები აჩვენებენ მაღალ კრისტალურობას. ულტრაბგერითი დამუშავების დროის მიხედვით შეიძლება დაფიქსირდეს განსხვავებული მორფოლოგია. უფრო ხანგრძლივმა ულტრაბგერითმა დამუშავებამ შეიძლება გამოიწვიოს ერთგვაროვანი HAp ნანოღეროების მიღება მაღალი ასპექტური თანაფარდობითა და ულტრა-მაღალი კრისტალურობით. [იხ. Manafi et al. 2008]
HAp-ის მოდიფიკაცია
მისი მტვრევადობის გამო, სუფთა HAp-ის გამოყენება შეზღუდულია. მასალათა კვლევაში, HAp-ის პოლიმერებით მოდიფიცირებისთვის ბევრი ძალისხმევა იყო გაწეული, რადგან ბუნებრივი ძვალი არის კომპოზიტი, რომელიც ძირითადად შედგება ნანოზომიერი, ნემსისებრი HAp კრისტალებისგან (შეადგენს ძვლის დაახლოებით 65wt%-ს). HAp-ის ულტრაბგერითი დამუშავებით დახმარებული მოდიფიკაცია და გაუმჯობესებული მასალური მახასიათებლების მქონე კომპოზიტების სინთეზი გთავაზობთ მრავალფეროვან შესაძლებლობებს (იხ. რამდენიმე მაგალითი ქვემოთ).
პრაქტიკული მაგალითები:
ნანო-HAp-ის სინთეზი
ჟელატინ-ჰიდროქსიაპატიტის (Gel-HAp) სინთეზი
მთლიანი ხსნარი ულტრაბგერით დამუშავდა 1h განმავლობაში. pH-ის მნიშვნელობა მუდმივად მოწმდებოდა და ნარჩუნდებოდა pH 9-ზე, ხოლო Ca/P თანაფარდობა დარეგულირდა 1,67-მდე. თეთრი ნალექი ცენტრიფუგირებით გამოიყო, რის შედეგადაც მიღებულ იქნა სქელი სუსპენზია. სხვადასხვა ნიმუში თერმულად დამუშავდა მილისებრ ღუმელში 2h განმავლობაში 100, 200, 300 და 400°C ტემპერატურებზე. შედეგად მიღებულ იქნა გრანულოვანი Gel–HAp ფხვნილი, რომელიც წვრილ ფხვნილად დაფქვეს და დაახასიათეს XRD, FE-SEM და FT-IR მეთოდებით. შედეგები აჩვენებს, რომ რბილი ულტრაბგერითი დამუშავება და ჟელატინის არსებობა HAp-ის ზრდის ფაზაში ამცირებს ადჰეზიას – შედეგად წარმოიქმნება უფრო მცირე ზომის, რეგულარული სფერული ფორმის Gel–HAp ნანონაწილაკები. რბილი ულტრაბგერითი დამუშავება ულტრაბგერითი ჰომოგენიზაციის ეფექტების მეშვეობით ხელს უწყობს ნანოზომის Gel–HAp ნაწილაკების სინთეზს. ჟელატინის ამიდური და კარბონილური ჯგუფები შემდგომში, ზრდის ფაზაში, სონოქიმიურად ხელშეწყობილი ურთიერთქმედების გზით უკავშირდება HAp ნანონაწილაკებს.
[Brundavanam et al. 2011]
HAp-ის დაფენა ტიტანის ფირფიტებზე
ვერცხლით დაფარული HAp
მაგნიტური სარევისა და ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორის UP400S კომპლექტი გამოყენებულ იქნა ვერცხლით დაფარული HAp-ის მოსამზადებლად [Ignatev et al 2013]
ჩვენი მძლავრი ულტრაბგერითი აპარატები საიმედო ინსტრუმენტებია ნაწილაკების დამუშავებისთვის სუბმიკრონულ და ნანომეტრულ ზომის დიაპაზონში. მიუხედავად იმისა, გსურთ ნაწილაკების სინთეზი, დისპერსია ან ფუნქციონალიზაცია პატარა სინჯარებში სამეცნიერო მიზნებისთვის, თუ გჭირდებათ ნანოფხვნილის სუსპენზიის დიდი მოცულობების დამუშავება კომერციული წარმოებისთვის – Hielscher გთავაზობთ შესაბამის ულტრაბგერით აპარატს თქვენი მოთხოვნებისთვის!
ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი UP400S
ლიტერატურა/წყაროები
- ბრუნდავანამი, RK; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; ლე, X.-T.; მონდინოსი, ნ. ფოსეტი, დ. Poinern, GEJ (2011): განზავებული ჟელატინის ეფექტი ნანო ჰიდროქსიაპატიტის ულტრაბგერითი თერმულად დამხმარე სინთეზზე. ულტრაბგერითი. სონოჩემი. 18, 2011. 697-703.
- ჩენგიზი, ბ. გოკჩე, ი. ილდიზი, ნ. აქთასი, ზ. Calimli, A. (2008): ჰიდროიაპატიტის ნანონაწილაკების სინთეზი და დახასიათება. კოლოიდები და ზედაპირები A: ფიზიკოქიმია. ინჟ. ასპექტები 322; 2008. 29-33.
- იგნატევი, მ. რიბაკი, თ. კოლონგესი, გ. შარფი, ვ. Marke, S. (2013): პლაზმური შესხურებით მიღებული ჰიდროქსიაპატიტის საფარები ვერცხლის ნანონაწილაკებით. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
- იევტიჩა, მ. რადულოვიჩი, ა. იგნიატოვიჩა, ნ. მიტრიჩბი, მ. Uskoković, D. (2009): პოლი(d,l-ლაქტიდ-კო-გლიკოლიდი)/ჰიდროქსიაპატიტის ბირთვი-გარსის ნანოსფეროების კონტროლირებადი შეკრება ულტრაბგერითი დასხივების ქვეშ. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
- Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): მსხვილფეხა რქოსანი პირუტყვის ძვლისგან ჰიდროქსიაპატიტის მიღება ულტრაბგერითი დამუშავებისა და გაფრქვევით შრობის მეთოდების კომბინაციით. Intl. Conf. on Chemical, Bio-Chemical and Environmental Sciences (ICBEE’2012) Singapore, December 14-15, 2012.
- მანაფი, ს. Badiee, SH (2008): ულტრაბგერითი ეფექტი ნანო-ჰიდროქსიაპატიტის კრისტალურობაზე სველი ქიმიური მეთოდით. Ir J Pharma Sci 4/2; 2008. 163-168
- ოჟუკილ კოლათა, ვ. ჩენც, ქ. კლოსეტბი, რ. ლუიტენა, ჯ. ტრეინაბი, კ. მულენსა, ს. ბოკაჩინიკი, AR; Clootsb, R. (2013): AC vs. DC ელექტროფორეზული დეპონირება ჰიდროქსიაპატიტის ტიტანზე. ევროპის კერამიკული საზოგადოების ჟურნალი 33; 2013. 2715–2721 წწ.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): ჰიდროქსიაპატიტის 30 nm ზომის ნაწილაკების ფხვნილისგან მიღებული ფოროვანი კერამიკის მექანიკური თვისებები მყარი ქსოვილის ინჟინერიაში შესაძლო გამოყენებისთვის. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278-286.
- პოინერნი, GJE; ბრუნდავანამ, რ. თი ლე, X. ჯორჯევიჩი, ს. პროკიჩი, მ. Fawcett, D. (2011): თერმული და ულტრაბგერითი გავლენა ნანომეტრული ზომის ჰიდროქსიაპატიტის ბიოკერამიკის ფორმირებაზე. ნანომედიცინის საერთაშორისო ჟურნალი 6; 2011. 2083–2095.
- პოინერნი, GJE; ბრუნდავანამი, RK; მონდინოსი, ნ. Jiang, Z.-T. (2009): ნანოჰიდროქსიაპატიტის სინთეზი და დახასიათება ულტრაბგერითი დამხმარე მეთოდის გამოყენებით. ულტრაბგერითი სონოქიმია, 16 /4; 2009. 469- 474.
- სოიპანი, ი. მელი, მ. რამეში, ს. Khalid, KA: (2007): ფოროვანი ჰიდროქსიაპატიტი ხელოვნური ძვლის გამოყენებისთვის. მოწინავე მასალების მეცნიერება და ტექნოლოგია 8. 2007. 116.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.
ულტრაბგერითი აპარატი UIP1500hd გამტარ რეაქტორთან ერთად