ნანო-ჰიდროქსიაპატიტის სონო-სინთეზი
ჰიდროქსიაპატიტი (HA ან HAp) არის ძალიან პოპულარული ბიოაქტიური კერამიკა სამედიცინო მიზნებისთვის, ძვლის მასალის მსგავსი სტრუქტურის გამო. ჰიდროქსიაპატიტის ულტრაბგერითი დახმარებით სინთეზი (სონოსინთეზი) არის წარმატებული ტექნიკა ნანოსტრუქტურული HAp-ის წარმოებისთვის უმაღლესი ხარისხის სტანდარტებით. ულტრაბგერითი მარშრუტი საშუალებას იძლევა წარმოქმნას ნანოკრისტალური HAp, ისევე როგორც მოდიფიცირებული ნაწილაკები, მაგ. ბირთვის-გარსის ნანოსფეროები და კომპოზიტები.
ჰიდროქსიაპატიტი: მრავალმხრივი მინერალი
მედიცინაში, ნანოსტრუქტურული ფოროვანი HAp არის საინტერესო მასალა ხელოვნური ძვლის გამოსაყენებლად. ძვლის კონტაქტში კარგი ბიოთავსებადობისა და ძვლოვანი მასალის მსგავსი ქიმიური შემადგენლობის გამო, ფოროვანმა HAp კერამიკას უზარმაზარი გამოყენება ჰპოვა ბიოსამედიცინო პროგრამებში, მათ შორის ძვლის ქსოვილის რეგენერაციაში, უჯრედების გამრავლებასა და წამლების მიწოდებაში.
„ძვლოვანი ქსოვილის ინჟინერიაში იგი გამოიყენება როგორც შემავსებელი მასალა ძვლის დეფექტებისა და აუგმენტაციისთვის, ხელოვნური ძვლის გადანერგვის მასალად და პროთეზის რევიზიის ქირურგიაში. მისი მაღალი ზედაპირის ფართობი იწვევს შესანიშნავ ოსტეოგამტარობას და რეზორბციულობას, რაც უზრუნველყოფს ძვლის სწრაფ ზრდას.“ [Soypan et al. 2007] ასე რომ, ბევრი თანამედროვე იმპლანტი დაფარულია ჰიდროქსილაპატიტით.
მიკროკრისტალური ჰიდროქსილაპატიტის კიდევ ერთი პერსპექტიული გამოყენებაა მისი გამოყენება როგორც “ძვლის აღმშენებლობა” დანამატი უმაღლესი შეწოვით კალციუმთან შედარებით.
ძვლებისა და კბილების აღდგენის მასალად გამოყენების გარდა, HAp-ის სხვა გამოყენება შეიძლება მოიძებნოს კატალიზში, სასუქის წარმოებაში, როგორც ნაერთში ფარმაცევტულ პროდუქტებში, ცილის ქრომატოგრაფიის აპლიკაციებში და წყლის დამუშავების პროცესებში.
დენის ულტრაბგერა: ეფექტები და ზემოქმედება
როდესაც ეს ექსტრემალური ძალები, რომლებიც წარმოიქმნება კავიტაციის ბუშტების კოლაფსის დროს, გაფართოვდება გაჟღენთილ გარემოში, ნაწილაკები და წვეთები ზემოქმედებენ. – შედეგად ხდება ნაწილაკთა შეჯახება ისე, რომ მყარი დაიმსხვრევა. ამრიგად, მიიღწევა ნაწილაკების ზომის შემცირება, როგორიცაა დაფქვა, დეაგლომერაცია და დისპერსია. ნაწილაკები შეიძლება დაიწიოს სუბმიკრონულ და ნანო ზომამდე.
გარდა მექანიკური ეფექტებისა, მძლავრ სონიკას შეუძლია შექმნას თავისუფალი რადიკალები, მოლეკულების გათიშვა და ნაწილაკების ზედაპირების გააქტიურება. ეს ფენომენი ცნობილია როგორც სონოქიმია.
სონო-სინთეზი
ნალექის ულტრაბგერითი დამუშავება იწვევს ძალიან წვრილ ნაწილაკებს თანაბარი განაწილებით ისე, რომ იქმნება მეტი ნუკლეაციის ადგილები ნალექისთვის.
ულტრაბგერითი მოქმედების ქვეშ სინთეზირებული HAp ნაწილაკები აჩვენებენ აგლომერაციის დაქვეითებულ დონეს. ულტრაბგერითი სინთეზირებული HAp-ის აგლომერაციის დაბალი ტენდენცია დადასტურდა მაგ. FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) ანალიზით Poinern et al. (2009).
ულტრაბგერა ხელს უწყობს და ხელს უწყობს ქიმიურ რეაქციებს ულტრაბგერითი კავიტაციის და მისი ფიზიკური ეფექტების საშუალებით, რაც პირდაპირ გავლენას ახდენს ნაწილაკების მორფოლოგიაზე ზრდის ფაზაში. ულტრაბგერითი დამუშავების ძირითადი სარგებელი, რომელიც წარმოიქმნება ზეწვრილი რეაქციის ნარევების მომზადების შედეგად, არის
- 1) გაზრდილი რეაქციის სიჩქარე,
- 2) შემცირდა დამუშავების დრო
- 3) ენერგიის ეფექტური გამოყენების საერთო გაუმჯობესება.
პოინერნი და სხვ. (2011) შეიმუშავეს სველ-ქიმიური მარშრუტი, რომელიც იყენებს კალციუმის ნიტრატის ტეტრაჰიდრატს (Ca[NO3]2 · 4H2O) და კალიუმის დიჰიდროფოსფატს (KH2PO4), როგორც მთავარ რეაგენტებს. სინთეზის დროს pH მნიშვნელობის კონტროლისთვის დაემატა ამონიუმის ჰიდროქსიდი (NH4OH).
ულტრაბგერითი პროცესორი იყო UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode w/ 7 mm დიამეტრი) Hielscher Ultrasonics-ისგან.
ნანო-HAP სინთეზის ეტაპები:
40 მლ ხსნარი 0.32 მ Ca (NO3)2 · 4 სთ2O მომზადდა პატარა ჭიქაში. შემდეგ ხსნარის pH დარეგულირდა 9.0-მდე დაახლოებით 2.5 მლ NH-ით4ოჰ. ხსნარი იყო გაჟღენთილი UP50H 100% ამპლიტუდის პარამეტრზე 1 საათის განმავლობაში.
პირველი საათის ბოლოს 60 მლ ხსნარი 0,19 მ [KH2PO4] შემდეგ ნელა დაემატა წვეთობრივად პირველ ხსნარში ულტრაბგერითი დასხივების მეორე საათის გავლისას. შერევის პროცესში, pH-ის მნიშვნელობა შემოწმდა და შენარჩუნდა 9-ზე, ხოლო Ca/P თანაფარდობა შენარჩუნებული იყო 1,67-ზე. შემდეგ ხსნარი გაფილტრული იქნა ცენტრიფუგაციის გამოყენებით (~ 2000 გ), რის შემდეგაც მიღებული თეთრი ნალექი პროპორციული იყო რამდენიმე ნიმუშში თერმული დამუშავებისთვის.
თერმული დამუშავების დაწყებამდე სინთეზის პროცედურაში ულტრაბგერის არსებობა მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს საწყისი ნანო-HAP ნაწილაკების წინამორბედების ფორმირებაზე. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ნაწილაკების ზომა დაკავშირებულია ნუკლეაციასთან და მასალის ზრდის შაბლონთან, რაც, თავის მხრივ, დაკავშირებულია სუპერ გაჯერების ხარისხთან თხევადი ფაზაში.
გარდა ამისა, ნაწილაკების ზომაზე და მის მორფოლოგიაზე შეიძლება პირდაპირ გავლენა იქონიოს ამ სინთეზის პროცესში. ულტრაბგერითი სიმძლავრის 0-დან 50 ვტ-მდე გაზრდის ეფექტმა აჩვენა, რომ შესაძლებელი იყო ნაწილაკების ზომის შემცირება თერმული დამუშავებამდე.
მზარდი ულტრაბგერითი სიმძლავრე, რომელიც გამოიყენება სითხის დასხივებისთვის, მიუთითებს იმაზე, რომ წარმოიქმნებოდა უფრო მეტი რაოდენობის ბუშტები/კავიტაციები. ამან, თავის მხრივ, წარმოქმნა უფრო მეტი ნუკლეაციის ადგილი და შედეგად, ამ ადგილების ირგვლივ წარმოქმნილი ნაწილაკები უფრო მცირეა. გარდა ამისა, ნაწილაკები, რომლებიც ექვემდებარება ულტრაბგერითი დასხივების უფრო მეტ პერიოდს, აჩვენებს ნაკლებ აგლომერაციას. FESEM-ის შემდგომმა მონაცემებმა დაადასტურა ნაწილაკების შემცირებული აგლომერაცია, როდესაც ულტრაბგერითი გამოიყენება სინთეზის პროცესში.
ნანო-HAp ნაწილაკები ნანომეტრის ზომის დიაპაზონში და სფერულ მორფოლოგიაში წარმოიქმნა სველი ქიმიური ნალექების ტექნიკის გამოყენებით ულტრაბგერის თანდასწრებით. აღმოჩნდა, რომ მიღებული ნანო-HAP ფხვნილების კრისტალური სტრუქტურა და მორფოლოგია დამოკიდებული იყო ულტრაბგერითი დასხივების წყაროს ძალაზე და შემდგომ გამოყენებულ თერმულ მკურნალობაზე. აშკარა იყო, რომ ულტრაბგერის არსებობა სინთეზის პროცესში ხელს უწყობს ქიმიურ რეაქციებს და ფიზიკურ ეფექტებს, რომლებიც შემდგომში თერმული დამუშავების შემდეგ წარმოქმნიან ულტრა წვრილ ნანო-HAp ფხვნილებს.
- მთავარი არაორგანული კალციუმის ფოსფატი მინერალი
- მაღალი ბიოთავსებადობა
- ნელი ბიოდეგრადირება
- ოსტეოგამტარი
- Არატოქსიკური
- არაიმუნოგენური
- შეიძლება კომბინირებული იყოს პოლიმერებთან და/ან მინასთან
- კარგი შთანთქმის სტრუქტურის მატრიცა სხვა მოლეკულებისთვის
- შესანიშნავი ძვლის შემცვლელი

ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი UP50H
HAp სინთეზი ულტრაბგერითი Sol-Gel მარშრუტით
ულტრაბგერითი დამხმარე sol-gel მარშრუტი ნანოსტრუქტურირებული HAp ნაწილაკების სინთეზისთვის:
მასალა:
– რეაგენტები: კალციუმის ნიტრატი Ca (NO3)2დი-ამონიუმის წყალბადოფოსფატი (NH4)2HPO4ნატრიუმის ჰიდროქსიდი NaOH;
– 25 მლ სინჯარა
- დაითხოვოს Ca (NO3)2 და (NH4)2HPO4 გამოხდილ წყალში (კალციუმის და ფოსფორის მოლური თანაფარდობა: 1,67)
- დაამატეთ ცოტა NaOH ხსნარში, რათა შეინარჩუნოს მისი pH დაახლოებით 10.
- ულტრაბგერითი მკურნალობა ა UP100H (სონოტროდი MS10, ამპლიტუდა 100%)
- ჰიდროთერმული სინთეზები ჩატარდა 150°C-ზე 24 საათის განმავლობაში ელექტრო ღუმელში.
- რეაქციის შემდეგ, კრისტალური HAp შეიძლება შეგროვდეს ცენტრიფუგირებით და დეიონიზებული წყლით გარეცხვით.
- მიღებული HAp ნანოფხვნილის ანალიზი მიკროსკოპით (SEM, TEM,) და/ან სპექტროსკოპიით (FT-IR). სინთეზირებული HAp ნანონაწილაკები აჩვენებენ მაღალ კრისტალურობას. სხვადასხვა მორფოლოგია შეიძლება დაფიქსირდეს სონიკაციის დროის მიხედვით. უფრო ხანგრძლივმა ჟღერადობამ შეიძლება გამოიწვიოს ერთიანი HAp ნანოროლები მაღალი ასპექტის თანაფარდობით და ულტრა მაღალი კრისტალურობით. [cp. მანაფი და სხვ. 2008]
HAp-ის მოდიფიკაცია
მისი მტვრევადობის გამო, სუფთა HAp-ის გამოყენება შეზღუდულია. მატერიალური კვლევისას, მრავალი ძალისხმევა გაკეთდა HAp-ის პოლიმერებით მოდიფიცირებისთვის, რადგან ბუნებრივი ძვალი არის კომპოზიტი, რომელიც ძირითადად შედგება ნანო ზომის, ნემსისმაგვარი HAp კრისტალებისაგან (შეადგენს ძვლის დაახლოებით 65% წონას). HAp-ის ულტრაბგერითი დახმარებით მოდიფიკაცია და კომპოზიტების სინთეზი გაუმჯობესებული მატერიალური მახასიათებლებით მრავალ შესაძლებლობებს გვთავაზობს (იხილეთ რამდენიმე მაგალითი ქვემოთ).
პრაქტიკული მაგალითები:
ნანო-HAp-ის სინთეზი
ჟელანტინი-ჰიდროქსიაპატიტის სინთეზი (Gel-HAp)
მთლიანი ხსნარი გაჟღენთილია 1 საათის განმავლობაში. pH-ის მნიშვნელობა შემოწმდა და შენარჩუნებული იყო pH 9-ზე ყოველთვის და Ca/P თანაფარდობა მორგებული იყო 1,67-მდე. თეთრი ნალექის ფილტრაცია მიიღწევა ცენტრიფუგირებით, რის შედეგადაც სქელი ნალექი იყო. სხვადასხვა ნიმუშები თბოდამუშავებული იყო მილის ღუმელში 2 საათის განმავლობაში 100, 200, 300 და 400°C ტემპერატურაზე. ამგვარად, მიიღეს გელ–HAp ფხვნილი მარცვლოვანი სახით, რომელიც დაფქვა წვრილ ფხვნილამდე და ხასიათდება XRD, FE-SEM და FT-IR. შედეგები აჩვენებს, რომ რბილი ულტრაბგერითი და ჟელატინის არსებობა HAp-ის ზრდის ფაზაში ხელს უწყობს დაბალ ადჰეზიას – რითაც იწვევს გელ–HAp ნანონაწილაკების უფრო პატარა და რეგულარულ სფერულ ფორმას. რბილი სონიკა ხელს უწყობს ნანო ზომის გელ-HAp ნაწილაკების სინთეზს ულტრაბგერითი ჰომოგენიზაციის ეფექტის გამო. ჟელატინიდან ამიდი და კარბონილის სახეობები შემდგომში ემაგრება HAp ნანონაწილაკებს ზრდის ფაზაში სონოქიმიურად დამხმარე ურთიერთქმედებით.
[ბრუნდავანამ და სხვ. 2011]
HAp-ის დეპონირება ტიტანის თრომბოციტებზე
ვერცხლის დაფარული HAp

მაგნიტური შემრევი და ულტრაბგერითი დაყენება UP400S გამოიყენებოდა ვერცხლით დაფარული Hap-ის მოსამზადებლად [Ignatev et al 2013]
ჩვენი მძლავრი ულტრაბგერითი მოწყობილობები საიმედო ხელსაწყოებია ნაწილაკების დასამუშავებლად ქვემიკრონის და ნანო ზომის დიაპაზონში. გსურთ თუ არა ნაწილაკების სინთეზირება, დაშლა ან ფუნქციონირება მცირე მილებში კვლევის მიზნით, ან გჭირდებათ ნანო-ფხვნილის დიდი მოცულობის დამუშავება კომერციული წარმოებისთვის – Hielscher გთავაზობთ შესაბამის ულტრაბგერას თქვენი მოთხოვნებისთვის!

ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი UP400S
ლიტერატურა/ცნობარი
- 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 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-l-lactide-co-glycolide)/ჰიდროქსიაპატიტის ბირთვი-გარსის ნანოსფეროების კონტროლირებადი შეკრება ულტრაბგერითი დასხივების ქვეშ. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
- კუსრინი, ე. პუჯიასტუტი, AR; ასტუტინინგიჰ, ს. Harjanto, S. (2012): ძროხის ძვლის ჰიდროქსიაპატიტის მომზადება ულტრაბგერითი და სპრეით გაშრობის კომბინირებული მეთოდებით. საერთაშორისო კონფ. ქიმიის, ბიოქიმიური და გარემოსდაცვითი მეცნიერებების შესახებ (ICBEE'2012) სინგაპური, 14-15 დეკემბერი, 2012 წ.
- 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.
- პოინერნი, GEJ; ბრუნდავანამი, RK; თი ლე, X. Fawcett, D. (2012): ფოროვანი კერამიკის მექანიკური თვისებები, მიღებული ჰიდროქსიაპატიტის 30 ნმ ზომის ნაწილაკებზე დაფუძნებული ფხვნილიდან მძიმე ქსოვილის საინჟინრო 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 ნანომეტრის მასშტაბის ჰიდროქსიაპატიტის ბიოკერამიკის ფორმირებაში. ნანომედიცინის საერთაშორისო ჟურნალი 6; 2011. 2083–2095 წწ.
- 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, KS (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; მე-4 რედ. ჯ.უილი & შვილები: ნიუ-იორკი, ტ. 26, 1998. 517-541.

ულტრაბგერითი მოწყობილობა UIP1500hd დინების რეაქტორით