Nano-hidroksiapatīta sono-sintēze
Hidroksiapatīts (HA vai HAp) ir ļoti bieži sastopama bioaktīva keramika medicīniskiem nolūkiem, jo tā struktūra ir līdzīga kaulu materiālam. Hidroksapatīta ultrasoniski atbalstītā sintēze (sono-sintēze) ir veiksmīga metode, lai ražotu nanostrukturētu HAp ar augstākajiem kvalitātes standartiem. Ultraskaņas maršruts ļauj ražot nanokristālisku HAp, kā arī modificētas daļiņas, piemēram, kodola apvalka nanosfēras un kompozītus.
Hidroksiapatīts: daudzpusīgs minerāls
Medicīnā nanostrukturēts porains HAp ir interesants materiāls mākslīgo kaulu uzklāšanai. Pateicoties labajai bioloģiskajai saderībai ar kaulu kontaktu un līdzīgajam ķīmiskajam sastāvam ar kaulu materiālu, porainā HAp keramika ir atradusi milzīgu pielietojumu biomedicīnas lietojumos, tostarp kaulu audu reģenerācijā, šūnu proliferācijā un zāļu piegādē.
"Kaulaudu inženierijā tas ir pielietots kā pildījuma materiāls kaulu defektiem un augmentācijai, mākslīgajam kaulu transplantāta materiālam un protēžu pārskatīšanas operācijai. Tā augstais virsmas laukums nodrošina lielisku osteovadītspēju un rezorbciju, nodrošinot ātru kaulu augšanu." [Soypan et al. 2007] Tātad, daudzi mūsdienu implanti ir pārklāti ar hidroksilapatītu.
Vēl viens daudzsološs mikrokristāliskā hidroksilapatīta pielietojums ir tā izmantošana kā “kaulu veidošana” papildināt ar izcilu uzsūkšanos salīdzinājumā ar kalciju.
Papildus tam, ka to izmanto kā kaulu un zobu remonta materiālu, citi HAp pielietojumi ir atrodami katalīzē, mēslošanas līdzekļu ražošanā kā savienojums farmaceitiskajos produktos, olbaltumvielu hromatogrāfijas lietojumos un ūdens attīrīšanas procesos.
Jaudas ultraskaņa: efekti un ietekme
Kad šie ārkārtējie spēki, kas rodas kavitācijas burbuļu sabrukuma laikā, paplašinās ultraskaņas vidē, tiek ietekmētas daļiņas un pilieni – rezultātā notiek starpdaļiņu sadursme tā, ka cietā viela satricina. Tādējādi tiek panākta daļiņu izmēra samazināšana, piemēram, frēzēšana, deagglomerācija un dispersija. Daļiņas var diminuteēt līdz submikronu un nano izmēram.
Papildus mehāniskajai iedarbībai spēcīgā ultraskaņas apstrāde var radīt brīvos radikāļus, bīdes molekulas un aktivizēt daļiņu virsmas. Šī parādība ir pazīstama kā sonochemistry.
Sono-sintēze
Vircas ultraskaņas apstrāde rada ļoti smalkas daļiņas ar vienmērīgu sadalījumu, lai radītu vairāk nukleācijas vietu nokrišņiem.
HAp daļiņas, kas sintezētas ultrasonikācijā, liecina par samazinātu aglomerācijas līmeni. Zemāku tendenci uz ultrasoniski sintezētu HAp aglomerāciju apstiprināja, piemēram, FESEM (lauka emisijas skenēšanas elektronu mikroskopijas) analīze Poinern et al. (2009).
Ultraskaņa palīdz un veicina ķīmiskās reakcijas ar ultraskaņas kavitāciju un tās fizikālo iedarbību, kas tieši ietekmē daļiņu morfoloģiju augšanas fāzē. Galvenie ieguvumi no ultrasonication, kas rodas, sagatavojot superfine reakcijas maisījumus, ir:
- 1) palielināts reakcijas ātrums,
- 2) samazināts apstrādes laiks
- 3) vispārējs uzlabojums enerģijas efektīvā izmantošanā.
(2011) izstrādāja mitru ķīmisko ceļu, kurā kā galvenie reaģenti tiek izmantots kalcija nitrāta tetrahidrāts (Ca[NO3]2 · 4H2O) un kālija dihidrogēnfosfāts (KH2PO4). pH vērtības kontrolei sintēzes laikā tika pievienots amonija hidroksīds (NH4OH).
Ultraskaņas procesors bija UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode w / 7 mm diametrs) no Hielscher Ultrasonics.
Ultrasoniski samazināts un disperģēts kalcija-hidroksiapatīts
Nano-HAP sintēzes soļi:
40 ml 0,32M Ca(NO šķīduma) 40 ml šķīduma3)2 · 4H2O tika pagatavots mazā vārglāzē. Pēc tam šķīduma pH tika noregulēts uz 9,0 ar aptuveni 2,5 ml NH4AK. Risinājums tika apstrādāts ar ultraskaņu ar UP50H pie 100% amplitūdas iestatījuma 1 stundu.
Pirmās stundas beigās 60 ml šķīduma 0,19M [KH2PO4] pēc tam lēnām tika pievienots pilienam pirmajā šķīdumā, kamēr tika veikta otrā stunda ultraskaņas apstarošanas. Maisīšanas procesa laikā tika pārbaudīta un saglabāta pH vērtība 9, bet Ca/P attiecība saglabājās 1,67. Pēc tam šķīdumu filtrēja, izmantojot centrifugēšanu (~2000 g), pēc tam iegūtās baltās nogulsnes tika proporcionālas vairākos paraugos termiskai apstrādei.
Ultraskaņas klātbūtnei sintēzes procedūrā pirms termiskās apstrādes ir būtiska ietekme uz sākotnējo nano-HAP daļiņu prekursoru veidošanos. Tas ir saistīts ar daļiņu izmēru, kas ir saistīts ar nukleāciju un materiāla augšanas modeli, kas savukārt ir saistīts ar super piesātinājuma pakāpi šķidrā fāzē.
Turklāt šajā sintēzes procesā var tieši ietekmēt gan daļiņu izmēru, gan tās morfoloģiju. Ultraskaņas jaudas palielināšanas no 0 līdz 50W ietekme parādīja, ka pirms termiskās apstrādes bija iespējams samazināt daļiņu izmēru.
Pieaugošā ultraskaņas jauda, ko izmanto šķidruma apstarošanai, norādīja, ka tiek ražots lielāks skaits burbuļu / kavitāciju. Tas savukārt radīja vairāk nukleācijas vietu, un rezultātā daļiņas, kas veidojas ap šīm vietām, ir mazākas. Turklāt daļiņas, kas pakļautas ilgākiem ultraskaņas apstarošanas periodiem, uzrāda mazāk aglomerācijas. Turpmākie FESEM dati ir apstiprinājuši samazināto daļiņu aglomerāciju, kad sintēzes procesā tiek izmantota ultraskaņa.
Nano-HAp daļiņas nanometra izmēru diapazonā un sfēriskā morfoloģija tika ražotas, izmantojot mitru ķīmisko nokrišņu tehniku ultraskaņas klātbūtnē. Tika konstatēts, ka iegūto nano-HAP pulveru kristāliskā struktūra un morfoloģija bija atkarīga no ultraskaņas apstarošanas avota jaudas un turpmākās izmantotās termiskās apstrādes. Bija acīmredzams, ka ultraskaņas klātbūtne sintēzes procesā veicināja ķīmiskās reakcijas un fizikālos efektus, kas pēc tam pēc termiskās apstrādes radīja ultrasmalkus nano-HAp pulverus.
Ultraskaņas apstrāde ultraskaņas reaktora kamerā
- galvenais neorganiskais kalcija fosfāta minerāls
- augsta bioloģiskā saderība
- lēna bionoārdīšanās spēja
- osteovadošs
- Nav toksisks
- neimunogēns
- var kombinēt ar polimēriem un/vai stiklu
- laba absorbcijas struktūras matrica citām molekulām
- lielisks kaulu aizstājējs
zondes tipa ultrasonikators UP50H
HAp sintēze, izmantojot ultraskaņas Sol-Gel maršrutu
Ultrasoniski atbalstīts sol-gela ceļš nanostrukturētu HAp daļiņu sintēzei:
Materiāls:
– reaģenti: kalcija nitrāts Ca(NO3)2, diamonija hidrogēnfosfāts (NH4)2HPO4, Nātrija hidroksidīds NaOH ;
– 25 ml mēģene
- Izšķīdina Ca(NO3)2 un (NH4)2HPO4 destilētā ūdenī (molārā kalcija un fosfora attiecība: 1,67)
- Pievienojiet šķīdumam nedaudz NaOH, lai saglabātu tā pH ap 10.
- Ultraskaņas apstrāde ar UP100H (sonotrode MS10, amplitūda 100%)
- Hidrotermālās sintēzes tika veiktas 150°C temperatūrā 24 h elektriskajā krāsnī.
- Pēc reakcijas kristālisko HAp var iegūt, centrifugējot un mazgājot ar dejonizētu ūdeni.
- Iegūtā HAp nanopulvera analīze ar mikroskopijas (SEM, TEM,) un/vai spektroskopijas (FT-IR) palīdzību. Sintezētās HAp nanodaļiņas uzrāda augstu kristāliskumu. Atkarībā no ultraskaņas apstrādes laika var novērot atšķirīgu morfoloģiju. Ilgāka ultraskaņas apstrāde var novest pie vienotiem HAp nanorodiem ar augstu malu attiecību un īpaši augstu kristāliskumu. [cp. Manafi et al. 2008]
HAp modifikācija
Sakarā ar trauslumu, tīra HAp pielietojums ir ierobežots. Materiālu pētījumos ir pieliktas daudzas pūles, lai modificētu HAp ar polimēriem, jo dabīgais kauls ir kompozīts, kas galvenokārt sastāv no nanoizmēra, adatām līdzīgiem HAp kristāliem (veido aptuveni 65 masas% kaulu). HAp ultraskaņas modifikācija un kompozītu sintēze ar uzlabotām materiāla īpašībām piedāvā daudzveidīgas iespējas (skatīt dažus piemērus zemāk).
Praktiski piemēri:
Nano-HAp sintēze
Gelantīna-hidroksiapatīta (Gel-HAp) sintēze
Viss risinājums tika apstrādāts ar ultraskaņu 1h. pH vērtību visu laiku pārbaudīja un uzturēja pH 9 līmenī, un Ca/P attiecība tika koriģēta uz 1,67. Balto nogulšņu filtrēšana tika panākta centrifugējot, kā rezultātā ieguva biezu vircu. Dažādi paraugi tika termiski apstrādāti mēģenes krāsnī 2h 100, 200, 300 un 400°C temperatūrā. Tādējādi tika iegūts Gel–HAp pulveris granulētā veidā, kas tika sasmalcināts līdz smalkam pulverim un kam raksturīgas XRD, FE-SEM un FT-IR. Rezultāti liecina, ka viegla ultrasonikācija un želatīna klātbūtne HAp augšanas fāzē veicina zemāku saķeri – tādējādi radot mazāku un veidojot regulāru Gel–HAp nanodaļiņu sfērisku formu. Viegla ultraskaņas apstrāde palīdz sintezēt nano izmēra Gel–HAp daļiņas ultraskaņas homogenizācijas efektu dēļ. Amīda un karbonilsugas no želatīna pēc tam augšanas fāzē piesaistās HAp nanodaļiņām, izmantojot sonoķīmiski atbalstītu mijiedarbību.
[Brundavanam et al. 2011]
HAp nogulsnēšanās uz titāna trombocītiem
HAp ar sudraba pārklājumu
Magnētiskā maisītāja un ultrasonikatora iestatīšana UP400S tika izmantots ar sudrabu pārklātam Hap preparātam [Ignatev et al 2013]
Mūsu spēcīgās ultraskaņas ierīces ir uzticami instrumenti, lai apstrādātu daļiņas sub mikronu un nano izmēra diapazonā. Neatkarīgi no tā, vai vēlaties sintezēt, izkliedēt vai funkcionalizēt daļiņas mazās mēģenēs pētniecības nolūkos, vai arī jums ir jāapstrādā liels daudzums nanopulvera vircas komerciālai ražošanai – Hielscher piedāvā piemērotu ultrasonicator jūsu prasībām!
Ultraskaņas homogenizators UP400S
Literatūra/Atsauces
- Brundavanams, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinoss, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Atšķaidīta želatīna ietekme uz nano hidroksiapatīta ultraskaņas termiski atbalstīto sintēzi. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Čengizs, B.; Gokce, J.; Jildis, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Hidroyapatīta nanodaļiņu sintēze un raksturojums. Koloīdi un virsmas A: Physicochem. Eng. Aspekti 322; 2008. 29-33.
- Ignatjevs, M.; Ribaks, T.; Kolonges, G.; Šarfs, V.; Marke, S. (2013): Ar plazmu izsmidzināti hidroksiapatīta pārklājumi ar sudraba nanodaļiņām. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
- Jevtiča, M.; Radulovičs, A.; Ignjatovića, N.; Mitričs, M.; Uskoković, D. (2009): Kontrolēta poli(d,l-laktīda-ko-glikolīda)/ hidroksiapatīta kodola–čaulas nanosfēru montāža ultraskaņas apstarošanas režīmā. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
- Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Hidroksiapatīta sagatavošana no liellopu kauliem, izmantojot kombinētas ultraskaņas un smidzināšanas žāvēšanas metodes. Ķīmijas, bioķīmijas un vides zinātņu konf. (ICBEE'2012) Singapūra, 2012. gada 14.-15. decembris.
- Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Ultraskaņas ietekme uz nano-hidroksiapatīta kristāliskumu, izmantojot mitru ķīmisko metodi. Ir J Pharma Sci 4/2; 2008. 163-168
- Ozhukil Kollatha, V.; Čencs, Dž.; Klossebs, R.; Luitena, J.; Treinaba, K.; Mullensa, S.; Boccaccinic, A. R.; Clootsb, R. (2013): AC vs. DC hidroksiapatīta elektroforētiskā nogulsnēšana uz titāna. Eiropas Keramikas biedrības žurnāls 33; 2013. 2715–2721.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Ti Le, X.; Fawcett, D. (2012): Porainas keramikas mehāniskās īpašības, kas iegūtas no 30 nm izmēra hidroksiapatīta pulvera uz daļiņu bāzes, potenciālajiem cieto audu inženierijas lietojumiem. Amerikas Biomedicīnas inženierzinātņu žurnāls 2/6; 2012. 278-286.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Ti Le, X.; Djordjeviča, S.; Prokičs, M.; Fawcett, D. (2011): Termiskā un ultraskaņas ietekme nanometra mēroga hidroksiapatīta bio-keramikas veidošanā. Starptautiskais nanomedicīnas žurnāls 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinoss, N.; Dzjans, Z.-T. (2009): Nanohidroksapatīta sintēze un raksturošana, izmantojot ultraskaņas metodi. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Soipāns, I.; Mels, M.; Ramešs, S.; Khalid, K.A: (2007): Porains hidroksiapatīts mākslīgo kaulu lietojumiem. Progresīvo materiālu zinātne un tehnoloģija 8. 2007. 116.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer ķīmijas tehnoloģijas enciklopēdija; 4. izd. Dž. & Dēli: Ņujorka, 1998. gada 26. sēj. 517-541.
Ultraskaņas ierīce UIP1500hd ar caurplūdes reaktoru