Nanohidroksiapatīta sonosintēze
Hidroksiapatīts (HA vai HAp) ir medicīnā plaši izmantota bioaktīva keramika, jo tā struktūra ir līdzīga kaulaudu struktūrai. Hidroksiapatīta sintēze ar ultraskaņas palīdzību (sonosintēze) ir veiksmīga metode nanostrukturēta HAp iegūšanai atbilstoši visaugstākajiem kvalitātes standartiem. Ultraskaņas metode ļauj iegūt gan nanokristālisku HAp, gan modificētas daļiņas, piemēram, kodola–čaulas nanosfēras, un kompozītmateriālus.
Hidroksiapatīts: daudzpusīgs minerāls
Medicīnā nanostrukturēts porains HAp ir interesants materiāls mākslīgo kaulu izgatavošanai. Pateicoties labajai biosaderībai saskarē ar kaulaudiem un kaulaudiem līdzīgajam ķīmiskajam sastāvam, porainā HAp keramika ir guvusi ļoti plašu pielietojumu biomedicīnā, tostarp kaulaudu reģenerācijā, šūnu proliferācijā un zāļu piegādē.
„Kaulaudu inženierijā tas ir izmantots kā pildmateriāls kaulu defektu aizpildīšanai un kaula apjoma palielināšanai, kā mākslīgs kaula transplantāta materiāls un protēžu revīzijas operācijās. Tā lielais virsmas laukums nodrošina izcilu osteokonduktivitāti un rezorbējamību, veicinot ātru kaulaudu ieaugšanu.” [Soypan et al. 2007] Tādēļ daudzi mūsdienu implanti ir pārklāti ar hidroksilapatītu.
Vēl viens daudzsološs mikrokristāliska hidroksilapatīta pielietojums ir tā izmantošana par „kaulus veidojošu” uztura bagātinātāju, kas uzsūcas labāk nekā kalcijs.
Papildus izmantošanai par kaulu un zobu atjaunošanas materiālu HAp izmanto arī katalīzē, mēslošanas līdzekļu ražošanā, kā sastāvdaļu farmaceitiskajos produktos, olbaltumvielu hromatogrāfijā un ūdens attīrīšanas procesos.
Lieljaudas ultraskaņa: iedarbība un ietekme
Kad šie ārkārtīgi lielie spēki, kas rodas kavitācijas burbuļu sabrukšanas laikā, izplatās ar ultraskaņu apstrādātajā vidē, tie iedarbojas uz daļiņām un pilieniem – izraisot daļiņu savstarpējas sadursmes, kuru rezultātā cietā viela sašķīst. Tādējādi tiek panākta daļiņu izmēra samazināšana, piemēram, ar malšanu, deaglomerāciju un disperģēšanu. Daļiņas var sasmalcināt līdz submikronu un nanoizmēram.
Papildus mehāniskajai iedarbībai intensīva apstrāde ar ultraskaņu var radīt brīvos radikāļus, sašķelt molekulas bīdes iedarbībā un aktivēt daļiņu virsmas. Šīs parādības ir pazīstamas kā sonoķīmija.
Sonosintēze
Suspensijas apstrāde ar ultraskaņu rada ļoti smalkas, vienmērīgi sadalītas daļiņas, tādējādi veidojot vairāk nukleācijas centru izgulsnēšanai.
Ar ultraskaņu sintezētām HAp daļiņām ir zemāka aglomerācijas pakāpe. Ar ultraskaņu sintezēta HAp mazāku tendenci aglomerēties apstiprināja, piemēram, Poinern et al. (2009) veiktā FESEM (lauka emisijas skenējošās elektronu mikroskopijas) analīze.
Ultraskaņa veicina un sekmē ķīmiskās reakcijas ar ultraskaņas kavitāciju un tās fizikālo iedarbību, kas augšanas fāzē tieši ietekmē daļiņu morfoloģiju. Galvenās priekšrocības, ko sniedz apstrāde ar ultraskaņu, kuras rezultātā iegūst īpaši smalkus reakcijas maisījumus, ir
- 1) palielināts reakcijas ātrums,
- 2) saīsināts apstrādes laiks
- 3) vispārēja enerģijas izmantošanas efektivitātes uzlabošanās.
Poinern et al. (2011) izstrādāja slapjās ķīmiskās sintēzes metodi, kurā kā galvenos reaģentus izmanto kalcija nitrāta tetrahidrātu (Ca[NO3]2 · 4H2O) un kālija dihidrogēnfosfātu (KH2PO4). Lai sintēzes laikā kontrolētu pH vērtību, pievienoja amonija hidroksīdu (NH4OH).
Izmantotais ultraskaņas procesors bija UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 sonotrode ar 7 mm diametru) no uzņēmuma Hielscher Ultrasonics.
Ar ultraskaņu sasmalcināts un disperģēts kalcija hidroksiapatīts
Nano-HAP sintēzes posmi:
Nelielā vārglāzē sagatavoja 40 mL 0,32M Ca(NO3)2 · 4H2O šķīduma. Pēc tam šķīduma pH noregulēja līdz 9,0 ar aptuveni 2,5mL NH4OH. Šķīdumu apstrādāja ar ultraskaņu, izmantojot UP50H ar 100% amplitūdas iestatījumu 1 stundu.
Pirmās stundas beigās pirmajam šķīdumam lēnām pa pilieniem pievienoja 60 mL 0,19M [KH2PO4] šķīduma, turpinot ultraskaņas iedarbību otro stundu. Maisīšanas laikā pH vērtību pārbaudīja un uzturēja 9 līmenī, savukārt Ca/P attiecību uzturēja 1,67 līmenī. Pēc tam šķīdumu filtrēja, izmantojot centrifugēšanu (~2000 g), un iegūtās baltās nogulsnes sadalīja vairākos paraugos termiskajai apstrādei.
Ultraskaņas klātbūtne sintēzes procesā pirms termiskās apstrādes būtiski ietekmē sākotnējo nano-HAP daļiņu prekursoru veidošanos. Tas ir saistīts ar to, ka daļiņu izmērs ir atkarīgs no nukleācijas un materiāla augšanas rakstura, kas savukārt ir saistīts ar pārsātinājuma pakāpi šķidrajā fāzē.
Turklāt šajā sintēzes procesā var tieši ietekmēt gan daļiņu izmēru, gan to morfoloģiju. Ultraskaņas jaudas palielināšanas no 0 līdz 50W ietekme parādīja, ka pirms termiskās apstrādes bija iespējams samazināt daļiņu izmēru.
Šķidruma apstrādei izmantotās ultraskaņas jaudas palielināšana liecināja par lielāka burbuļu/kavitācijas notikumu skaita rašanos. Tas savukārt radīja vairāk nukleācijas centru, un rezultātā ap šiem centriem veidojušās daļiņas ir mazākas. Turklāt daļiņām, kuras ilgāk pakļautas ultraskaņas iedarbībai, ir mazāka aglomerācija. Turpmāk iegūtie FESEM dati apstiprināja samazinātu daļiņu aglomerāciju, ja sintēzes procesā izmanto ultraskaņu.
Nano-HAp daļiņas ar izmēru nanometru diapazonā un sfērisku morfoloģiju ieguva, izmantojot slapjās ķīmiskās izgulsnēšanas metodi ultraskaņas klātbūtnē. Konstatēja, ka iegūto nano-HAP pulveru kristāliskā struktūra un morfoloģija bija atkarīga no ultraskaņas avota jaudas un izmantotās turpmākās termiskās apstrādes. Bija skaidrs, ka ultraskaņas klātbūtne sintēzes procesā veicināja ķīmiskās reakcijas un fizikālo iedarbību, kuru rezultātā pēc termiskās apstrādes ieguva īpaši smalkus nano-HAp pulverus.
Apstrāde ar ultraskaņu ultraskaņas reaktora kamerā
- galvenais neorganiskais kalcija fosfāta minerāls
- augsta biosaderība
- lēna bioloģiskā noārdīšanās
- osteokonduktīvs
- netoksisks
- neimunogēns
- var kombinēt ar polimēriem un/vai stiklu
- laba absorbcijas struktūras matrica citām molekulām
- lielisks kaula aizstājējs
Zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīce UP50H
HAp sintēze ar ultraskaņas sola–gēla metodi
Ultraskaņas veicināta sola–gēla metode nanostrukturētu HAp daļiņu sintēzei:
Materiāli:
– reaģenti: kalcija nitrāts Ca(NO3)2, diamonija hidrogēnfosfāts (NH4)2HPO4, nātrija hidroksīds NaOH ;
– 25 ml mēģene
- Izšķīdiniet Ca(NO3)2 un (NH4)2HPO4 destilētā ūdenī (kalcija un fosfora molārā attiecība: 1,67)
- Pievienojiet šķīdumam nedaudz NaOH, lai uzturētu tā pH ap 10.
- Apstrāde ar ultraskaņu, izmantojot UP100H (sonotrode MS10, amplitūda 100%)
- Hidrotermālās sintēzes tika veiktas elektriskajā krāsnī 150°C temperatūrā 24 h.
- Pēc reakcijas kristālisko HAp var iegūt, centrifugējot un mazgājot ar dejonizētu ūdeni.
- Iegūtā HAp nanopulvera analīze ar mikroskopiju (SEM, TEM,) un/vai spektroskopiju (FT-IR). Sintezētajām HAp nanodaļiņām ir augsta kristāliskuma pakāpe. Atkarībā no apstrādes ar ultraskaņu ilguma var novērot atšķirīgu morfoloģiju. Ilgāka apstrāde ar ultraskaņu var radīt vienveidīgus HAp nanostieņus ar lielu garuma un diametra attiecību un īpaši augstu kristāliskuma pakāpi. [sal. Manafi et al. 2008]
HAp modificēšana
Trausluma dēļ tīra HAp izmantošana ir ierobežota. Materiālu pētniecībā ir pielikts daudz pūļu HAp modificēšanai ar polimēriem, jo dabiskais kauls ir kompozītmateriāls, kas galvenokārt sastāv no nanoizmēra adatveida HAp kristāliem (tie veido aptuveni 65wt% kaula). Ultraskaņas veicināta HAp modificēšana un kompozītmateriālu sintēze ar uzlabotām materiāla īpašībām paver daudzveidīgas iespējas (skatiet dažus piemērus tālāk).
Praktiski piemēri:
Nano-HAp sintēze
Želatīna un hidroksiapatīta kompozīta (Gel-HAp) sintēze
Viss šķīdums tika apstrādāts ar ultraskaņu 1h. pH vērtība visu laiku tika pārbaudīta un uzturēta pH 9 līmenī, un Ca/P attiecība tika noregulēta uz 1,67. Balto nogulšņu filtrēšana tika veikta ar centrifugēšanu, iegūstot biezu suspensiju. Dažādi paraugi tika termiski apstrādāti cauruļkrāsnī 2h 100, 200, 300 un 400°C temperatūrā. Tādējādi tika iegūts Gel–HAp pulveris granulu veidā, kas tika samalts smalkā pulverī un raksturots ar XRD, FE-SEM un FT-IR. Rezultāti liecina, ka saudzīga apstrāde ar ultraskaņu un želatīna klātbūtne HAp augšanas fāzē veicina mazāku adhēziju – tādējādi Gel–HAp nanodaļiņas kļūst mazākas un iegūst regulāru sfērisku formu. Saudzīga apstrāde ar ultraskaņu veicina nanoizmēra Gel–HAp daļiņu sintēzi ultraskaņas homogenizācijas ietekmes dēļ. Želatīna amīdu un karbonilu grupas pēc tam augšanas fāzē piesaistās HAp nanodaļiņām sonoķīmiski veicinātas mijiedarbības rezultātā.
[Brundavanam et al. 2011]
HAp izgulsnēšana uz titāna plāksnītēm
Ar sudrabu pārklāts HAp
Magnētiskā maisītāja un ultraskaņas aparāta UP400S iekārta tika izmantota ar sudrabu pārklāta Hap iegūšanai [Ignatev et al 2013]
Mūsu jaudīgās ultraskaņas ierīces ir uzticami instrumenti daļiņu apstrādei submikronu un nanometru izmēru diapazonā. Neatkarīgi no tā, vai vēlaties sintezēt, disperģēt vai funkcionalizēt daļiņas nelielās mēģenēs pētniecības vajadzībām vai jums jāapstrādā lieli nanopulveru suspensiju tilpumi komerciālai ražošanai – Hielscher piedāvā jūsu prasībām piemērotu ultraskaņas aparātu!
Ultraskaņas homogenizators UP400S
Literatūra un atsauces
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Atšķaidīta želatīna ietekme uz nanohidroksiapatīta sintēzi ar ultraskaņas un termisko atbalstu. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697–703.
- Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Hidroksiapatīta nanodaļiņu sintēze un raksturošana. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 322; 2008. 29–33.
- Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Ar plazmas izsmidzināšanu iegūti hidroksiapatīta pārklājumi ar sudraba nanodaļiņām. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20–29.
- Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Poli(d,l-laktīda-ko-glikolīda)/ hidroksiapatīta kodola–čaulas nanosfēru kontrolēta veidošanās ultraskaņas iedarbībā. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
- Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Hidroksiapatīta iegūšana no liellopu kauliem, kombinējot ultraskaņas un izsmidzināšanas žāvēšanas metodes. Starptautiskā konference par ķīmijas, bioķīmijas un vides zinātnēm (ICBEE’2012), Singapūra, December 14-15, 2012.
- Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Ultraskaņas ietekme uz nanohidroksiapatīta kristāliskumu, izmantojot slapjās ķīmijas metodi. 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): Hidroksiapatīta elektroforētiskā nogulsnēšana uz titāna: maiņstrāvas un līdzstrāvas salīdzinājums. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715–2721.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): No hidroksiapatīta pulvera ar 30 nm lielām daļiņām iegūtas porainas keramikas mehāniskās īpašības potenciālam lietojumam cieto audu inženierijā. 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): Siltuma un ultraskaņas ietekme uz nanometru izmēra hidroksiapatīta biokeramikas veidošanos. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Nanohidroksiapatīta sintēze un raksturošana, izmantojot metodi ar ultraskaņas atbalstu. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469– 474.
- Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Porains hidroksiapatīts mākslīgo kaulu izgatavošanai. Science and Technology of Advanced Materials 8. 2007. 116.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer ķīmiskās tehnoloģijas enciklopēdija; 4. izdevums. J. Wiley & Sons: Ņujorka, 26. sējums, 1998. 517–541.
Ultraskaņas ierīce UIP1500hd ar caurplūdes reaktoru