Sono-sinteza nano-hidroxiapatitei

Hidroxiapatita (HA sau HAp) este o ceramică bioactivă foarte frecventată în scopuri medicale datorită structurii sale similare cu materialul osos. Sinteza asistată ultrasonically (sono-sinteza) de hidroxiapatită este o tehnică de succes pentru a produce HAp nanostructurat la cele mai înalte standarde de calitate. Calea cu ultrasunete permite producerea de HAp nano-cristaline, precum și particule modificate, de exemplu, nanosfere de miez-coajă și compozite.

sono-sinteză

Un tratament cu ultrasunete al suspensiei are ca rezultat particule foarte fine, cu distribuție uniformă, astfel încât să se creeze mai multe locuri de nucleație pentru precipitații.
Particulele HAp sintetizate sub ultrasonication arată un nivel scăzut de aglomerare. Tendința mai scăzută de aglomerare a HAp sintetizat ultrasonically a fost confirmată, de exemplu, de FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) analiza lui Poinern et al. (2009).

Ultrasunetele ajută și promovează reacțiile chimice prin cavitație cu ultrasunete și efectele sale fizice care influențează direct morfologia particulelor în timpul fazei de creștere. Principalele beneficii ale ultrasonication care rezultă prepararea amestecurilor de reacție superfine sunt:

• 1) creșterea vitezei de reacție,
• 2) scăderea timpului de procesare
• 3) o îmbunătățire generală a utilizării eficiente a energiei.

Poinern et al. (2011) au dezvoltat o cale chimica umeda care utilizeaza azotatul de calciu tetrahidrat (Ca[NO3]2 · 4H2O) si dihidrogenofosfatul de potasiu (KH2PO4) ca reactanti principali. Pentru controlul valorii pH-ului în timpul sintezei, a fost adăugat hidroxid de amoniu (NH4OH).
Procesorul cu ultrasunete a fost un UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode cu diametrul de 7 mm) de la Hielscher Ultrasonics.

Ultrasonically redus și dispersat calciu-hidroxiapatită

Etapele sintezei nano-HAP:

O soluție de 40 ml de 0,32M Ca(NO₃)₂ · 4Ore₂O a fost pregătit într-un pahar mic. PH-ul soluției a fost apoi ajustat la 9,0 cu aproximativ 2,5 ml NH₄OH. Soluția a fost sonicated cu UP50H la setarea amplitudinii 100% timp de 1 oră.
La sfârșitul primei ore, o soluție de 60 ml de 0,19M [KH₂PO₄] a fost apoi adăugat încet prin picurare în prima soluție în timp ce suferă oa doua oră de iradiere cu ultrasunete. În timpul procesului de amestecare, valoarea pH-ului a fost verificată și menținută la 9, în timp ce raportul Ca/P a fost menținut la 1,67. Soluția a fost apoi filtrată prin centrifugare (~ 2000 g), după care precipitatul alb rezultat a fost proporțional într-un număr de probe pentru tratament termic.
Prezenta ultrasunetelor in procedura de sinteza anterioara tratamentului termic are o influenta semnificativa in formarea precursorilor initiali de particule nano-HAP. Acest lucru se datorează faptului că dimensiunea particulelor este legată de nucleație și de modelul de creștere al materialului, care, la rândul său, este legat de gradul de supersaturație în faza lichidă.
În plus, atât dimensiunea particulelor, cât și morfologia acesteia pot fi influențate direct în timpul acestui proces de sinteză. Efectul creșterii puterii ultrasunetelor de la 0 la 50W a arătat că a fost posibilă scăderea dimensiunii particulelor înainte de tratamentul termic.
Creșterea puterii ultrasunetelor utilizate pentru iradierea lichidului a indicat faptul că au fost produse un număr mai mare de bule / cavități. Acest lucru, la rândul său, a produs mai multe situri de nucleație și, ca urmare, particulele formate în jurul acestor situri sunt mai mici. În plus, particulele expuse la perioade mai lungi de iradiere cu ultrasunete prezintă mai puțină aglomerare. Datele FESEM ulterioare au confirmat aglomerarea redusă a particulelor atunci când ultrasunetele sunt utilizate în timpul procesului de sinteză.
Particulele nano-HAp din gama de dimensiuni nanometrice și morfologia sferică au fost produse folosind o tehnică de precipitare chimică umedă în prezența ultrasunetelor. S-a constatat că structura cristalină și morfologia pulberilor nano-HAP rezultate au fost dependente de puterea sursei de iradiere cu ultrasunete și de tratamentul termic ulterior utilizat. A fost evident că prezența ultrasunetelor în procesul de sinteză a favorizat reacțiile chimice și efectele fizice care au produs ulterior pulberile nano-HAp ultrafine după tratamentul termic.

Sinteza HAp prin ruta ultrasonică Sol-Gel

Calea sol-gel asistată ultrasonically pentru sinteza particulelor nanostructurate HAp:
Material:
– reactanți: Azotat de calciu Ca(NO₃)₂, hidrogenofosfat de diamoniu (NH₄)₂HPO₄, NaOH hidroxid de sodiu ;
– Eprubetă de 25 ml

1. Dizolvați Ca(NO₃)₂ și (NH₄)₂HPO₄ în apă distilată (raport molar calciu la fosfor: 1,67)
2. Adăugați NaOH la soluție pentru a-i menține pH-ul în jur de 10.
3. Tratamentul cu ultrasunete cu un UP100H (sonotrode MS10, amplitudine 100%)

• Sintezele hidrotermale au fost efectuate la 150°C timp de 24 de ore într-un cuptor electric.
• După reacție, HAp cristalin poate fi recoltat prin centrifugare și spălare cu apă deionizată.
• Analiza nanopulberii HAp obținute prin microscopie (SEM, TEM,) și/sau spectroscopie (FT-IR). Nanoparticulele HAp sintetizate prezintă cristalinitate ridicată. Morfologie diferite pot fi observate în funcție de timpul sonicare. Sonicare mai lungă poate duce la nanotije uniforme HAp cu un raport de aspect ridicat și cristalinitate ultra-înaltă. [cp. Manafi și colab., 2008]

Modificarea HAp

Datorită fragilității sale, aplicarea HAp pur este limitată. În cercetarea materialelor, s-au făcut multe eforturi pentru a modifica HAp prin polimeri, deoarece osul natural este un compozit format în principal din cristale HAp de dimensiuni nano, asemănătoare acului (reprezintă aproximativ 65% din os). Modificarea asistată ultrasonically a HAp și sinteza compozitelor cu caracteristici îmbunătățite ale materialului oferă posibilități multiple (a se vedea câteva exemple de mai jos).

Exemple practice:

HAp acoperit cu argint

Ignatev și colegii săi (2013) au dezvoltat o metodă biosintetică în care nanoparticulele de argint (AgNp) au fost depuse pe HAp pentru a obține un strat HAp cu proprietăți antibacteriene și pentru a reduce efectul citotoxic. Pentru dezaglomerarea nanoparticulelor de argint și pentru sedimentarea lor pe hidroxiapatită, un Hielscher UP400S a fost folosit.

O configurație de agitator magnetic și ultrasonicator UP400S a fost utilizat pentru prepararea Hap acoperită cu argint [Ignatev et al 2013]

Dispozitivele noastre puternice cu ultrasunete sunt instrumente fiabile pentru tratarea particulelor din gama de dimensiuni submicronice și nano. Indiferent dacă doriți să sintetizați, să dispersați sau să funcționalizați particule în tuburi mici în scop de cercetare sau trebuie să tratați volume mari de suspensii nano-pulbere pentru producția comercială – Hielscher oferă ultrasonicator potrivit pentru cerințele dumneavoastră!