Соносинтез нано-гидроксиапатита

Гидроксиапатит (HA или HAp) является широко используемой биоактивной керамикой для медицинских целей из-за его схожей структуры с костным материалом. Ультразвуковой синтез (соносинтез) гидроксиапатита является успешным методом получения наноструктурированного HAp в соответствии с высочайшими стандартами качества. Ультразвуковой путь позволяет получать нанокристаллические HAp, а также модифицированные частицы, например, наносферы ядро-оболочка, и композиты.

Гидроксиапатит: универсальный минерал

Гидроксиапатит или гидроксиапатит (HAp, также HA) — это природная минеральная форма апатита кальция с формулой Ca₅(PO₄)₃(Ох). Чтобы обозначить, что кристаллическая элементарная ячейка состоит из двух сущностей, она обычно обозначается как Ca₁₀(PO₄)₆(Ох)₂. Гидроксиапатит является гидроксильным конечным членом комплексной группы апатитов. Ион OH- может быть заменен фторидом, хлоридом или карбонатом, образуя фторапатит или хлорапатит. Кристаллизуется в гексагональной кристаллической системе. HAp известен как костный материал, так как до 50 мас.% кости представляет собой модифицированную форму гидроксиапатита.
В медицине наноструктурированный пористый HAp является интересным материалом для применения искусственной кости. Благодаря своей хорошей биосовместимости при контакте с костями и схожему химическому составу с костным материалом, пористая керамика HAp нашла огромное применение в биомедицинских приложениях, включая регенерацию костной ткани, пролиферацию клеток и доставку лекарств.
«В инженерии костной ткани он применяется в качестве пломбировочного материала для костных дефектов и аугментации, материала для искусственного костного трансплантата и ревизионной хирургии протезов. Его большая площадь поверхности приводит к отличной остеопроводимости и резорбируемости, обеспечивая быстрое врастание кости». [Сойпан и др. 2007] Так, многие современные имплантаты покрываются гидроксиапатитом.
Еще одним перспективным применением микрокристаллического гидроксиапатита является его использование в качестве “Наращивание костной кости” Добавка с лучшим усвоением по сравнению с кальцием.
Помимо использования в качестве материала для восстановления костей и зубов, HAp может быть применен в катализе, производстве удобрений, в качестве соединения в фармацевтических продуктах, в белковой хроматографии и процессах очистки воды.

Мощный ультразвук: эффекты и воздействие

Ультразвуковая обработка описывается как процесс, в котором используется акустическое поле, связанное с жидкой средой. Ультразвуковые волны распространяются в жидкости и создают чередование циклов высокого и низкого давления (сжатие и разрежение). Во время фазы разрежения в жидкости появляются небольшие вакуумные пузырьки или пустоты, которые растут в течение различных циклов высокого и низкого давления до тех пор, пока пузырь не сможет больше поглощать энергию. На этой фазе пузырьки сильно схлопываются во время фазы сжатия. Во время такого схлопывания пузыря выделяется большое количество энергии в виде ударных волн, высоких температур (около 5 000 К) и давлений (около 2 000 атм). Кроме того, эти «горячие точки» характеризуются очень высокой скоростью охлаждения. Схлопывание пузыря также приводит к образованию струй жидкости со скоростью до 280 м/с. Это явление называется кавитацией.
Когда эти экстремальные силы, возникающие при схлопывании кавитационных пузырьков, расширяются в ультразвуковой среде, частицы и капли подвергаются воздействию – что приводит к столкновению между частицами, так что твердое тело разбивается. Таким образом, достигается уменьшение размера частиц, такое как измельчение, деагломерация и диспергирование. Частицы могут быть измельчены до субмикронного и наноразмера.
Помимо механических эффектов, мощная ультразвук может создавать свободные радикалы, сдвигать молекулы и активировать поверхности частиц. Эти явления известны как сонохимия.

Соносинтез

Ультразвуковая обработка пульпы приводит к получению очень мелких частиц с равномерным распределением, что позволяет создать больше участков зарождения для осаждения.
Частицы HAp, синтезированные под ультразвуковым контролем, демонстрируют сниженный уровень агломерации. Более низкая склонность к агломерации ультразвуково синтезированных HAp была подтверждена, например, анализом FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) Poinern et al. (2009).

Ультразвук помогает и стимулирует химические реакции посредством ультразвуковой кавитации и ее физические эффекты, которые напрямую влияют на морфологию частиц во время фазы роста. Основными преимуществами ультразвуковой обработки, полученной в результате получения сверхтонких реакционных смесей, являются

1) повышенная скорость реакции,
2) сокращение времени обработки
3) общее повышение эффективности использования энергии.

Poinern et al. (2011) разработали метод влажной химии, в котором в качестве основных реагентов используются тетрагидрат нитрата кальция (Ca[NO3]2 · 4H2O) и дигидрофосфат калия (KH2PO4). Для контроля значения рН при синтезе добавляли гидроксид аммония (NH4OH).
Ультразвуковой процессор представлял собой UP50H (50 Вт, 30 кГц, MS7 Sonotrode с диаметром 7 мм) от Hielscher Ultrasonics.

Ультразвуковой дисперсный гидроксиапатит кальция

Ультразвуково восстановленный и диспергированный гидроксиапатит кальция

Этапы синтеза нано-ГАП:

Раствор 40 мл 0,32М Ca(NO₃)₂ · 4Ч₂О готовили в маленьком стакане. Затем pH раствора доводили до 9,0 с помощью примерно 2,5 мл NH₄Ох. Решение было обработано ультразвуком с помощью UP50H при 100% амплитуде установки на 1 час.
В конце первого часа 60 мл раствора 0,19М [KH₂Заказ на поставку₄] затем медленно добавляли по каплям в первый раствор во время второго часа ультразвукового облучения. В процессе смешивания значение pH проверялось и поддерживалось на уровне 9, в то время как соотношение Ca/P поддерживалось на уровне 1,67. Затем раствор фильтровали с помощью центрифугирования (~2000 г), после чего полученный белый осадок дозировали в ряд образцов для термической обработки.
Присутствие ультразвука в процессе синтеза перед термической обработкой оказывает существенное влияние на формирование исходных прекурсоров нано-HAP частиц. Это связано с тем, что размер частиц связан с зарождением и характером роста материала, который, в свою очередь, связан со степенью сверхнасыщения в жидкой фазе.
Кроме того, в процессе синтеза можно напрямую влиять как на размер частиц, так и на их морфологию. Эффект от увеличения мощности ультразвука с 0 до 50 Вт показал, что можно уменьшить размер частиц до термической обработки.
Увеличение мощности ультразвука, используемого для облучения жидкости, указывало на то, что образуется большее количество пузырьков/кавитаций. Это, в свою очередь, привело к увеличению количества центров зародышеобразования, в результате чего частицы, образовавшиеся вокруг этих сайтов, стали меньше. Кроме того, частицы, подвергшиеся воздействию более длительных периодов ультразвукового облучения, демонстрируют меньшую агломерацию. Последующие данные FESEM подтвердили уменьшение агломерации частиц при использовании ультразвука в процессе синтеза.
Нано-HAp частицы в нанометровом диапазоне размеров и сферической морфологии были получены с использованием метода мокрого химического осаждения в присутствии ультразвука. Установлено, что кристаллическая структура и морфология получаемых нано-ГАП порошков зависит от мощности источника ультразвукового облучения и последующей термической обработки. Было очевидно, что присутствие ультразвука в процессе синтеза способствовало химическим реакциям и физическим эффектам, которые впоследствии привели к получению ультрадисперсных нано-HAp порошков после термической обработки.

Непрерывное ультразвуковое исследование с помощью стеклянной проточной ячейки

Ультразвуковая обработка в камере ультразвукового реактора

Компания Hielscher Ultrasonics с гордостью выступает спонсором 7-й Международной электронной конференции по медицинской химии. Нажмите здесь, чтобы узнать больше о презентациях и участии!

Гидроксиапатит:

Основной неорганический минерал фосфат кальция
высокая биосовместимость
Медленная биоразлагаемость
остеокондуктивное
Не токсичен
неиммуногенный
может сочетаться с полимерами и/или стеклом
хорошая абсорбционная структурная матрица для других молекул
Отличный заменитель костной ткани

Ультразвуковые гомогенизаторы являются мощными инструментами для синтеза и функционализации частиц, таких как HAp

ультразвуковой зонд UP50H

Синтез HAp с помощью ультразвукового золь-гель пути

Золь-гель путь с ультразвуковой поддержкой для синтеза наноструктурированных HAp-частиц:
Материал:
– реагенты: Нитрат кальция Ca(NO₃)₂, гидрофосфат диаммония (NH₄)₂HPO₄, гидроксид натрия NaOH ;
– Пробирка 25 мл

Растворить Ca(NO₃)₂ и (NH₄)₂HPO₄ в дистиллированной воде (молярное отношение кальция к фосфору: 1,67)
Добавьте в раствор немного NaOH, чтобы поддерживать его pH около 10.
Ультразвуковое лечение с помощью УП100Ч (сонотрод MS10, амплитуда 100%)

Гидротермальный синтез проводили при температуре 150°C в течение 24 ч в электрической печи.
После реакции кристаллический HAp может быть собран путем центрифугирования и промывки деионизированной водой.
Анализ полученного нанопорошка HAp методами микроскопии (SEM, TEM,) и/или спектроскопии (FT-IR). Синтезированные наночастицы HAp демонстрируют высокую кристалличность. В зависимости от времени ультразвуковой обработки может наблюдаться различная морфология. Более длительная ультразвуковая обработка может привести к получению однородных наностержней HAp с высоким отношением сторон и сверхвысокой кристалличностью. [см. Манафи и др. 2008]

Модификация HAp

Из-за его хрупкости применение чистого HAp ограничено. В исследованиях материалов было предпринято много усилий для модификации HAp с помощью полимеров, поскольку естественная кость представляет собой композит, состоящий в основном из наноразмерных, игольчатых кристаллов HAp (составляет около 65% массы кости). Ультразвуковая модификация HAp и синтез композитов с улучшенными характеристиками материала открывает широкие возможности (см. несколько примеров ниже).

Практические примеры:

Синтез нано-HAp

В исследовании Poinern et al. (2009) Хильшер UP50H ультразвуковой аппарат зондового типа был успешно использован для соносинтеза HAp. С увеличением энергии ультразвука размер частиц HAp-кристаллитов уменьшался. Наноструктурированный гидроксиапатит (HAp) был получен методом влажного осаждения с помощью ультразвука. Ca(NO₃) и KH₂₅Заказ на поставку₄ werde используется в качестве основного материала, а NH₃ в качестве осадителя. В результате гидротермального осаждения под действием ультразвукового облучения образовались наноразмерные частицы HAp со сферической морфологией в нанометровом диапазоне размеров (около 30 нм ± 5%). Пойнерн и его коллеги обнаружили, что соно-гидротермальный синтез является экономичным путем с сильными возможностями масштабирования до коммерческого производства.

Синтез гелантин-гидроксиапатита (Gel-HAp)

Брундаванам и его коллеги успешно изготовили композит гелантин-гидроксиапатит (Gel-HAp) в мягких условиях ультразвука. Для приготовления гелантина-гидроксиапатита 1 г желатина полностью растворяли в 1000 мл воды MilliQ при 40°C. 2 мл приготовленного раствора желатина затем добавляли к Ca2+/NH₃ смесь. Смесь была обработана ультразвуком с помощью UP50H ультразвуковой аппарат (50 Вт, 30 кГц). Во время ультразвуковой обработки 60 мл 0,19 М KH₂Заказ на поставку₄ были добавлены в смесь по каплям.
Весь раствор был обработан ультразвуком в течение 1 часа. Значение pH постоянно проверялось и поддерживалось на уровне pH 9, а соотношение Ca/P было скорректировано до 1,67. Фильтрация белого осадка была достигнута путем центрифугирования, в результате чего образовалась густая суспензия. Различные образцы подвергались термической обработке в трубчатой печи в течение 2 ч при температурах 100, 200, 300 и 400°С. Таким образом, получали порошок Gel–HAp в гранулированной форме, который измельчали до мелкодисперсного порошка и характеризовали XRD, FE-SEM и FT-IR. Результаты показывают, что мягкое ультразвуковое воздействие и присутствие желатина во время фазы роста HAp способствуют снижению адгезии, что приводит к уменьшению размеров и формированию правильной сферической формы наночастиц Gel-HAp. Мягкая ультразвук способствует синтезу наноразмерных частиц Gel-HAp благодаря эффектам ультразвуковой гомогенизации. Амидные и карбонильные формы желатина впоследствии присоединяются к наночастицам HAp во время фазы роста посредством сонохимического взаимодействия.
[Brundavanam et al. 2011]

Осаждение HAp на титановых пластинах

Ozhukil Kollatha et al. (2013) покрыли пластины Ti гидроксиапатитом. Перед осаждением суспензию HAp гомогенизировали с помощью УП400С (ультразвуковой прибор мощностью 400 Вт с ультразвуковым рупором H14, время ультразвука 40 сек. при амплитуде 75%).

Серебряное покрытие HAp

Игнатьев и соавторы (2013) разработали метод биосинтеза, при котором наночастицы серебра (AgNp) наносились на HAp для получения покрытия HAp с антибактериальными свойствами и снижения цитотоксического эффекта. Для деагломерации наночастиц серебра и их осаждения на гидроксиапатите, метод Хильшера УП400С был использован.

Игнатьев и его коллеги использовали ультразвуковой зондовый прибор UP400S для производства HAp с серебряным покрытием.

Установка магнитной мешалки и ультразвукового аппарата УП400С использовался для получения препарата Hap с серебряным покрытием [Ignatev et al 2013]

Наши мощные ультразвуковые устройства являются надежными инструментами для обработки частиц в субмикронном и наноразмерном диапазоне. Независимо от того, хотите ли вы синтезировать, диспергировать или функционализировать частицы в небольших пробирках для исследовательских целей или вам необходимо обрабатывать большие объемы нанопорошковых суспензий для коммерческого производства – Hielscher предлагает подходящий ультразвуковой аппарат для ваших требований!

Ультразвуковой гомогенизатор УП400С

Литература/Литература

Брундаванам, Р. К.; Джинаг, З.-Т., Чепмен,.; Le, X.-T.; Мондинос, Н.; Фосетт, Д.; Пуаннер, Г. Э. Д. (2011): Влияние разбавленного желатина на ультразвуковой термический синтез наногидроксиапатита. Ультразвук. Сонохим. 18, 2011. 697-703.
Дженгиз, Б.; Гокче, Ю.; Йылдыз, Н.; Актас, З.; Калимли, А. (2008): Синтез и характеристика наночастиц гидрояпатита. Коллоиды и поверхности А: Physicochem. Аспекты 322; 2008. 29-33.
Игнатьев, М.; Рыбак, Т.; Colonges, G.; Шарфф, У.; Марке, С. (2013): Плазменное напыление гидроксиапатитовых покрытий с наночастицами серебра. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
Jevtića, M.; Радулович, А.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Ускокович, Д. (2009): Контролируемая сборка наносфер поли(d,l-лактид-ко-гликолид)/ядро гидроксиапатита-оболочка под ультразвуковым облучением. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
Кусрини, Э.; Пуджиастути, А. Р.; Astutiningsih, S.; Харьянто, С. (2012): Получение гидроксиапатита из бычьей кости комбинированными методами ультразвуковой и распылительной сушки. Международная конференция по химическим, биохимическим и экологическим наукам (ICBEE'2012), Сингапур, 14-15 декабря 2012 г.
Манафи, С.; Бадие, С.Х. (2008): Влияние ультразвука на кристалличность нано-гидроксиапатита методом влажной химии. Ir J Pharma Sci 4/2; 2008. 163-168
Ожукил Коллата, В.; Chenc, Q.; Клоссетб, Р.; Луйтена, Дж.; Трайнаб, К.; Mullensa, S.; Боккаччинич, А. Р.; Клоотсб, Р. (2013): Электрофоретическое осаждение гидроксиапатита на титан переменным и постоянным током. Журнал Европейского керамического общества 33; 2013. 2715–2721.
Poinern, G.E.J.; Брундаванам, Р.К.; Thi Le, X.; Фосетт, Д. (2012): Механические свойства пористой керамики, полученной из порошка гидроксиапатита размером 30 нм на основе частиц, для потенциальных применений в инженерии твердых тканей. Американский журнал биомедицинской инженерии 2/6; 2012. 278-286.
Пойнерн, Г.Д.Э.; Брундаванам, Р.; Thi Le, X.; Джорджевич, С.; Прокич, М.; Фосетт, Д. (2011): Термическое и ультразвуковое влияние на формирование биокерамики гидроксиапатита нанометрового масштаба. Международный журнал наномедицины 6; 2011. 2083–2095.
Пойнерн, Г.Д.Э.; Брундаванам, Р.К.; Мондинос, Н.; Цзян, З.-Т. (2009): Синтез и характеристика наногидроксиапатита с использованием ультразвукового метода. Ультразвуковая сонохимия, 16/4; 2009. 469- 474.
Соипан, И.; Мел, М.; Рамеш, С.; Халид, К.А.: (2007): Пористый гидроксиапатит для применения в искусственной кости. Наука и технология перспективных материалов 8. 2007. 116.
Суслик, К. С. (1998): Энциклопедия химических технологий Кирка-Отмера; 4-е изд. Д. Уайли & Сыновья: Нью-Йорк, Vol. 26, 1998. 517-541.