Sono-Synthese vum Nano-Hydroxyapatit

Hydroxyapatit (HA oder HAp) ass eng héich heefeg bioaktiv Keramik fir medizinesch Zwecker wéinst senger ähnlecher Struktur wéi Knochenmaterial. D'Ultraschall assistéiert Synthese (Sono-Synthese) vun Hydroxyapatit ass eng erfollegräich Technik fir nanostrukturéiert HAp op héchste Qualitéitsnormen ze produzéieren. D'Ultraschallroute erlaabt Nano-kristallin HAp wéi och modifizéiert Partikelen ze produzéieren, zB Kär-Schuel Nanosphären, a Kompositen.

Hydroxyapatit: e versatile Mineral

Hydroxylapatit oder Hydroxyapatit (HAp, och HA) ass eng natierlech optriedend Mineralform vu Kalziumapatit mat der Formel Ca₅(PO₄)₃(OH). Fir ze bezeechnen datt d'Kristalleenheetszell zwee Entitéiten enthält, gëtt et normalerweis Ca geschriwwen₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Hydroxylapatit ass den Hydroxyl Endmember vun der komplexer Apatitgrupp. Den OH-Ion kann duerch Fluorid, Chlorid oder Karbonat ersat ginn, a produzéiert Fluorapatit oder Chlorapatit. Et kristalliséiert am sechseckegen Kristallsystem. HAp ass bekannt als Schankenmaterial well bis zu 50 wt% vum Knach eng modifizéiert Form vun Hydroxyapatit ass.
An der Medizin ass nanostrukturéiert porös HAp en interessant Material fir kënschtlech Knochenapplikatioun. Wéinst senger gudder Biokompatibilitéit am Schankenkontakt a senger ähnlecher chemescher Zesummesetzung zum Knochenmaterial huet porös HAp Keramik enorm Notzung a biomedizineschen Uwendungen fonnt, dorënner Knochengewebe Regeneratioun, Zellproliferatioun, an Drogen Liwwerung.
„In bone tissue engineering it has been applied as filling material for bone defects and augmentation, artificial bone graft material, and prosthesis revision surgery. Its high surface area leads to excellent osteoconductivity and resorbability providing fast bone ingrowth.” [Soypan et al. 2007] So, many modern implants are coated with hydroxylapatite.
Eng aner verspriechend Uwendung vu mikrokristallin Hydroxylapatit ass seng Notzung als “Schanken-Gebai” Ergänzung mat superior Absorptioun am Verglach zum Kalzium.
Nieft senger Notzung als Reparaturmaterial fir Schanken an Zänn, kënnen aner Uwendungen vun HAp an der Katalyse, Düngerproduktioun, als Verbindung a pharmazeuteschen Produkter, a Proteinchromatographie Uwendungen, a Waasserbehandlungsprozesser fonnt ginn.

Power Ultraschall: Effekter an Impakt

Sonication is described as a process where an acoustic field is used, which is coupled to a liquid medium. The ultrasound waves propagate in the liquid and produce alternating high pressure/ low pressure cycles (compression and rarefaction). During the rarefaction phase emerge small vacuum bubbles or voids in the liquid, which grow over various high pressure/ low pressure cycles until the bubble cannot absorb no more energy. At this phase, the bubbles implodes violently during a compression phase. During such bubble collapse a large amount of energy is released in form of a shock waves, high temperatures (approx. 5,000K) and pressures (approx. 2,000atm). Furthermore, these „hot spots” are characterized by very high cooling rates. The implosion of the bubble also results in liquid jets of up to 280m/s velocity. This phenomenon is termed cavitation.
Wann dës extrem Kräften, déi während dem Zesummebroch vun de Kavitatiounsblasen generéiert ginn, sech am sonicated Medium ausdehnen, ginn Partikelen an Drëpsen beaflosst – doraus zu interparticle Kollisioun sou datt de festen zerbriechen. Doduerch gëtt Partikelgréisst Reduktioun wéi Fräsen, Deagglomeratioun an Dispersioun erreecht. D'Partikel kënnen op submikron- an Nano-Gréisst diminutéiert ginn.
Nieft de mechanesche Effekter kann déi mächteg Sonikatioun fräi Radikale kreéieren, Moleküle schneiden an Partikeloberflächen aktivéieren. Dës Phänomen ass bekannt als Sonochemie.

Sono-Synthese

Eng Ultraschallbehandlung vun der Schlamm resultéiert a ganz feine Partikelen mat enger gläicher Verdeelung, sou datt méi Nukleatiounsplaze fir Nidderschlag erstallt ginn.
HAp Partikelen, déi ënner Ultraschall synthetiséiert ginn, weisen e reduzéierten Niveau vun der Agglomeratioun. Déi ënnescht Tendenz zu Agglomeratioun vun ultraschall synthetiséierte HAp gouf bestätegt zB duerch FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) Analyse vu Poinern et al. (2009).

Ultraschall hëlleft a fördert chemesch Reaktiounen duerch Ultraschallkavitatioun a seng physesch Effekter déi direkt Partikelmorphologie während der Wuesstumsphase beaflossen. D'Haaptvirdeeler vun der Ultraschall, déi d'Virbereedung vu superfeine Reaktiounsmëschungen entstinn, sinn

1) erhéicht Reaktiounsgeschwindegkeet,
2) reduzéiert Veraarbechtung Zäit
3) eng allgemeng Verbesserung vun der effizienter Energieverbrauch.

Poiner et al. (2011) entwéckelt eng naass-chemesch Streck déi Kalziumnitrattetrahydrat (Ca[NO3]2 · 4H2O) a Kaliumdihydrogenphosphat (KH2PO4) als Haaptreaktanten benotzt. Fir Kontroll vum pH-Wäert während der Synthese gouf Ammoniumhydroxid (NH4OH) derbäigesat.
Den Ultraschallprozessor war en UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode w/ 7 mm Duerchmiesser) vun Hielscher Ultrasonics.

Ultraschall dispergéiert Kalzium-Hydroxyapatit

Ultraschall reduzéiert a verspreet Kalzium-Hydroxyapatit

Schrëtt vun der Nano-HAP Synthese:

Eng 40 ml Léisung vun 0,32 M Ca(NO₃)₂ · 4H₂O gouf an engem klenge Becher preparéiert. D'Léisung pH gouf dann op 9,0 mat ongeféier 2,5mL NH ugepasst₄OH. D'Léisung gouf sonicated mat der UP50H bei 100% Amplitude-Astellung fir 1 Stonn.
Um Enn vun der éischter Stonn eng 60 ml Léisung vun 0,19M [KH₂PO₄] gouf duerno lues drop drop an déi éischt Léisung bäigefüügt, während eng zweet Stonn Ultraschallbestralung ënnergaangen ass. Wärend dem Vermëschungsprozess gouf de pH-Wäert iwwerpréift an op 9 gehal, während de Ca / P Verhältnis bei 1,67 gehale gouf. D'Léisung gouf duerno mat Zentrifugéierung (~ 2000 g) gefiltert, duerno gouf de resultéierende wäisse Nidderschlag an eng Zuel vu Proben fir Wärmebehandlung proportionéiert.
D’Präsenz vum Ultraschall an der Syntheseprozedur virun der thermescher Behandlung huet e wesentlechen Afloss op d’Bildung vun den initialen Nano-HAP-Partikel-Virgänger. Dëst ass wéinst der Partikelgréisst, déi mat der Nukleatioun an dem Wuesstumsmuster vum Material verbonnen ass, wat am Tour mam Grad vun der Super Sättigung an der flësseger Phase verbonnen ass.
Zousätzlech kënne souwuel d'Partikelgréisst a seng Morphologie direkt während dësem Syntheseprozess beaflosst ginn. Den Effekt vun der Erhéijung vun der Ultraschallkraaft vun 0 op 50W huet gewisen datt et méiglech war d'Partikelgréisst virun der thermescher Behandlung ze reduzéieren.
D'Erhéijung vun der Ultraschallkraaft, déi benotzt gëtt fir d'Flëssegkeet ze bestrahlen, huet uginn datt méi grouss Zuel vu Blasen / Kavitatiounen produzéiert goufen. Dëst huet am Tour méi Nukleatiounsplazen produzéiert an als Resultat sinn d'Partikelen, déi ronderëm dës Site geformt sinn, méi kleng. Ausserdeem weisen Partikelen, déi u méi laang Perioden vun der Ultraschallbestralung ausgesat sinn, manner Agglomeratioun. Déi spéider FESEM-Daten hunn déi reduzéiert Partikel-Agglomeratioun bestätegt wann Ultraschall während dem Syntheseprozess benotzt gëtt.
Nano-HAp Partikelen am Nanometer Gréisst Beräich a sphäresch Morphologie goufen mat enger naass chemescher Nidderschlagstechnik an der Präsenz vun Ultraschall produzéiert. Et gouf festgestallt datt d'Kristallstruktur an d'Morphologie vun de resultéierende Nano-HAP-Pulver ofhängeg vun der Kraaft vun der Ultraschallbestralungsquell an der spéider thermescher Behandlung benotzt. Et war evident datt d'Präsenz vum Ultraschall am Syntheseprozess d'chemesch Reaktiounen a kierperlech Effekter gefördert huet, déi duerno d'ultrafine Nano-HAp-Pudder no der thermescher Behandlung produzéiert hunn.

Kontinuéierlech Ultraschall mat enger Glasflosszelle

Sonication an enger Ultraschallreaktorkammer

Hielscher Ultrasonics sponsert stolz déi 7th International Electronic Conference on Medicinal Chemistry. Klickt hei fir méi iwwer Presentatiounen a Participatioun ze léieren!

Hydroxyapatit:

Haaptanorganesch Kalziumphosphatmineral
héich Biokompatibilitéit
lues biodegradability
osteokonduktiv
Net gëfteg
net-immunogen
kann mat Polymer an / oder Glas kombinéiert ginn
gutt Absorptiounsstruktur Matrix fir aner Molekülen
excellent Schanken Ersatz

Ultrasonic Homogenisatoren si mächteg Tools fir Partikelen ze synthetiséieren an ze funktionaliséieren, sou wéi HAp

Sonde-Typ Ultraschall UP50H

HAp Synthese iwwer Ultrasonic Sol-Gel Route

Ultraschall assistéiert Sol-Gel Wee fir d'Synthese vun nanostrukturéierten HAp Partikelen:
Material:
– Reaktanten: Kalziumnitrat Ca(NO₃)₂, Di-ammonium Waasserstoffphosphat (NH₄)₂HPO₄, Natriumhydroxid NaOH;
– 25 ml Reagenzglieser

Opléisen Ca (NO₃)₂ an (NH₄)₂HPO₄ an destilléiert Waasser (molar Verhältnis Kalzium bis Phosphor: 1,67)
Füügt e bësse NaOH an d'Léisung fir säi pH ëm 10 ze halen.
Ultraschallbehandlung mat engem UP100H (Sonotrode MS10, Amplitude 100%)

D'hydrothermesch Synthese goufe bei 150 ° C fir 24 Stonnen an engem elektreschen Uewen duerchgefouert.
No der Reaktioun kann kristallin HAp duerch Zentrifugéierung a Wäschung mat deioniséiertem Waasser gesammelt ginn.
Analyse vum kritt HAp Nanopowder duerch Mikroskopie (SEM, TEM,) an/oder Spektroskopie (FT-IR). Déi synthetiséiert HAp Nanopartikel weisen héich Kristallinitéit. Verschidde Morphologie kënne beobachtet ginn ofhängeg vun der Sonikatiounszäit. Méi laang Sonikatioun kann zu eenheetleche HAp Nanoroden mat engem héijen Aspekt Verhältnis an ultra-héich Kristallinitéit féieren. [cp. Manafi et al. 2008]

D'Ännerung am HAP

Wéinst senger Bréchheet ass d'Applikatioun vu pure HAp limitéiert. An der Materialfuerschung si vill Efforte gemaach fir HAp duerch Polymere z'änneren, well den natierleche Schanken e Komposit ass haaptsächlech aus nanogréissten, nadelähnlechen HAp-Kristalle bestoen (stellt ongeféier 65wt% vum Knach aus). D'Ultraschall assistéiert Modifikatioun vun HAp a Synthese vu Kompositen mat verbesserte Materialeigenschaften bitt villfälteg Méiglechkeeten (kuckt e puer Beispiller hei ënnen).

Praktesch Beispiller:

Synthese vun Nano-HAp

An der Studie vu Poinern et al. (2009), a Hielscher UP50H Sono-Typ Ultrasonicator gouf erfollegräich fir d'Sono-Synthese vun HAp benotzt. Mat Erhéijung vun der Ultraschallenergie ass d'Partikelgréisst vun den HAp-Kristalliten erofgaang. Nanostrukturéiert Hydroxyapatit (HAp) gouf duerch eng ultraschall assistéiert Naass-Nidderschlagstechnik virbereet. Ca (NO₃) und KH₂₅PO₄ gouf als Haaptmaterial an NH benotzt₃ als Nidderschlag. D'hydrothermesch Nidderschlag ënner Ultraschallbestrahlung huet zu Nano-Gréisst HAp-Partikel mat enger kugelfërmeger Morphologie am Nanometer-Gréisstberäich (ongeféier 30nm ± 5%) gefouert. Poinern a Mataarbechter hunn d'Sono-Hydrothermesch Synthese eng wirtschaftlech Streck mat staarker Skala-up Kapazitéit fir kommerziell Produktioun fonnt.

Synthese vu Gelantin-Hydroxyapatit (Gel-HAp)

Brundavanam a Mataarbechter hunn erfollegräich e Gelantin-Hydroxyapatit (Gel-HAp) Komposit ënner mëllen Sonikatiounsbedéngungen virbereet. Fir d'Virbereedung vu Gelantin-Hydroxyapatit ass 1g Gelatin komplett an 1000mL MilliQ Waasser bei 40°C opgeléist ginn. 2mL vun der preparéierter Gelatineléisung gouf dann un de Ca2+/NH bäigefüügt₃ Mëschung. D'Mëschung gouf sonicated mat an UP50H Ultraschall (50W, 30kHz). Während der sonication, 60mL vun 0,19M KH₂PO₄ goufen drop-weise der Mëschung dobäi.
Déi ganz Léisung gouf sonicated fir 1h. De pH-Wäert gouf iwwerpréift a bei pH 9 zu all Zäit gehal an de Ca / P Verhältnis gouf op 1,67 ugepasst. Filtratioun vum wäisse Nidderschlag gouf duerch Zentrifugéierung erreecht, wat zu enger décke Schlamm resultéiert. Verschidde Proben goufen an engem Rouerofen fir 2h bei Temperaturen vun 100, 200, 300 an 400°C Hëtztbehandelt. Doduerch gouf e Gel-HAp-Pulver a granulärer Form kritt, deen zu engem feine Pulver geschmëlzt gouf an duerch XRD, FE-SEM a FT-IR charakteriséiert gouf. D'Resultater weisen datt mëll Ultraschall an d'Präsenz vu Gelatin während der Wuesstumsphase vum HAp méi niddereg Adhäsioun förderen - doduerch zu enger méi klenger a reegelméisseger Kugelform vun de Gel-HAp Nano-Partikelen. Déi mëll Sonikatioun hëlleft d'Synthese vun Nano-Gréisst Gel-HAp Partikelen duerch Ultraschall Homogeniséierungseffekter. D'Amid- a Carbonylarten aus der Gelatin befestigen sech duerno un d'HAp Nano-Partikel wärend der Wuesstumsphase iwwer sonochemesch assistéiert Interaktioun.
[Brundavanam et al. 2011]

Oflagerung vun HAp op Titan Platelets

Ozhukil Kollatha et al. (2013) hunn Ti Placke mat Hydroxyapatit beschichtet. Virun der Oflagerung gouf d'HAp Suspension homogeniséiert mat engem UP400S (400 Watt Ultrasonic Apparat mat Ultrasonic Horn H14, sonication Zäit 40 Sekonnen. bei 75% Amplitude).

Sëlwer Beschichtete HAp

Ignatev a Mataarbechter (2013) hunn eng biosynthetesch Method entwéckelt, wou Sëlwer Nanopartikelen (AgNp) op HAp deposéiert goufen fir eng HAp Beschichtung mat antibakteriellen Eegeschaften ze kréien an den zytotoxeschen Effekt ze reduzéieren. Fir d'Deagglomeratioun vun de Sëlwer Nanopartikelen a fir hir Sedimentatioun um Hydroxyapatit, en Hielscher UP400S benotzt gouf.

E Setup vu magnetesche Rührer an Ultraschall UP400S gouf fir d'sëlwer-beschichtete Hap Virbereedung benotzt [Ignatev et al 2013]

Eis mächteg Ultraschall-Geräter sinn zouverlässeg Tools fir Partikelen an der Sub-Mikron- an Nano-Gréisst ze behandelen. Egal ob Dir Partikelen a klenge Réier fir Fuerschungszwecker synthetiséieren, dispergéieren oder funktionaliséieren oder Dir musst héich Volumen vun Nano-Pudder-Schlämmeren fir kommerziell Produktioun behandelen – Hielscher bitt de passenden Ultraschall fir Är Ufuerderungen!

Ultraschall Homogenisator UP400S

Literatur / Referenzen

Brundavanam, RK; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, GEJ (2011): Effekt vu verdënntem Gelatin op der Ultraschallthermesch assistéiert Synthese vun Nano-Hydroxyapatit. Ultraschall. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Synthese a Charakteriséierung vun Hydroyapatit Nanopartikel. Kolloiden a Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspekter 322; 2008. 29-33.
Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Plasma Spraydousen Hydroxyapatite Beschichtungen mat Silver Nanopartikel. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Kontrolléiert Versammlung vu Poly(d,l-Laktid-Co-Glycolid) / Hydroxyapatit Kär-Schuel Nanosphären ënner Ultraschallbestralung. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208-218.
Kusrini, E.; Pudjiastuti, AR; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Virbereedung vun Hydroxyapatit aus Bovine Bone duerch Kombinatiounsmethoden vun Ultraschall a Spraydrock. Intl. Conf. op Chemesch, Bio-chemesch an Ëmweltwëssenschaften (ICBEE'2012) Singapur, 14-15 Dezember 2012.
Manafi, S.; Badiee, SH (2008): Effekt vun Ultraschall op Kristallinitéit vun Nano-Hydroxyapatit iwwer naass chemesch Method. Ir J Pharma Sci 4/2; 2008. 163-168
Ozhukil Kollatha, V.; Chenc, Q.; Clossetb, R.; Luytena, J.; Trainab, K.; Mullensa, S.; Boccaccinic, AR; Clootsb, R. (2013): AC vs DC Electrophoretic Oflagerung vun Hydroxyapatite op Titan. Journal vun der Europäescher Keramik Society 33; 2013. 2715-2721.
Poinern, GEJ; Brundavanam, RK; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): D'mechanesch Properties vun enger poröser Keramik ofgeleet vun engem 30 nm Gréisst Partikel-baséiert Pulver vun Hydroxyapatit fir potenziell Hard Tissue Engineering Uwendungen. American Journal vun Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278-286.
Poinern, GJE; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Thermesch an Ultraschall Afloss an der Bildung vun Nanometer Skala Hydroxyapatit Bio-Keramik. International Journal vun Nanomedizin 6; 2011. 2083-2095.
Poinern, GJE; Brundavanam, RK; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Synthese a Charakteriséierung vun Nanohydroxyapatit mat enger Ultraschall assistéiert Method. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469-474.
Soypan, I.; Mel, M.; Ramesch, S.; Khalid, KA: (2007): Porös Hydroxyapatit fir kënschtlech Knochenapplikatiounen. Wëssenschaft an Technologie vun fortgeschratt Materialien 8. 2007. 116.
Suslick, KS (1998): Kirk-Othmer Enzyklopedie vun der chemescher Technologie; 4e Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.

Zesummenhang Themen

Ultrasonic Geräter fir Bench-Top a Produktioun wéi den UIP1500hd liwweren voll Industriegrad.

Ultraschall Apparat UIP1500hd mat Flux-duerch Reakter