Sonosynthese van nanohydroxyapatiet

Hydroxyapatiet (HA of HAp) is een veelgebruikte bioactieve keramiek voor medische doeleinden vanwege de structuur die lijkt op die van botmateriaal. De ultrasoon ondersteunde synthese (sonosynthese) van hydroxyapatiet is een succesvolle techniek om nanogestructureerd HAp van de hoogste kwaliteit te produceren. De ultrasone route maakt het mogelijk om nanokristallijn HAp te produceren, maar ook gemodificeerde deeltjes, zoals core-shell nanosferen, en composieten.

sonosynthese

Een ultrasone behandeling van de slurry resulteert in zeer fijne deeltjes met een gelijkmatige verdeling, zodat er meer kernen voor precipitatie ontstaan.
HAp deeltjes gesynthetiseerd onder ultrasone trillingen vertonen een verminderde mate van agglomeratie. De lagere neiging tot agglomeratie van ultrasoon gesynthetiseerd HAp werd bijvoorbeeld bevestigd door FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) analyse van Poinern et al. (2009).

Ultrasoon geluid ondersteunt en bevordert chemische reacties door ultrasone cavitatie en zijn fysische effecten die de morfologie van de deeltjes tijdens de groeifase rechtstreeks beïnvloeden. De belangrijkste voordelen van ultrasone trillingen bij de bereiding van superfijne reactiemengsels zijn

• 1) verhoogde reactiesnelheid,
• 2) kortere verwerkingstijd
• 3) een algemene verbetering in het efficiënte gebruik van energie.

Poinern et al. (2011) ontwikkelden een natchemische route waarbij calciumnitraat tetrahydraat (Ca[NO3]2 - 4H2O) en kaliumdiwaterstoffosfaat (KH2PO4) als belangrijkste reactanten worden gebruikt. Om de pH-waarde tijdens de synthese te regelen, werd ammoniumhydroxide (NH4OH) toegevoegd.
De echoprocessor was een UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode met 7 mm diameter) van Hielscher Ultrasonics.

Ultrasonisch gereduceerd en gedispergeerd calcium-hydroxyapatiet

Stappen van nano-HAP synthese:

Een 40 mL oplossing van 0,32M Ca(NO₃)₂ - 4H₂O bereid in een klein bekerglas. De pH van de oplossing werd vervolgens op 9,0 gebracht met ongeveer 2,5 ml NH₄OH. De oplossing werd met de UP50H op 100% amplitude-instelling gedurende 1 uur.
Aan het eind van het eerste uur werd een 60 mL oplossing van 0,19M [KH₂PO₄] werd vervolgens langzaam druppelsgewijs toegevoegd aan de eerste oplossing terwijl deze een tweede uur ultrasone bestraling onderging. Tijdens het mengproces werd de pH-waarde gecontroleerd en op 9 gehouden, terwijl de Ca/P-verhouding op 1,67 werd gehouden. De oplossing werd vervolgens gefilterd door middel van centrifugeren (~2000 g), waarna het resulterende witte neerslag werd verdeeld in een aantal monsters voor warmtebehandeling.
De aanwezigheid van ultrageluid in de syntheseprocedure voorafgaand aan de thermische behandeling heeft een significante invloed op de vorming van de initiële voorlopers van nano-HAP-deeltjes. Dit komt doordat de deeltjesgrootte verband houdt met de nucleatie en het groeipatroon van het materiaal, dat op zijn beurt weer verband houdt met de mate van oververzadiging in de vloeibare fase.
Bovendien kunnen zowel de deeltjesgrootte als de morfologie direct worden beïnvloed tijdens dit syntheseproces. Het effect van het verhogen van het ultrageluidvermogen van 0 tot 50 W toonde aan dat het mogelijk was om de deeltjesgrootte vóór de thermische behandeling te verkleinen.
Het toenemende ultrageluidvermogen dat werd gebruikt om de vloeistof te bestralen, gaf aan dat er grotere aantallen bellen/holten werden geproduceerd. Dit veroorzaakte op zijn beurt meer nucleatieplaatsen en als gevolg daarvan zijn de deeltjes die rond deze plaatsen worden gevormd kleiner. Bovendien vertonen deeltjes die blootgesteld werden aan langere perioden van ultrasone bestraling minder agglomeratie. Latere FESEM-gegevens hebben de verminderde agglomeratie van de deeltjes bevestigd wanneer ultrasoon geluid wordt gebruikt tijdens het syntheseproces.
Nano-HAP deeltjes met nanometerafmetingen en een sferische morfologie werden geproduceerd met behulp van een natte chemische precipitatietechniek in aanwezigheid van ultrageluid. Het bleek dat de kristallijne structuur en morfologie van de resulterende nano-HAP poeders afhankelijk was van het vermogen van de ultrasone bestralingsbron en de daaropvolgende thermische behandeling. Het was duidelijk dat de aanwezigheid van ultrageluid in het syntheseproces de chemische reacties en fysische effecten bevorderde die vervolgens de ultrafijne nano-HAP-poeders produceerden na thermische behandeling.

Synthese van HAp via ultrasone solgelroute

Ultrasoon geassisteerde solgelroute voor de synthese van nanogestructureerde HAp-deeltjes:
Materiaal:
– reagentia: Calciumnitraat Ca(NO₃)₂, di-ammoniumwaterstoffosfaat (NH₄)₂HPO₄Natriumhydroxyd NaOH ;
– 25 ml reageerbuis

1. Los Ca(NO₃)₂ en (NH₄)₂HPO₄ in gedestilleerd water (molaire verhouding calcium/fosfor: 1,67)
2. Voeg wat NaOH toe aan de oplossing om de pH rond 10 te houden.
3. Ultrasone behandeling met een UP100H (sonotrode MS10, amplitude 100%)

• De hydrothermale syntheses werden uitgevoerd bij 150°C gedurende 24 uur in een elektrische oven.
• Na de reactie kan kristallijn HAp worden geoogst door centrifugeren en wassen met gedeïoniseerd water.
• Analyse van het verkregen HAp-nanopoeder met microscopie (SEM, TEM) en/of spectroscopie (FT-IR). De gesynthetiseerde HAp-nanodeeltjes vertonen een hoge kristalliniteit. Afhankelijk van de sonificatietijd kunnen verschillende morfologieën worden waargenomen. Langere sonificatie kan leiden tot uniforme HAp-nanorods met een hoge aspectratio en ultrahoge kristalliniteit. [cp. Manafi et al. 2008]

Wijziging van HAp

Vanwege de brosheid is de toepassing van zuiver HAp beperkt. In het materiaalonderzoek zijn veel pogingen gedaan om HAp te modificeren met polymeren, aangezien het natuurlijke bot een composiet is die voornamelijk bestaat uit nano-grote, naaldachtige HAp-kristallen (die ongeveer 65wt% van het bot uitmaken). De ultrasoon ondersteunde modificatie van HAp en de synthese van composieten met verbeterde materiaaleigenschappen biedt vele mogelijkheden (zie enkele voorbeelden hieronder).

Praktische voorbeelden:

Zilver gecoat HAp

Ignatev en collega's (2013) ontwikkelden een biosynthetische methode waarbij zilveren nanodeeltjes (AgNp) werden afgezet op HAp om een HAp-coating te verkrijgen met antibacteriële eigenschappen en om het cytotoxische effect te verminderen. Voor de deagglomeratie van de zilveren nanodeeltjes en hun sedimentatie op het hydroxyapatiet werd een Hielscher UP400S werd gebruikt.

Een opstelling van magneetroerder en ultrasoonapparaat UP400S werd gebruikt voor het prepareren van verzilverde Hap [Ignatev et al 2013].

Onze krachtige ultrasone apparaten zijn betrouwbare hulpmiddelen voor de behandeling van deeltjes met submicron- en nanogrootte. Of u nu deeltjes in kleine buisjes wilt synthetiseren, dispergeren of functionaliseren voor onderzoeksdoeleinden of grote volumes nanopoederslurries wilt behandelen voor commerciële productie... – Hielscher biedt de geschikte ultrasoonmachine voor uw eisen!