Sono-Synthes vun Nano-Hydroxyapatit

Hydroxyapatit (HA oder HAp) ass eng bioaktiv Keramik, déi fir medezinesch Zwecker ganz dacks benotzt gëtt, well hir Struktur där vum Knachematerial änelt. Duerch Ultraschall ënnerstëtzt Synthes (Sono-Synthes) vun Hydroxyapatit ass eng erfollegräich Technik, fir nanostrukturéierten HAp no den héchste Qualitéitsstandarden hierzestellen. Den Ultraschallverfare mécht et méiglech, souwuel nanokristallinen HAp wéi och modifizéiert Partikelen, z. B. Kär-Schuel-Nanokugelen, a Kompositten hierzestellen.

Hydroxyapatit: e villsäitegt Mineral

Hydroxylapatit oder Hydroxyapatit (HAp, och HA) ass eng natierlech virkommend mineral Form vu Kalziumapatit mat der Formel Ca₅(PO₄)₃(OH). Fir unzeginn, datt d’Elementarzell vum Kristall zwou Eenheeten ëmfaasst, gëtt d’Formel normalerweis esou geschriwwen: Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Hydroxylapatit ass d’Hydroxyl-Endglidd vun der komplexer Apatitgrupp. Den OH- Ion kann duerch Fluorid, Chlorid oder Karbonat ersat ginn, wouduerch Fluorapatit oder Chlorapatit entsteet. E kristalliséiert am hexagonale Kristallsystem. HAp ass als Knachematerial bekannt, well bis zu 50 wt% vum Knach aus enger modifizéierter Form vun Hydroxyapatit bestinn.
An der Medezin ass nanostrukturéierte poréisen HAp en interessant Material fir den Asaz als kënschtleche Knach. Wéinst senger gudder Biokompatibilitéit beim Kontakt mam Knach a senger cheemescher Zesummesetzung, déi där vum Knachematerial änelt, gëtt poréis HAp-Keramik a ganz groussem Ëmfang a biomedezineschen Uwendunge benotzt, dorënner d’Regeneratioun vu Knachegeweebe, d’Zellproliferatioun an d’Verabreechung vu Medikamenter.
„Am Beräich vun der Knachegeweebezüchtung gouf en als Fëllmaterial fir Knachendefekter an den Opbau vu Knachesubstanz, als kënschtlecht Knachentransplantatmaterial a bei Revisiounsoperatioune vu Protheesen agesat. Seng grouss Uewerfläch féiert zu enger exzellenter Osteokonduktivitéit a Resorbéierbarkeet, déi e séiert Awuessе vum Knach erméiglechen.” [Soypan et al. 2007] Dofir si vill modern Implantater mat Hydroxylapatit beschichtet.
Eng aner villverspriechend Uwendung vu mikrokristallinem Hydroxylapatit ass säin Asaz als „knachenopbauend“ Nahrungsergänzungsmëttel mat enger besserer Absorptioun am Verglach zu Kalzium.
Nieft sengem Asaz als Reparaturmaterial fir Schanken an Zänn gëtt et weider Uwendunge vun HAp an der Katalys, an der Produktioun vun Düngemëttelen, als Bestanddeel vu pharmazeetesche Produiten, bei der Proteinchromatografie an a Prozesser fir d’Waasserbehandlung.

Leeschtungsultraschall: Effekter an Auswierkungen

D’Beschallung gëtt als e Prozess beschriwwen, bei deem en akustescht Feld benotzt gëtt, dat an e flëssegt Medium agekoppelt gëtt. D’Ultraschallwelle breede sech an der Flëssegkeet aus an erzeugen ofwiesselnd Héichdrock-/Déifdrockzyklen (Kompressioun a Rarefaktioun). Wärend der Rarefaktiounsphas entstinn an der Flëssegkeet kleng Vakuumblosen oder Huelraim, déi iwwer e puer Héichdrock-/Déifdrockzyklen wuessen, bis d’Blos keng Energie méi ophuele kann. An dëser Phas implodéieren d’Blose wärend enger Kompressiounsphas mat grousser Kraaft. Bei esou engem Zesummebroch vu Blose gëtt eng grouss Quantitéit un Energie a Form vu Schockwellen, héijen Temperaturen (ongeféier 5.000K) an héijen Drécker (ongeféier 2.000atm) fräigesat. Ausserdeem charakteriséiere sech dës „Hotspots“ duerch ganz héich Ofkillraten. D’Implosioun vun der Blos féiert och zu Flëssegkeetsstrale mat enger Vitess vu bis zu 280m/s. Dëst Phenomeen gëtt Kavitatioun genannt.
Wann dës extrem Kräften, déi beim Zesummebroch vun de Kavitatiounsblose generéiert ginn, sech am beschallte Medium ausbreeden, wierke se op Partikelen an Drëpsen an – dat féiert zu Kollisiounen tëscht de Partikelen, soudatt de Feststoff zerbrécht. Doduerch gëtt eng Reduktioun vun der Partikelgréisst duerch Prozesser wéi Muelen, Deagglomeratioun an Dispersioun erreecht. D’Partikele kënnen op Gréissten am Submikrometer- an Nanoberäich verklengert ginn.
Nieft de mechaneschen Effekter kann déi leeschtungsstaark Beschallung fräi Radikaler erzeugen, Moleküllen duerch Schéierkräften trennen an d’Uewerfläche vu Partikelen aktivéieren. Dës Phenomeener sinn als Sonochemie bekannt.

Sono-Synthes

Eng Ultraschallbehandlung vun der Suspensioun féiert zu ganz feine Partikele mat enger gläichméisseger Verdeelung, soudatt méi Keimbildungsplaze fir d’Ausfällung entstinn.
HAp-Partikelen, déi ënner Ultraschall synthetiséiert ginn, weisen e méi nidderegen Agglomeratiounsgrad. Déi méi kleng Tendenz vum ultraschallsynthetiséierten HAp zur Agglomeratioun gouf z. B. duerch d’FESEM-Analys (Feldemissiouns-Rasterelektronemikroskopie) vu Poinern et al. (2009) bestätegt.

Ultraschall ënnerstëtzt a fërdert chemesch Reaktiounen duerch Ultraschallkavitatioun an hir physikalesch Effekter, déi d’Partikelmorphologie wärend der Wuesstemsphas direkt beaflossen. D’Haaptvirdeeler vun der Ultraschallbehandlung, déi zu der Preparatioun vun extrem feine Reaktiounsgemëscher féiert, sinn

1) eng méi héich Reaktiounsgeschwindegkeet,
2) eng méi kuerz Veraarbechtungszäit
3) eng allgemeng Verbesserung vun der effizienter Energienotzung.

Poinern et al. (2011) hunn e naasschemesche Verfaren entwéckelt, dat Kalziumnitrat-Tetrahydrat (Ca[NO3]2 · 4H2O) a Kaliumdihydrogenphosphat (KH2PO4) als Haaptreaktante benotzt. Fir de pH-Wäert wärend der Synthes ze kontrolléieren, gouf Ammoniumhydroxid (NH4OH) bäigefüügt.
Den Ultraschallprozessor war en UP50H (50 W, 30 kHz, MS7-Sonotrod mat 7 mm Duerchmiesser) vun Hielscher Ultrasonics.

Mat Ultraschall dispergéierte Kalziumhydroxyapatit

Mat Ultraschall verklengerten an dispergéierte Kalziumhydroxyapatit

Schrëtt vun der Nano-HAP-Synthes:

An engem klenge Becherglas gouf eng 40 mL-Léisung vun 0,32M Ca(NO₃)₂ · 4H₂O preparéiert. De pH-Wäert vun der Léisung gouf duerno mat ongeféier 2,5mL NH₄OH op 9,0 agestallt. D’Léisung gouf mam UP50H bei enger Amplitudenastellung vun 100% fir 1 Stonn beschallt.
Um Enn vun der éischter Stonn gouf duerno eng 60 mL-Léisung vun 0,19M [KH₂PO₄] lues Drëps fir Drëps an déi éischt Léisung bäigefüügt, wärend dës eng zweet Stonn laang mat Ultraschall bestraalt gouf. Wärend dem Mëschprozess gouf de pH-Wäert kontrolléiert an op 9 gehalen, wärend de Ca/P-Verhältnis op 1,67 gehale gouf. D’Léisung gouf duerno duerch Zentrifugatioun (~2000 g) filtréiert. Duerno gouf dee wäissen Nidderschlag, deen dobäi entstanen ass, op e puer Prouwe fir d’Hëtztbehandlung opgedeelt.
D’Präsenz vun Ultraschall am Synthesverfaren virun der thermescher Behandlung huet e wesentlechen Afloss op d’Bildung vun den éischte Virleefer vun den Nano-HAP-Partikelen. Dat läit dorun, datt d’Partikelgréisst mat der Keimbildung an dem Wuesstemsmuster vum Material zesummenhänkt, wat sengersäits mam Iwwersättegungsgrad an der flësseger Phas zesummenhänkt.
Zousätzlech kënne souwuel d’Partikelgréisst wéi och hir Morphologie wärend dësem Synthesprozess direkt beaflosst ginn. D’Erhéijung vun der Ultraschallleeschtung vun 0 op 50W huet gewisen, datt et méiglech war, d’Partikelgréisst virun der thermescher Behandlung ze reduzéieren.
Déi zouhuelend Ultraschallleeschtung, déi fir d’Bestralung vun der Flëssegkeet agesat gouf, huet drop higewisen, datt méi Blosen/Kavitatiounen entstane sinn. Doduerch si méi Keimbildungsplazen entstanen, an als Resultat sinn d’Partikelen, déi sech ronderëm dës Plaze bilden, méi kleng. Ausserdeem weisen d’Partikelen, déi méi laang mat Ultraschall bestraalt ginn, manner Agglomeratioun. Spéider FESEM-Donnéeën hunn déi reduzéiert Partikelagglomeratioun bestätegt, wann Ultraschall wärend dem Synthesprozess agesat gëtt.
Nano-HAp-Partikelen am Nanometergréissteberäich a mat kugelfërmeger Morphologie goufe mat enger naasschemescher Ausfällungstechnik a Präsenz vun Ultraschall hiergestallt. Et gouf festgestallt, datt d’Kristallstruktur an d’Morphologie vun den entstanenen Nano-HAP-Polvere vun der Leeschtung vun der Ultraschallbestralungsquell a vun der uschléissend agesater thermescher Behandlung ofhängeg waren. Et war däitlech, datt d’Präsenz vun Ultraschall am Synthesprozess déi chemesch Reaktiounen a physikalesch Effekter gefërdert huet, déi duerno no der thermescher Behandlung déi ultrafein Nano-HAp-Polvere produzéiert hunn.

Kontinuéierlech Ultraschallbehandlung mat enger Duerchflosszell aus Glas

Beschallung an enger Ultraschallreaktorkummer

Hielscher Ultrasonics ënnerstëtzt mat Stolz déi 7. International Elektronesch Konferenz iwwer medezinesch Chimie als Sponsor.

Hielscher Ultrasonics ënnerstëtzt mat Stolz déi 7. international elektronesch Konferenz iwwer medizinesch Chimie. Klickt hei, fir méi iwwer d’Presentatiounen an d’Participatioun gewuer ze ginn!

Hydroxyapatit:

Haaptmineral aus anorganeschem Kalziumphosphat
héich Biokompatibilitéit
lues biologesch Ofbaubarkeet
osteokonduktiv
net toxesch
net immunogen
ka mat Polymeren an/oder Glas kombinéiert ginn
gutt strukturell Absorptiounsmatrix fir aner Moleküllen
exzellenten Ersatz fir Schanken

Ultraschallhomogenisateure si leeschtungsstaark Instrumenter, fir Partikele wéi HAp ze synthetiséieren an ze funktionaliséieren

Ultraschallapparat mat Sond UP50H

HAp-Synthes iwwer e Sol-Gel-Verfare mat Ultraschall

Duerch Ultraschall ënnerstëtzte Sol-Gel-Verfare fir d’Synthes vun nanostrukturéierten HAp-Partikelen:
Material:
– Reaktanten: Kalziumnitrat Ca(NO₃)₂, Diammoniumhydrogenphosphat (NH₄)₂HPO₄, Natriumhydroxid NaOH ;
– 25 ml Reagenzglas

Ca(NO₃)₂ an (NH₄)₂HPO₄ an destilléiertem Waasser opléisen (molaart Verhältnis vu Kalzium zu Phosphor: 1,67)
E bëssen NaOH an d’Léisung bäiginn, fir hire pH bei ongeféier 10 ze halen.
Ultraschallbehandlung mat engem UP100H (Sonotrod MS10, Amplitud 100%)

Déi hydrothermal Synthese goufe bei 150°C fir 24 h an engem elektreschen Uewen duerchgefouert.
No der Reaktioun ka kristallinnen HAp duerch Zentrifugéieren a Wäsche mat deioniséiertem Waasser gewonne ginn.
Analys vum gewonnene HAp-Nanopolver duerch Mikroskopie (SEM, TEM,) an/ oder Spektroskopie (FT-IR). Déi synthetiséiert HAp-Nanopartikele weisen eng héich Kristallinitéit. Jee no Beschallungsdauer kënne verschidde Morphologië observéiert ginn. Eng méi laang Beschallung kann zu eenheetlechen HAp-Nanostäbercher mat engem héije Längt-Duerchmiesser-Verhältnis an enger ultra-héijer Kristallinitéit féieren. [vgl. Manafi et al. 2008]

Modifikatioun vun HAp

Wéinst senger Bréchegkeet ass den Asaz vu rengem HAp limitéiert. An der Materialfuerschung goufe vill Ustrengunge gemaach, fir HAp mat Polymeren ze modifizéieren, well den natierleche Schank e Komposit ass, deen haaptsächlech aus HAp-Kristaller an Nanogréisst mat enger nolfërmeger Gestalt besteet (ongeféier 65wt% vum Schank). Déi duerch Ultraschall ënnerstëtzte Modifikatioun vun HAp an d’Synthes vu Kompositte mat verbesserte Materialeegenschafte bidden villfälteg Méiglechkeeten (kuckt e puer Beispiller hei drënner).

Praktesch Beispiller:

Synthes vun nano-HAp

An der Etüd vu Poinern et al. (2009) gouf en Hielscher UP50H Ultraschallapparat mat Sond erfollegräich fir d’Sonosynthes vun HAp agesat. Mat zouhuelender Ultraschallenergie huet d’Partikelgréisst vun den HAp-Kristallitten ofgeholl. Nanostrukturéierten Hydroxyapatit (HAp) gouf mat enger duerch Ultraschall ënnerstëtzter naasscheemescher Fällungstechnik hiergestallt. Ca(NO₃) a KH₂₅PO₄ goufen als Haaptmaterial an NH₃ als Fällungsmëttel benotzt. Déi hydrothermal Fällung ënner Ultraschallbestralung huet zu HAp-Partikelen an Nanogréisst mat enger sphärescher Morphologie am Nanometerberäich gefouert (ongeféier 30nm ± 5%). De Poinern a seng Mataarbechter hunn déi sonohydrothermal Synthes als e wirtschaftlecht Verfare mat engem héije Potenzial fir d’Skaléierung op eng kommerziell Produktioun bewäert.

Synthes vu Gelatin-Hydroxyapatit (Gel-HAp)

De Brundavanam a seng Mataarbechter hunn erfollegräich e Gelatin-Hydroxyapatit-Komposit (Gel-HAp) ënner mëlle Beschallungsbedéngungen hiergestallt. Fir d’Hierstellung vu Gelatin-Hydroxyapatit gouf 1g Gelatin komplett an 1000mL MilliQ-Waasser bei 40°C opgeléist. 2mL vun der preparéierter Gelatinléisung goufen duerno an d’Ca2+/NH₃ Mëschung bäigefüügt. D’Mëschung gouf mat engem UP50H Ultraschallapparat (50W, 30kHz) beschallt. Wärend der Beschallung goufen 60mL vun 0,19M KH₂PO₄ Drëps fir Drëps an d’Mëschung bäigefüügt.
Déi ganz Léisung gouf fir 1h beschallt. De pH-Wäert gouf kontrolléiert a während der ganzer Zäit bei pH 9 gehalen, an d’Ca/P-Verhältnis gouf op 1,67 agestallt. D’Filtratioun vum wäisse Nidderschlag gouf duerch Zentrifugéieren erreecht, wouduerch eng déck Suspension entstanen ass. Verschidde Prouwe goufe fir 2h an engem Réierenuewen bei Temperature vun 100, 200, 300 a 400°C thermesch behandelt. Dobäi gouf e Gel–HAp-Polver a granulärer Form gewonn, deen zu engem feine Polver gemuel a mat XRD, FE-SEM an FT-IR charakteriséiert gouf. D’Resultater weisen, datt eng mëll Ultraschallbehandlung an d’Presenz vu Gelatin wärend der Wuesstemsphas vum HAp eng méi niddreg Adhäsioun begënschtegen – wat zu méi klenge Gel–HAp-Nanopartikelen an der Bildung vun enger reegelméisseger sphärescher Form féiert. Déi mëll Beschallung ënnerstëtzt d’Synthes vu Gel–HAp-Partikelen an Nanogréisst duerch d’Homogeniséierungseffekter vum Ultraschall. D’Amid- a Carbonylspezies aus dem Gelatin lagere sech duerno wärend der Wuesstemsphas duerch sonocheemesch ënnerstëtzt Interaktioun un d’HAp-Nanopartikelen un.
[Brundavanam et al. 2011]

Oflagerung vun HAp op Titanplättchen

Ozhukil Kollatha et al. (2013) hunn Ti-Placke mat Hydroxyapatit beschichtet. Virun der Oflagerung gouf d’HAp-Suspension mat engem UP400S (400 Watt Ultraschallapparat mat Ultraschallsonotrod H14, Beschallungszäit 40 sec. bei 75% Amplitud).

Mat Sëlwer beschichteten HAp

Ignatev a seng Mataarbechter (2013) hunn eng biosyntheetesch Method entwéckelt, bei där Sëlwernanopartikelen (AgNp) op HAp ofgesat goufen, fir eng HAp-Beschichtung mat antibakteriellen Eegenschaften ze kréien an den zytotoxeschen Effekt ze reduzéieren. Fir d’Sëlwernanopartikelen ze desagglomeréieren a fir hir Sedimentatioun um Hydroxyapatit gouf en Hielscher UP400S benotzt.

Den Ignatev a seng Mataarbechter hunn den Ultraschallapparat UP400S mat Sond fir d'Produktioun vu sëlwerbeschichtetem HAp benotzt.

Eng Opstellung aus engem Magnéitréierer an engem Ultraschallapparat UP400S gouf fir d’Hierstellung vum sëlwerbeschichteten Hap benotzt [Ignatev et al 2013]

Eis leeschtungsstaark Ultraschallapparater sinn zouverlässeg Instrumenter fir d’Behandlung vu Partikelen am Beräich ënner engem Mikrometer an am Nanoberäich. Egal ob Dir fir Fuerschungszwecker Partikelen a klenge Réier synthetiséieren, dispergéieren oder funktionaliséiere wëllt oder grouss Volume vun Nanopolver-Suspensioune fir déi kommerziell Produktioun behandele musst – Hielscher bitt de passenden Ultraschallapparat fir Är Ufuerderungen!

Ultraschallhomogenisator UP400S

Literatur/Referenzen

Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Afloss vu verdënnter Gelatinn op d’Ultraschallsynthes vun Nano-Hydroxyapatit mat thermescher Ënnerstëtzung. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697–703.
Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Synthes a Charakteriséierung vun Hydroxyapatit-Nanopartikelen. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 322; 2008. 29–33.
Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Plasmagesprëtzt Hydroxyapatit-Beschichtunge mat Sëlwernanopartikelen. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20–29.
Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Kontrolléiert Assemblage vu Poly(d,l-Laktid-co-Glykolid)/ Hydroxyapatit-Kär-Schuel-Nanokugelen ënner Ultraschallbestralung. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Hierstellung vun Hydroxyapatit aus Rannerknachen duerch kombinéiert Methode mat Ultraschall a Spréitrocknung. International Konferenz iwwer chemesch, biochemesch an Ëmweltwëssenschaften (ICBEE’2012) Singapur, December 14-15, 2012.
Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Afloss vun Ultraschall op d’Kristallinitéit vun Nano-Hydroxyapatit mat enger naasschemescher Method. Ir J Pharma Sci 4/2; 2008. 163–168
Ozhukil Kollatha, V.; Chenc, Q.; Clossetb, R.; Luytena, J.; Trainab, K.; Mullensa, S.; Boccaccinic, A. R.; Clootsb, R. (2013): Elektrophoretesch Oflagerung vun Hydroxyapatit op Titan mat Wiesselstroum am Verglach zu Gläichstroum. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715–2721.
Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Déi mechanesch Eegenschafte vun enger poréiser Keramik aus engem Polver op Basis vun 30 nm grousse Hydroxyapatit-Partikele fir potenziell Uwendungen an der Ingenieurtechnik fir haart Geweebe. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278–286.
Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Thermeschen Afloss an Afloss vun Ultraschall op d’Bildung vun Hydroxyapatit-Biokeramik am Nanometerberäich. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Synthes a Charakteriséierung vun Nanohydroxyapatit mat enger ultraschallënnerstëtzter Method. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469–474.
Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Poréisen Hydroxyapatit fir Uwendunge mat kënschtleche Knachen. Science and Technology of Advanced Materials 8. 2007. 116.
Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Enzyklopedie vun der chemescher Technologie; 4. Editioun. J. Wiley & Sons: New York, Band 26, 1998. 517–541.