Sono-Síntese de nano-hidroxiapatite

A hidroxiapatite (HA ou HAp) é um material cerâmico bioactivo altamente frequentado para fins médicos devido à sua estrutura semelhante ao material ósseo. A síntese ultra-som assistida (sono-síntese) de hidroxiapatita é uma técnica bem sucedida para produzir nanoestruturado HAp em elevados padrões de qualidade. O percurso de ultra-sons permite produzir HAp nano-cristalino, bem como partículas modificadas, por exemplo nanoesferas core-shell, e compósitos.

Hidroxiapatita: A Versátil Mineral

Hidroxilapatite ou hidroxiapatite (HAp, também HA) é uma forma mineral que ocorre naturalmente de apatite de cálcio com a fórmula Ca₅(PO₄)₃(OH). A fim de indicar que a célula unitária de cristal compreende duas entidades, é geralmente escrita Ca₁₀(PO₄)₆Oh₂. Hidroxilapatite é o endmember hidroxilo do grupo apatita complexo. O ião OH- pode ser substituído por fluoreto, cloreto ou carbonato, fluorapatite produzir ou chlorapatite. Ele cristaliza no sistema cristalino hexagonal. HAp é conhecido como material de osso, de até 50% em peso de osso é uma forma modificada de hidroxiapatite.
Na medicina, nanoestruturado HAp poroso é um material interessante para aplicação osso artificial. Devido à sua boa biocompatibilidade em contacto com o osso e a sua composição química semelhante ao material ósseo, cerâmica porosa HAp tem encontrado uso enorme em aplicações biomédicas, incluindo regeneração de tecido ósseo, a proliferação celular, e a entrega da droga.
“Na engenharia de tecido ósseo que tenha sido aplicado como material para defeitos ósseos e, de aumento de material de enxerto de osso artificial, e cirurgia de revisão da prótese enchimento. A sua elevada área superficial conduz a excelente osteocondutividade e resorbability proporcionando o crescimento ósseo rápido. “[Soypan et al. De 2007] Assim, muitos implantes modernos são revestidos com hidroxiapatita.
Outra aplicação promissora de hidroxiapatita microcristalina é a sua utilização como “Construção óssea” complementar com uma absorção superior em comparação com cálcio.
Para além da sua utilização como material de reparação para o osso e dentes, outras aplicações de HAp pode ser encontrado em catálise, a produção de fertilizantes, como composto em produtos farmacêuticos, em aplicações de cromatograf ia de proteína, e processos de tratamento de água.

Poder Ultrassom: Efeitos e Impacto

Sonication é descrito como um processo onde um campo acústico é usado, que é acoplado a um meio líquido. As ondas de ultra-som se propagam no líquido e produzem ciclos alternados de alta pressão/baixa pressão (compressão e rarefação). Durante a fase de rarefação emergem pequenas bolhas de vácuo ou vazios no líquido, que crescem sobre vários ciclos de alta pressão/baixa pressão até que a bolha não pode absorver mais energia. Nesta fase, as bolhas implode violentamente durante uma fase de compressão. Durante tal colapso da bolha uma grande quantidade de energia é liberada em forma de ondas de choque, altas temperaturas (aprox. 5, 000K) e pressões (aprox. 2, 000atm). Além disso, esses "pontos quentes" são caracterizados por taxas de resfriamento muito elevadas. A implosão da bolha também resulta em jatos líquidos de até 280m/s de velocidade. Este fenômeno é denominado cavitação.
Quando estas forças extremas, que são geradas durante o colapso frequentemente ele bolhas de cavitação, expandir-se no meio de ultra-sons, partículas e as gotas são afectados – resultando em colisão interpartículas de modo que o fragmento sólido. Desse modo, a redução do tamanho de partícula, tais como moagem, desaglomeração e dispersão são alcançados. As partículas podem ser diminuted para submicron- e nano-tamanho.
Ao lado dos efeitos mecânicos, a sonicação poderoso pode criar radicais livres, moléculas de cisalhamento, e activar partículas superfícies. Estes fenómeno é conhecido como sonoquímica.

Sono-Síntese

Um tratamento de ultra-sons dos resultados de lamas em partículas muito finas com uma distribuição uniforme de modo a que mais locais de nucleação para a precipitação são criados.
partículas HAp sintetizados sob ultrasonicação mostram uma diminuição do nível de aglomeração. A menor tendência para a aglomeração de HAp ultrassonicamente sintetizado foi confirmada por exemplo por análise FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) de Poinern et al. (2009).

ajuda de ultra-som e promove reacções químicas por cavitação ultra-sónica e os seus efeitos físicos que influenciam directamente a morfologia das partículas durante a fase de crescimento. Os principais benefícios de ultra-sons resultando a preparação das misturas de reacção são superfino

1) o aumento da velocidade de reacção,
2) diminuição do tempo de processamento
3) uma melhoria global no uso eficiente de energia.

Poinern et al. (2011) desenvolveram uma via húmida-química que utiliza nitrato de cálcio tetra-hidratado (Ca [NO3] 2 · 4H2O) e dihidrogenofosfato de potássio (KH2PO4) como reagentes principais. Para o controlo do valor de pH durante a síntese, foi adicionado hidróxido de amónio (NH4OH).
O processador de ultra-sons era um UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrodo w / 7 mm de diâmetro) de Hielscher Ultrasonics.

Etapas de síntese nano-HAP:

Uma solução de 40 ml de 0,32 M de Ca (NO₃)₂ · 4 ः₂O foi preparada num copo pequeno. O pH da solução foi então ajustado para 9,0 com aproximadamente 2,5 mL de NH₄OH. A solução foi sonicada com a UP50H no ajuste da amplitude de 100% durante 1 hora.
No fim da primeira hora, uma solução de 60 ml de 0.19M [KH₂Po₄] Foi então adicionada lentamente gota a gota para a solução primeiro, enquanto passando por uma segunda hora de irradiação ultra-sónica. Durante o processo de mistura, o valor pH foi verificado e mantido a 9, enquanto que a razão Ca / P foi mantida a 1,67. A solução foi, em seguida, filtrada utilizando centrifugação (~ 2,000 g), após o qual o precipitado branco resultante foi proporcionado em uma série de amostras para tratamento térmico.
A presença de ultra-sons no processo de síntese, antes do tratamento térmico tem uma influência significativa na formação dos precursores iniciais de partículas nano-HAP. Isto é devido ao tamanho das partículas a ser relacionada com a nucleação e o padrão de crescimento do material, que por sua vez está relacionada com o grau de super-saturação dentro da fase líquida.
Além disso, tanto o tamanho das partículas e a sua morfologia pode ser directamente influenciada durante este processo de stese. O efeito de aumentar a potência de ultra-sons a partir de 0 a 50W mostrou que era possível diminuir o tamanho das partículas antes do tratamento térmico.
A energia de ultra-sons aumentando usada para irradiar o líquido indicou que um maior número de bolhas / cavitações estavam a ser produzido. Este, por sua vez produzido mais locais de nucleação e como resultado as partículas formadas em torno destes locais são menores. Além disso, as partículas expostas a períodos mais longos de irradiação ultra-sónica mostrar menos aglomeração. FESEM dados subsequente confirmou a aglomeração de partícula reduzido quando o ultra-som é utilizado durante o processo de síntese.
partículas nano-HAp na gama de tamanho de nanómetro e morfologia esférica foram produzidas usando uma técnica de precipitação química húmida na presença de ultra-som. Verificou-se que a estrutura cristalina e a morfologia dos pós resultantes nano-HAP foi dependente da potência da fonte de irradiação ultra-sónica e o subsequente tratamento térmico utilizado. Era evidente que a presença de ultra-sons no processo de síntese promovido as reacções químicas e físicas de que os efeitos produzidos subsequentemente o ultrafinas nano pós HAp após o tratamento térmico.

ultra-sons contínuo com uma célula de fluxo de vidro

Sonicação em uma câmara de reactor de ultra-sons

5ª Conferência electrónica internacional sobre química medicinal

hidroxiapatita:

principal mineral de fosfato de cálcio inorgânico
alta biocompatibilidade
biodegradabilidade lenta
osteocondutor
não tóxico
não imunogénico
podem ser combinados com os polímeros e / ou copo
boa estrutura de matriz para a absorção de outras moléculas
excelente substituto de osso

homogeneizadores de ultra-sons são ferramentas poderosas para sintetizar e funcionalizar partículas, tais como HAp

Sonda de tipo ultra-som UP50H

HAp Síntese através de ultra-som Sol-Gel Route

Ultrassonicamente assistida via sol-gel para a síntese de partículas HAp nanoestruturados:
Material:
– reagentes: nitrato de cálcio Ca (NO₃)₂, Hidrogeno-fosfato de di-amónio (NH₄)₂HPO₄, Sódio hydroxyd NaOH;
– 25 ml tubo teste

Dissolver CA (não₃)₂ e (NH₄)₂HPO₄ em água destilada (relação molar de cálcio para fosforoso: 1,67)
Adicionar algumas NaOH à solução para manter o pH em torno de 10.
tratamento de ultra-sons com um UP100H (Sonotrodo MS10, amplitude de 100%)

As sínteses hidrotermais foram conduzidos a 150 ° C durante 24 horas num forno eléctrico.
Após a reacção, HAP cristalina podem ser colhidas por centrifugação e lavagem com água desionizada.
Análise do nanopowder HAp obtida por microscopia (SEM, TEM,) e / ou espectroscopia de (FT-IR). As nanopartículas de HAp sintetizados mostram uma alta cristalinidade. morfologia diferente pode ser observada em função do tempo de sonicação. Mais de ultra-sons podem levar a nanorods HAp uniformes com uma elevada razão de aspecto e de ultra-alta cristalinidade. [Cp. Manafi et ai. 2008]

Modificação do HAp

Devido à sua fragilidade, a aplicação de pura HAp é limitado. Na pesquisa de materiais, muitos esforços têm sido feitos para modificar HAp por polímeros desde que o osso natural é um compósito consistia principalmente de tamanho nano-cristais, HAp em forma de agulha (contas durante cerca de 65% em peso de osso). A modificação ultrassonicamente assistida de HAp e síntese de compostos com características aperfeiçoadas de materiais oferece múltiplas possibilidades (ver alguns exemplos abaixo).

Exemplos práticos:

Síntese de nano-HAp

No estudo de Poinern et al. (2009), um Hielscher UP50H -Tipo de sonda ultrasonicator foi utilizado com sucesso para a síntese de sono-HAp. Com o aumento da energia de ultra-som, o tamanho das partículas das cristalites de HAp diminuiu. hidroxiapatite nanoestruturados (HAp) foi preparada por uma técnica de molhado-precipitação ultrassonicamente assistida. Ca (NO₃) E KH₂₅Po₄ werde utilizado como o material principal e NH₃ como o precipitador. A precipitação hidrotérmica sob irradiação de ultra-sons resultou em partículas de tamanho nano-HAp com uma morfologia esférica no intervalo de tamanho nano metros (aprox. 30 nm ± 5%). Poinern e colaboradores encontraram o sono-hidrotermal síntese de uma rota econômica com forte capacidade scale-up para a produção comercial.

Síntese de gelantine-hidroxiapatite (HAp-Gel)

Brundavanam e colaboradores prepararam com êxito um compósito gelantine-hidroxiapatite (HAp-Gel) sob condições de sonicação suave. Para a preparação de gelantine-hidroxiapatita, 1 g de gelatina foi completamente dissolvido em água Milli-Q de 1000 mL a 40 ° C. 2 mL da solução de gelatina preparada foi em seguida adicionada ao Ca2 + / NH₃ mistura. A mistura foi sonicada com uma UP50H ultrasonicator (50W, 30 kHz). Durante a sonicação, 60 ml de 0.19M KH₂Po₄ foram gota-sensatamente adicionado à mistura.
Toda a solução foi sonicated por 1h. O valor de pH foi verificado e mantido em pH 9 em todos os momentos e a relação CA/P foi ajustada para 1,67. A filtração do precipitado branco foi conseguida pela centrifugação, tendo por resultado uma pasta grossa. Amostras diferentes foram tratadas termicamente em um forno de tubo para 2h a uma temperatura de 100, 200, 300 e 400 ° c. Assim, obteve-se um pó gel-HAp em forma granular, que foi moído para um pó fino e caracterizado por XRD, FE-SEM e FT-IR. Os resultados mostram que o ultrasonication suave e a presença de gelatina durante a fase de crescimento do HAp promovem uma menor aderência – resultando, assim, em um menor e formando uma forma esférica regular das nano-partículas de gel – HAp. O sonication suave auxilia a síntese de nano-tamanho de partículas de gel-HAp devido a efeitos de homogeneização ultra-sônica. As espécies de Amida e carbonilo da gelatina posteriormente se unem às nano-partículas de HAp durante a fase de crescimento por meio da interação sonoquimicamente assistida.
[Brundavanam et al. 2011]

Deposição de HAp em Plaquetas Titanium

Ozhukil Kollatha et al. (2013) foram revestidas placas de Ti com hidroxiapatite. Antes da deposição, a suspensão HAp foi homogeneizada com um UP400S (400 watts dispositivo de ultra-sons com H14 corneta ultra-sónica, tempo de sonicação de 40 seg. A uma amplitude de 75%).

Prata revestido HAp

Ignatev e colaboradores (2013) desenvolveram um método biossintética onde nanopartículas de prata (AgNp) foram depositados em HAp para se obter um revestimento com propriedades antibacterianas HAp e para diminuir o efeito citotóxico. Para a desaglomeração das nanopartículas de prata e para a sua sedimentação na hidroxiapatita, um Hielscher UP400S foi usado.

Ignatev e seus colegas de trabalho utilizado os UP400S dispositivo do tipo sonda de ultra-sons para a produção HAp revestido de prata.

A configuração do agitador magnético e ultrasonicator UP400S foi utilizado para a preparação de Hap com revestimento de prata [Ignatev et al 2013]

Os nossos poderosos dispositivos de ultra-sons são ferramentas fiáveis para o tratamento de partículas na sub mícron e gama de tamanho de nano-. Se você deseja sintetizar, dispersar ou funcionalizar partículas em pequenos tubos para fins de pesquisa ou você precisa para tratar grandes volumes de lamas nano-pó para a produção comercial – Hielscher oferece a ultrasonicator adequado para suas necessidades!

Ultrasonic homogeneizador UP400S

Literatura / Referências

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