Sono-síntese de nano-hidroxiapatita
A hidroxiapatite (HA ou HAp) é uma cerâmica bioactiva muito utilizada para fins médicos devido à sua estrutura semelhante à do material ósseo. A síntese assistida por ultra-sons (sono-síntese) de hidroxiapatite é uma técnica bem sucedida para produzir HAp nanoestruturada com os mais elevados padrões de qualidade. A via ultra-sónica permite produzir HAp nano-cristalino, bem como partículas modificadas, por exemplo, nanoesferas core-shell, e compósitos.
Hidroxiapatita: Um mineral versátil
Em medicina, a HAp porosa nanoestruturada é um material interessante para aplicação em ossos artificiais. Devido à sua boa biocompatibilidade em contacto com o osso e à sua composição química semelhante à do material ósseo, a cerâmica porosa HAp tem tido uma enorme utilização em aplicações biomédicas, incluindo a regeneração do tecido ósseo, a proliferação celular e a administração de medicamentos.
"Na engenharia do tecido ósseo, tem sido aplicado como material de enchimento para defeitos ósseos e aumento, material de enxerto ósseo artificial e cirurgia de revisão de próteses. A sua elevada área de superfície conduz a uma excelente osteocondutividade e reabsorção, proporcionando um rápido crescimento ósseo." [Soypan et al. 2007] Assim, muitos implantes modernos são revestidos com hidroxilapatite.
Outra aplicação promissora da hidroxilapatite microcristalina é a sua utilização como “construção óssea” suplemento com absorção superior à do cálcio.
Para além da sua utilização como material de reparação para ossos e dentes, outras aplicações da HAp podem ser encontradas na catálise, na produção de fertilizantes, como composto em produtos farmacêuticos, em aplicações de cromatografia de proteínas e em processos de tratamento de água.
Ultra-sons de potência: Efeitos e impacto
Quando estas forças extremas, que são geradas durante o colapso das bolhas de cavitação, se expandem no meio sonicado, as partículas e as gotículas são afectadas – resultando em colisão entre as partículas, de modo que o sólido se estilhaça. Deste modo, consegue-se uma redução do tamanho das partículas, como a moagem, a desaglomeração e a dispersão. As partículas podem ser reduzidas a tamanhos submicrónicos e nanométricos.
Para além dos efeitos mecânicos, a sonicação potente pode criar radicais livres, cisalhar moléculas e ativar superfícies de partículas. Este fenómeno é conhecido como sonoquímica.
Sono-síntese
Um tratamento ultrassónico da pasta resulta em partículas muito finas com uma distribuição uniforme, de modo a criar mais locais de nucleação para a precipitação.
As partículas de HAp sintetizadas sob ultra-sons mostram um nível diminuído de aglomeração. A menor tendência à aglomeração de HAp ultrassonicamente sintetizado foi confirmada, por exemplo, pela análise FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) de Poinern et al. (2009).
O ultrassom auxilia e promove reações químicas por cavitação ultra-sônica e seus efeitos físicos que influenciam diretamente a morfologia das partículas durante a fase de crescimento. Os principais benefícios da ultrassonografia resultando a preparação de misturas de reação superfinas são
- 1) aumento da velocidade de reação,
- 2) diminuição do tempo de processamento
- 3) uma melhoria global na utilização eficiente da energia.
Poinern et al. (2011) desenvolveram uma via química húmida que utiliza nitrato de cálcio tetra-hidratado (Ca[NO3]2 - 4H2O) e di-hidrogenofosfato de potássio (KH2PO4) como principais reagentes. Para controlar o valor do pH durante a síntese, foi adicionado hidróxido de amónio (NH4OH).
O processador de ultra-sons era um UP50H (50 W, 30 kHz, Sonotrodo MS7 com 7 mm de diâmetro) da Hielscher Ultrasonics.
Etapas da síntese de nano-HAP:
Uma solução de 40 mL de 0,32M Ca(NO3)2 - 4H2O foi preparado num pequeno copo. O pH da solução foi então ajustado para 9,0 com aproximadamente 2,5mL de NH4OH. A solução foi submetida a um tratamento sónico com o UP50H com uma regulação de 100% da amplitude durante 1 hora.
No final da primeira hora, uma solução de 60 mL de 0,19M [KH2PO4foi então adicionado lentamente, gota a gota, à primeira solução, enquanto era submetido a uma segunda hora de irradiação ultra-sónica. Durante o processo de mistura, o valor do pH foi verificado e mantido a 9, enquanto a relação Ca/P foi mantida a 1,67. A solução foi então filtrada por centrifugação (~2000 g), após o que o precipitado branco resultante foi doseado numa 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 deve-se ao facto de o tamanho das partículas estar relacionado com a nucleação e o padrão de crescimento do material, que por sua vez está relacionado com o grau de super saturação na fase líquida.
Além disso, tanto o tamanho das partículas como a sua morfologia podem ser diretamente influenciados durante este processo de síntese. O efeito do aumento da potência dos ultra-sons de 0 para 50W mostrou que era possível diminuir o tamanho das partículas antes do tratamento térmico.
O aumento da potência de ultra-sons utilizada para irradiar o líquido indicou que estava a ser produzido um maior número de bolhas/cavitações. Isto, por sua vez, produziu mais locais de nucleação e, consequentemente, as partículas formadas à volta destes locais são mais pequenas. Além disso, as partículas expostas a períodos mais longos de irradiação ultra-sónica mostram menos aglomeração. Os dados subsequentes do FESEM confirmaram a redução da aglomeração de partículas quando os ultra-sons são utilizados durante o processo de síntese.
Foram produzidas partículas de nano-HAp com dimensões nanométricas e morfologia esférica utilizando uma técnica de precipitação química húmida na presença de ultra-sons. Verificou-se que a estrutura cristalina e a morfologia dos pós nano-HAP resultantes dependiam da potência da fonte de irradiação ultra-sónica e do tratamento térmico subsequente utilizado. Foi evidente que a presença de ultra-sons no processo de síntese promoveu as reacções químicas e os efeitos físicos que produziram subsequentemente os pós ultrafinos de nano-HAP após o tratamento térmico.
- principal mineral inorgânico de fosfato de cálcio
- elevada biocompatibilidade
- biodegradabilidade lenta
- osteocondutor
- Não tóxico
- não imunogénico
- pode ser combinado com polímeros e/ou vidro
- boa matriz de estrutura de absorção para outras moléculas
- excelente substituto de osso

ultrassom de tipo sonda UP50H
Síntese de HAp através da via sol-gel ultra-sónica
Rota sol-gel assistida por ultra-sons para a síntese de partículas nanoestruturadas de HAp:
Material:
– reagentes: Nitrato de cálcio Ca(NO3)2, hidrogenofosfato de di-amónio (NH4)2HPO4, hidróxido de sódio NaOH ;
– Tubo de ensaio de 25 ml
- Dissolver Ca(NO3)2 e (NH4)2HPO4 em água destilada (relação molar cálcio/fósforo: 1,67)
- Adicione um pouco de NaOH à solução para manter o seu pH em torno de 10.
- Tratamento ultrassónico com um UP100H (sonotrodo MS10, amplitude 100%)
- As sínteses hidrotérmicas foram realizadas a 150°C durante 24 h num forno elétrico.
- Após a reação, a HAp cristalina pode ser colhida por centrifugação e lavagem com água desionizada.
- Análise do nanopó de HAp obtido por microscopia (SEM, TEM,) e/ou espetroscopia (FT-IR). As nanopartículas de HAp sintetizadas apresentam elevada cristalinidade. Podem ser observadas diferentes morfologias, dependendo do tempo de sonicação. A sonicação mais longa pode levar a nanobastões HAp uniformes com um rácio de aspeto elevado e cristalinidade ultra-alta. [cp. Manafi et al. 2008]
Modificação de HAp
Devido à sua fragilidade, a aplicação da HAp pura é limitada. Na investigação de materiais, foram envidados muitos esforços para modificar a HAp com polímeros, uma vez que o osso natural é um compósito constituído principalmente por cristais de HAp de tamanho nanométrico e em forma de agulha (representa cerca de 65% em peso do osso). A modificação de HAp assistida por ultra-sons e a síntese de compósitos com caraterísticas materiais melhoradas oferecem múltiplas possibilidades (ver alguns exemplos abaixo).
Exemplos práticos:
Síntese de nano-HAp
Síntese de gelantina-hidroxiapatite (Gel-HAp)
A solução completa foi submetida a ultra-sons durante 1 hora. O valor do pH foi verificado e mantido sempre a pH 9 e a relação Ca/P foi ajustada para 1,67. A filtração do precipitado branco foi efectuada por centrifugação, resultando numa pasta espessa. As diferentes amostras foram tratadas termicamente num forno tubular durante 2 horas a temperaturas de 100, 200, 300 e 400°C. Deste modo, obteve-se um pó de 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 a ultra-sons suave e presença de gelatina durante a fase de crescimento do HAp promover uma menor adesão - resultando assim em um menor e formando uma forma esférica regular das nano-partículas Gel-HAp. A sonicação suave auxilia a síntese de partículas de Gel-HAp de tamanho nanométrico devido aos efeitos de homogeneização ultra-sónica. As espécies de amida e carbonilo da gelatina ligam-se subsequentemente às nano-partículas de HAp durante a fase de crescimento através de interação assistida por sonoquímica.
[Brundavanam et al. 2011]
Deposição de HAp em plaquetas de titânio
HAp revestido a prata

Instalação de um agitador magnético e de um aparelho de ultra-sons UP400S foi utilizado para a preparação do Hap revestido a prata [Ignatev et al 2013]
Os nossos potentes dispositivos ultra-sónicos são ferramentas fiáveis para tratar partículas na gama sub-micron e nanométrica. Quer pretenda sintetizar, dispersar ou funcionalizar partículas em pequenos tubos para fins de investigação, quer necessite de tratar grandes volumes de lamas de nanopós para produção comercial – A Hielscher oferece o ultrassom adequado às suas necessidades!

Homogeneizador ultrassónico UP400S
Literatura/Referências
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Efeito da gelatina diluída sobre a síntese termicamente assistida ultrassom de nano hidroxiapatita. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Síntese e caraterização de nanopartículas de hidroyapatite. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 322; 2008. 29-33.
- Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Revestimentos de hidroxiapatita pulverizados por plasma com nanopartículas de prata. Ata Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
- Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Montagem controlada de poli (d, l-lactídeo-co-glicolídeo) / hidroxiapatita core-shell nanoesferas sob irradiação ultra-sônica. Ata Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208-218.
- Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Preparação de hidroxiapatita a partir de osso bovino por métodos de combinação de ultra-sons e secagem por pulverização. Intl. Conf. em Química, Bio-Química e Ciências Ambientais (ICBEE'2012) Singapura, 14-15 de dezembro de 2012.
- Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Efeito de ultrassom na cristalinidade de Nano-Hydroxyapatite via método químico molhado. 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): AC vs. DC Deposição Eletroforética de Hidroxiapatita em Titânio. Jornal da Sociedade Europeia de Cerâmica 33; 2013. 2715-2721.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): As propriedades mecânicas de uma cerâmica porosa derivada de um pó de hidroxiapatita baseado em partículas de tamanho 30 nm para aplicações potenciais de engenharia de tecidos duros. 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): Influência térmica e ultra-sônica na formação de bio-cerâmica de hidroxiapatita em escala nanométrica. Jornal Internacional de Nanomedicina 6; 2011. 2083-2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Síntese e caraterização de nanohydroxyapatite usando um método assistido por ultrassom. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Porous hydroxyapatite for artificial bone applications. Ciência e Tecnologia de Materiais Avançados 8. 2007. 116.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Filhos: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.

dispositivo ultrassónico UIP1500hd com reator de fluxo contínuo