Hielscher ultralydteknologi

Sono-syntese av nano-hydroksyapatitt

Hydroksyapatitt (HA eller HAp) er en høyt frekvente bioaktive keramikk for medisinske formål på grunn av dens lignende struktur til benmateriale. Den ultrasonisk assisterte syntesen (sonosyntese) av hydroksyapatitt er en vellykket teknikk for å produsere nanostrukturerte HAp til høyeste kvalitetsstandarder. Ultralydruten gjør det mulig å produsere nanokrystallinsk HAp samt modifiserte partikler, for eksempel kjerne-shell nanospherer og kompositter.

Hydroksyapatitt: En allsidig mineral

Hydroxylapatitt eller hydroksyapatitt (HAp, også HA) er en naturlig forekommende mineral form av kalsiumapatitt med formelen Ca5(Bestilling4)3(ÅH). For å betegne at krystallenhetscellen består av to enheter, er den vanligvis skrevet Ca10(Bestilling4)6(ÅH)2. Hydroxylapatitt er hydroksyl-endemannen av den komplekse apatittgruppen. OH-ionet kan erstattes av fluor, klorid eller karbonat, som produserer fluorapatitt eller klorapatitt. Den krystalliserer i det sekskantede krystallsystemet. HAp er kjent som benmateriale fordi opptil 50 vektprosent ben er en modifisert form av hydroksyapatitt.
I medisin er nanostrukturert porøst HAp et interessant materiale for kunstig beinbehandling. På grunn av sin gode biokompatibilitet i benkontakt og dens lignende kjemiske sammensetning til benmateriale, har porøs HAp-keramikk funnet enorm bruk i biomedisinske applikasjoner, inkludert beinvevsgenerering, celleproliferasjon og levering av legemidler.
"I beinvevsteknikk har det blitt brukt som fyllmateriale for beindefekter og forsterkning, kunstig beingraft materiale og protese revisjon kirurgi. Dens høye overflateområde fører til utmerket osteokonduktivitet og resorberbarhet som gir rask beininnvokst. "[Soypan et al. 2007] Så mange moderne implantater er belagt med hydroksylapatitt.
En annen lovende anvendelse av mikrokrystallinsk hydroksylapatitt er dens bruk som “ben-bygning” supplement med overlegen absorpsjon i forhold til kalsium.
Ved siden av bruken som reparasjonsmateriale for bein og tenner, kan andre anvendelser av HAp bli funnet i katalyse, gjødselproduksjon, som sammensatt i farmasøytiske produkter, i proteinkromatografiapplikasjoner og vannbehandlingsprosesser.

Effekt Ultralyd: Effekter og virkninger

Sonikering beskrives som en prosess der et akustisk felt brukes, som er koblet til et flytende medium. Ultralydbølgene overføres i væsken og produserer vekslende høytrykks/lavtrykkssykluser (kompresjon og sjeldnere). Under sjeldnere fase dukke små vakuumbobler eller hulrom i væsken, som vokser over ulike høyt trykk/lavtrykkssykluser til boblen ikke kan absorbere mer energi. I denne fasen implodes boblene voldsomt under en kompresjons fase. Under en slik boble kollaps en stor mengde energi slippes i form av et sjokkbølger, høye temperaturer (ca. 000K) og trykk (ca. 2, 000atm). Videre disse "hot spots" er preget av svært høye kjølehastigheter. Implosjon av boblen resulterer også i flytende stråler med opptil 280m/s hastighet. Dette fenomenet kalles kavitasjon.
Når disse ekstreme kreftene, som genereres under sammenbruddet, blir kavitasjonsbobler, utvides i det sonikerte medium, påvirkes partikler og dråper – som resulterer i interparticle kollisjon, slik at det faste stoffet knuses. Derved oppnås partikkelstørrelsesreduksjon som fresing, deagglomerering og dispersjon. Partiklene kan reduseres til submikron- og nano-størrelse.
Ved siden av de mekaniske effektene, kan den kraftige sonikasjonen skape frie radikaler, skjære molekyler og aktivere partiklens overflater. Disse fenomenene kalles sonokemi.

sono-syntese

En ultralydbehandling av oppslemmingen resulterer i meget fine partikler med jevn fordeling, slik at flere kjerneområder for nedbør oppstår.
HAp-partikler syntetisert under ultralydbehandling viser et redusert nivå av agglomerering. Den lavere tendensen til agglomerering av ultrasonisk syntetisert HAp ble bekreftet, for eksempel ved FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) analyse av Poinern et al. (2009).

Ultralyd hjelper og fremmer kjemiske reaksjoner ved ultralydkavitasjon og dens fysiske effekter som direkte påvirker partikkelmorfologi under vekstfasen. De viktigste fordelene ved ultralydbehandling som resulterer i fremstilling av superfine reaksjonsblandinger er

  • 1) økt reaksjonshastighet,
  • 2) redusert behandlingstid
  • 3) En samlet forbedring i effektiv bruk av energi.

Poinern et al. (2011) utviklet en våtkjemisk rute som bruker kalsiumnitrattetrahydrat (Ca [NO3] 2 · 4H2O) og kaliumdihydrogenfosfat (KH2PO4) som hovedreaktanter. For kontroll av pH-verdien under syntesen ble ammoniumhydroksyd (NH4OH) tilsatt.
Ultralydprosessoren var en UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode m / 7 mm diameter) fra Hielscher Ultrasonics.

Trinn av nano-HAP syntese:

En 40 ml løsning av 0,32 M Ca (NO3)2 · 4H2O ble fremstilt i et lite beger. Oppløsnings-pH ble deretter justert til 9,0 med ca. 2,5 ml NH4ÅH. Løsningen ble sonikert med UP50H ved 100% amplitude innstilling i 1 time.
Ved slutten av den første timen ble en 60 ml løsning av 0,19 M [KH2Po4] ble så sakte tilsatt dråpevis i den første løsningen mens den gjennomgikk en andre time ultralydbestråling. Under blandingsprosessen ble pH-verdien kontrollert og opprettholdt ved 9 mens Ca / P-forholdet ble holdt ved 1,67. Oppløsningen ble deretter filtrert ved bruk av sentrifugering (~ 2000 g), hvorpå det resulterende hvite utfelling ble proporsjonert i et antall prøver for varmebehandling.
Tilstedeværelsen av ultralyd i synteseprosedyren før den termiske behandlingen har en signifikant innflytelse i dannelsen av de første nano-HAP-partikkelforløpere. Dette skyldes at partikkelstørrelsen er relatert til nukleering og vekstmønsteret av materialet, som igjen er relatert til graden av supermetning i væskefasen.
I tillegg kan både partikkelstørrelsen og dens morfologi påvirkes direkte under denne synteseprosessen. Effekten av å øke ultralydseffekten fra 0 til 50W viste at det var mulig å redusere partikkelstørrelsen før termisk behandling.
Den økende ultralydseffekten som ble brukt til å bestråle væsken, indikerte at større antall bobler / kavitasjoner ble produsert. Dette resulterte i sin tur i flere kjerneområder, og som et resultat er partiklene dannet rundt disse områdene mindre. Videre viser partikler utsatt for lengre perioder med ultralydbestråling mindre agglomerering. Etterfølgende FESEM-data har bekreftet den reduserte partikkelagglomerering når ultralyd brukes i synteseprosessen.
Nano-HAp-partikler i nanometerstørrelsesområdet og sfærisk morfologi ble fremstilt ved bruk av en våt kjemisk utfellingsteknikk i nærvær av ultralyd. Det ble funnet at den krystallinske strukturen og morfologien til de resulterende nano-HAP pulver var avhengig av kraften til ultralydbestrålingskilden og den etterfølgende termiske behandling som ble anvendt. Det var tydelig at tilstedeværelsen av ultralyd i synteseprosessen fremmet de kjemiske reaksjoner og fysiske effekter som senere produserte ultrafine nano-HAp-pulver etter termisk behandling.

Kontinuerlig ultralydbehandling med en glassflytcelle

Sonikering i et ultralyd reaktorkammer

hydroksyapatitt:

  • hoved uorganisk kalsiumfosfat mineral
  • høy biokompatibilitet
  • langsom biologisk nedbrytbarhet
  • osteokonduktiv
  • ikke-toksisk
  • ikke-immun
  • kan kombineres med polymerer og / eller glass
  • god absorpsjonsstrukturmatrise for andre molekyler
  • utmerket bein erstatning

Ultralyd homogenisatorer er kraftige verktøy for å syntetisere og funksjonalisere partikler, for eksempel HAp

Sonde-type ultralydapparat UP50H

HA-syntese via Ultrasonic Sol-Gel Route

Ultralydsassistert sol-gel-rute for syntese av nanostrukturerte HAp-partikler:
Materiale:
– reaktanter: Kalsiumnitrat Ca (NO3)2, di-ammoniumhydrogenfosfat (NH4)2HPO4, Natriumhydroksyd-NaOH;
– 25 ml testrør

  1. Oppløs Ca (NO3)2 og (NH4)2HPO4 i destillert vann (molforhold kalsium til fosfor: 1,67)
  2. Tilsett litt NaOH i løsningen for å holde pH rundt 10.
  3. Ultralydbehandling med en UP100H (sonotrode MS10, amplitude 100%)
  • De hydrotermiske syntesene ble utført ved 150 ° C i 24 timer i en elektrisk ovn.
  • Etter reaksjonen kan krystallinsk HAp høstes ved sentrifugering og vasking med avionisert vann.
  • Analyse av det oppnådde HAp-nanopulveret ved mikroskopi (SEM, TEM) og / eller spektroskopi (FT-IR). De syntetiserte HAp nanopartikler viser høy krystallinitet. Ulike morfologi kan observeres avhengig av sonikeringstiden. Lengre sonikering kan føre til ensartede HAp nanoroder med høyt aspektforhold og ultrahøy krystallinitet. [Cp. Manafi et al. 2008]

Modifisering av HAp

På grunn av sin brølhet er anvendelsen av ren HAp begrenset. I materialforskning har det blitt gjort mange anstrengelser for å modifisere HAp av polymerer siden den naturlige bein er et kompositt hovedsakelig besto av nanostørrende, nålaktig HAp-krystaller (står for ca. 65 vekt% av bein). Den ultralydsbestemt modifisering av HAp og syntese av kompositter med forbedrede materialegenskaper gir mange muligheter (se noen eksempler nedenfor).

Praktiske eksempler:

Syntese av nano-HAp

I studien av Poinern et al. (2009), en Hielscher UP50H sonde-type ultralydapparat ble vellykket brukt til sono-syntese av HAp. Med økning av ultralydenergi, ble partiklens størrelse på HAp-krystallittene redusert. Nanostrukturert hydroksyapatitt (HAp) ble fremstilt ved hjelp av en ultralydassistert våtutfellingsteknikk. Ca (NO3) og KH25Po4 ble brukt som hovedmateriale og NH3 som utfelter. Den hydrotermiske nedbøringen under ultralydbestråling resulterte i nanostørrelse HAp-partikler med en sfærisk morfologi i nanomålerens størrelsesområde (ca. 30nm ± 5%). Poinern og medarbeidere fant den sono-hydrotermiske syntesen en økonomisk rute med sterk oppskaleringskapasitet til kommersiell produksjon.

Syntese av gelantin-hydroksyapatitt (Gel-HAp)

Brundavanam og medarbeidere har vellykket utarbeidet en gelantin-hydroksyapatitt (Gel-HAp) kompositt under milde sonikasjonsbetingelser. For fremstilling av gelantin-hydroksyapatitt har 1 g gelatin blitt fullstendig oppløst i 1000 ml MilliQ vann ved 40 ° C. 2 ml av den fremstilte gelatinløsning ble så tilsatt til Ca2 + / NH3 blanding. Blandingen ble sonikert med en UP50H ultralydsapparat (50W, 30kHz). Under sonikering, 60mL av 0,19 M KH2Po4 ble tilsatt dråpevis til blandingen.
Hele løsningen ble sonikert for 1h. PH-verdien ble kontrollert og vedlikeholdt ved pH 9 til enhver tid, og ca/P-forholdet ble justert til 1,67. Filtrering av den hvite utfelling ble oppnådd ved sentrifugering, noe som resulterer i en tykk slurry. Ulike prøvene ble varmebehandlet i et rør ovn for 2h ved en temperatur på 100, 200, 300 og 400 ° c. Derved ble en gel-HAp pulver i granulatform innhentet, som ble slipt til et fint pulver og preget av XRD, FE-SEM og FT-IR. Resultatene viser at mild ultralydbehandling og tilstedeværelse av gelatin under vekstfasen av HAp fremmer lavere vedheft – og dermed resulterer i en mindre og danner en vanlig sfærisk form av gel-HAp nano-partikler. Den milde sonikering bistår syntesen av nano-sized gel-HAp-partikler på grunn av ultralyd homogenisering effekt. Amid og karbonyl arter fra gelatin deretter festes til HAp nano-partikler i vekstfasen via sonokemisk assistert interaksjon.
[Brundavanam et al. 2011]

Deponering av HAp på Titanium Platelets

Ozhukil Kollatha et al. (2013) har belagt Ti-plater med hydroksyapatitt. Før avsetningen ble HAp-suspensjonen homogenisert med en UP400S (400 watt ultralydapparat med ultralydhorn H14, lydbehandlingstid 40 sekunder ved 75% amplitude).

Sølvbelagt hår

Ignatev og medarbeidere (2013) utviklet en biosyntetisk metode hvor sølv nanopartikler (AgNp) ble avsatt på HAp for å oppnå et HAp-belegg med antibakterielle egenskaper og å redusere den cytotoksiske effekten. For deagglomerering av sølvnanopartiklene og for sedimenteringen av dem på hydroksyapatitten, en Hielscher UP400S var brukt.

Ignatev og hans medarbeidere brukte ultralyd sondetype UP400S for sølvbelagt HAp-produksjon.

Et oppsett av magnetisk omrører og ultralyd UP400S ble brukt til sølvbelagt Hap-preparat [Ignatev et al 2013]


Våre kraftige ultralydsenheter er pålitelige verktøy for å behandle partikler i sub mikron- og nano-størrelse. Uansett om du vil syntetisere, dispergere eller funksjonalisere partikler i små rør for forskningsformål, eller du må behandle store mengder nanopulveroppslemmer til kommersiell produksjon – Hielscher tilbyr den passende ultralydsapparatet for dine behov!

UP400S med ultralydreaktor

Ultralyd homogenisator UP400S


Kontakt oss / be om mer informasjon

Snakk med oss ​​om dine krav til behandling. Vi vil anbefale de mest egnede oppsett- og behandlingsparametrene for prosjektet ditt.





Vær oppmerksom på at Personvernregler.


Litteratur / Referanser

  • Brundavanam, RK; Jinag, Z.-T., Chapman, P .; Le, X.-T .; Mondinos, N .; Fawcett, D .; Poinern, GEJ (2011): Effekt av fortynnet gelatin på ultrasonisk termisk assistert syntese av nanohydroksyapatitt. Ultralyd. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
  • Cengiz, B.; GOKCE, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): syntese og karakterisering av hydroyapatitt nanopartikler. Colloids og overflater A: Physicochem. Eng. aspekter 322; 2008.29-33.
  • Ignatev, M .; Rybak, T .; Colonges, G .; Scharff, W .; Marke, S. (2013): Plasma Sprayed Hydroxyapatite Coatings With Silver Nanoparticles. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
  • Jevtića, M .; Radulovic, A .; Ignjatovića, N .; Mitrićb, M .; Uskoković, D. (2009): Kontrollert montering av poly (d, l-laktid-co-glykolid) / hydroksyapatitt kjernehals nanosfærer under ultralydbestråling. Acta Biomaterialia 5/1; 2009. 208-218.
  • Kusrini, E .; Pudjiastuti, AR; Astutiningsih, S .; Harjanto, S. (2012): Fremstilling av hydroksyapatitt fra bovin ben ved kombinasjonsmetoder for ultralyd og sprøytetørking. Intl. Conf. om kjemiske, biokjemiske og miljøvitenskapelige fakulteter (ICBEE'2012) Singapore, desember 14-15, 2012.
  • Manafi, S .; Badiee, SH (2008): Effekt av ultralyd på krystallinitet av nano-hydroksyapatitt via våt kjemisk metode. 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 elektroforetisk deponering av hydroksyapatitt på titan. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715-2721.
  • Poinern, GEJ; Brundavanam, RK; Thi Le, X .; Fawcett, D. (2012): De mekaniske egenskapene til en porøs keramikk avledet fra et 30 nm partikkelbasert pulver av hydroksyapatitt for potensielle hardvevsteknikkapplikasjoner. 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): termisk og ultralyd innflytelse i dannelsen av nanometer skala hydroksyapatitt bio-keramisk. Den internasjonale tidsskrift for Nanomedisin 6; 2011.2083 – 2095.
  • Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): syntese og karakterisering av nanohydroxyapatite ved hjelp av en ultralydassistert metode. Ultrasonics Sonochemistry, 16/4; 2009.469-474.
  • Soypan, I .; Mel, M .; Ramesh, S .; Khalid, KA: (2007): Porøs hydroksyapatitt for kunstige beinapplikasjoner. Vitenskap og teknologi av avanserte materialer 8. 2007. 116.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4. Ed. J. Wiley & Sønner: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.

Ultralydsenheter for benk og produksjon som UIP1500hd gir full industriell karakter.

Ultralydsenhet UIP1500hd med gjennomstrømningsreaktor