Соносинтез наногидроксиапатита

Гидроксиапатит (HA или HAp) – биоактивная керамика, широко используемая в медицинских целях благодаря сходству её структуры со структурой костного материала. Синтез гидроксиапатита с применением ультразвука (соносинтез) – успешный метод получения наноструктурированного HAp, отвечающего самым высоким стандартам качества. Ультразвуковой метод позволяет получать нанокристаллический HAp, а также модифицированные частицы, например наносферы типа «ядро–оболочка», и композиты.

Гидроксиапатит: многофункциональный минерал

Гидроксилапатит, или гидроксиапатит (HAp, также HA), – встречающаяся в природе минеральная форма апатита кальция с формулой Ca₅(PO₄)₃(OH). Чтобы показать, что элементарная ячейка кристалла содержит две формульные единицы, формулу обычно записывают как Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Гидроксилапатит – гидроксильный конечный член сложной группы апатитов. Ион OH- может замещаться фторидом, хлоридом или карбонатом с образованием фторапатита или хлорапатита. Он кристаллизуется в гексагональной сингонии. HAp известен как костный материал, поскольку до 50 wt% кости составляет модифицированная форма гидроксиапатита.
В медицине наноструктурированный пористый HAp представляет интерес как материал для искусственной кости. Благодаря хорошей биосовместимости при контакте с костью и сходству химического состава с костным материалом пористая керамика HAp получила очень широкое применение в биомедицине, включая регенерацию костной ткани, пролиферацию клеток и доставку лекарственных средств.
«В тканевой инженерии кости его применяют как заполняющий материал при костных дефектах и наращивании костной ткани, как материал для искусственных костных трансплантатов и при ревизионном эндопротезировании. Его большая площадь поверхности обеспечивает превосходную остеокондуктивность и резорбируемость, способствуя быстрому врастанию костной ткани.» [Soypan et al. 2007] Поэтому многие современные имплантаты покрывают гидроксилапатитом.
Ещё одно перспективное применение микрокристаллического гидроксилапатита – его использование в качестве добавки для «построения костей», обладающей лучшим усвоением по сравнению с кальцием.
Помимо использования в качестве материала для восстановления костей и зубов, HAp также применяется в катализе, производстве удобрений, в качестве компонента фармацевтических продуктов, в хроматографии белков и процессах водоочистки.

Мощный ультразвук: эффекты и воздействие

Обработка ультразвуком описывается как процесс, в котором используется акустическое поле, передаваемое в жидкую среду. Ультразвуковые волны распространяются в жидкости и создают чередующиеся циклы высокого и низкого давления (сжатия и разрежения). Во время фазы разрежения в жидкости возникают небольшие вакуумные пузырьки или полости, которые растут на протяжении нескольких циклов высокого и низкого давления, пока пузырёк больше не может поглощать энергию. На этом этапе пузырьки резко схлопываются во время фазы сжатия. При таком схлопывании пузырьков большое количество энергии высвобождается в виде ударных волн, высоких температур (прибл. 5 000K) и давлений (прибл. 2 000atm). Кроме того, эти «горячие точки» характеризуются очень высокой скоростью охлаждения. Схлопывание пузырька также приводит к образованию струй жидкости со скоростью до 280m/s. Это явление называется кавитацией.
Когда эти экстремальные силы, возникающие при схлопывании кавитационных пузырьков, распространяются в обрабатываемой ультразвуком среде, они воздействуют на частицы и капли – вызывая столкновения между частицами, вследствие которых твёрдый материал разрушается. Таким образом достигаются уменьшение размера частиц посредством измельчения, деагломерация и диспергирование. Частицы могут быть уменьшены до субмикронных и наноразмеров.
Помимо механических эффектов, мощная обработка ультразвуком может создавать свободные радикалы, разрывать молекулы под действием сдвига и активировать поверхности частиц. Эти явления известны как сонохимия.

Соносинтез

Обработка суспензии ультразвуком приводит к образованию очень мелких, равномерно распределённых частиц, благодаря чему создаётся больше центров зародышеобразования для осаждения.
Частицы HAp, синтезированные при обработке ультразвуком, демонстрируют меньшую степень агломерации. Меньшая склонность синтезированного с применением ультразвука HAp к агломерации была подтверждена, например, анализом методом FESEM (сканирующей электронной микроскопии с полевой эмиссией), проведённым Poinern et al. (2009).

Ультразвук способствует протеканию химических реакций и ускоряет их посредством ультразвуковой кавитации и её физических эффектов, непосредственно влияющих на морфологию частиц в фазе роста. Основные преимущества обработки ультразвуком, обеспечивающей получение сверхтонкодисперсных реакционных смесей:

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

Poinern et al. (2011) разработали метод мокрого химического синтеза, в котором в качестве основных реагентов используются тетрагидрат нитрата кальция (Ca[NO3]2 · 4H2O) и дигидрофосфат калия (KH2PO4). Для контроля значения pH во время синтеза добавляли гидроксид аммония (NH4OH).
В качестве ультразвукового процессора использовали UP50H (50 W, 30 kHz, сонотрод MS7 диаметром 7 mm) производства Hielscher Ultrasonics.

Гидроксиапатит кальция, диспергированный ультразвуком

Гидроксиапатит кальция, измельчённый и диспергированный ультразвуком

Этапы синтеза нано-HAP:

В небольшом лабораторном стакане приготовили 40 mL раствора 0,32M Ca(NO₃)₂ · 4H₂O. Затем pH раствора довели до 9,0 с помощью приблизительно 2,5mL NH₄OH. Раствор обрабатывали ультразвуком с помощью UP50H при установленной амплитуде 100% в течение 1 часа.
По окончании первого часа 60 mL раствора 0,19M [KH₂PO₄] медленно добавляли по каплям в первый раствор, продолжая ультразвуковое облучение в течение второго часа. Во время смешивания значение pH проверяли и поддерживали на уровне 9, а соотношение Ca/P поддерживали на уровне 1,67. Затем раствор фильтровали посредством центрифугирования (~2000 g), после чего полученный белый осадок разделяли на несколько образцов для термической обработки.
Применение ультразвука в процессе синтеза до термической обработки существенно влияет на формирование исходных частиц-предшественников нано-HAP. Это связано с тем, что размер частиц зависит от зародышеобразования и характера роста материала, которые, в свою очередь, связаны со степенью пересыщения жидкой фазы.
Кроме того, в ходе этого процесса синтеза можно непосредственно влиять как на размер частиц, так и на их морфологию. Увеличение мощности ультразвука с 0 до 50W показало, что размер частиц можно уменьшить до термической обработки.
Увеличение мощности ультразвука, используемого для облучения жидкости, указывало на образование большего количества пузырьков и кавитационных полостей. Это, в свою очередь, создавало больше центров зародышеобразования, в результате чего формирующиеся вокруг них частицы были меньше. Кроме того, частицы, подвергавшиеся более длительному ультразвуковому облучению, демонстрируют меньшую агломерацию. Последующие данные FESEM подтвердили снижение агломерации частиц при использовании ультразвука в процессе синтеза.
Частицы нано-HAp нанометрового диапазона размеров со сферической морфологией были получены методом мокрого химического осаждения в присутствии ультразвука. Было установлено, что кристаллическая структура и морфология полученных порошков нано-HAP зависели 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 обеспечивали получение ультратонкодисперсных порошков нано-HAp после термической обработки.

Непрерывная обработка ультразвуком со стеклянной проточной ячейкой

Обработка ультразвуком в камере ультразвукового реактора

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

Гидроксиапатит:

основной неорганический минерал фосфата кальция
высокая биосовместимость
медленная биоразлагаемость
остеокондуктивный
нетоксичный
неиммуногенный
может сочетаться с полимерами и/или стеклом
хорошая структурная матрица для абсорбции других молекул
превосходный заменитель костной ткани

Ультразвуковые гомогенизаторы – мощные инструменты для синтеза и функционализации частиц, таких как HAp

Ультразвуковой аппарат зондового типа UP50H

Синтез HAp ультразвуковым золь-гель методом

Золь-гель метод с применением ультразвука для синтеза наноструктурированных частиц HAp:
Материалы:
– реагенты: нитрат кальция Ca(NO₃)₂, гидрофосфат диаммония (NH₄)₂HPO₄, гидроксид натрия NaOH;
– пробирка объёмом 25 ml

Растворите Ca(NO₃)₂ и (NH₄)₂HPO₄ в дистиллированной воде (молярное соотношение кальция и фосфора: 1,67)
Добавьте в раствор некоторое количество NaOH, чтобы поддерживать его pH около 10.
Обработка ультразвуком с помощью UP100H (сонотрод MS10, амплитуда 100%)

Гидротермальный синтез проводили при 150°C в течение 24 h в электрической печи.
После реакции кристаллический HAp можно выделить центрифугированием и промывкой деионизированной водой.
Анализ полученного нанопорошка HAp методом микроскопии (SEM, TEM,) и/или спектроскопии (FT-IR). Синтезированные наночастицы HAp демонстрируют высокую кристалличность. В зависимости от времени обработки ультразвуком может наблюдаться различная морфология. Более длительная обработка ультразвуком может приводить к получению однородных наностержней HAp с высоким отношением длины к диаметру и сверхвысокой кристалличностью. [ср. Manafi et al. 2008]

Модификация HAp

Из-за хрупкости применение чистого HAp ограничено. В исследованиях материалов было приложено немало усилий к модификации HAp полимерами, поскольку природная кость представляет собой композит, состоящий преимущественно из наноразмерных игольчатых кристаллов HAp (составляющих около 65wt% кости). Модификация HAp с применением ультразвука и синтез композитов с улучшенными характеристиками материала открывают многочисленные возможности (см. несколько примеров ниже).

Практические примеры:

Синтез нано-HAp

В исследовании Poinern et al. (2009) ультразвуковой аппарат Hielscher UP50H зондового типа был успешно использован для соносинтеза HAp. С увеличением ультразвуковой энергии размер частиц кристаллитов HAp уменьшался. Наноструктурированный гидроксиапатит (HAp) получали методом мокрого осаждения с применением ультразвука. Ca(NO₃) и KH₂₅PO₄ использовали в качестве основного материала, а NH₃ – в качестве осадителя. Гидротермальное осаждение при ультразвуковом облучении приводило к получению наноразмерных частиц HAp со сферической морфологией в нанометровом диапазоне размеров (прибл. 30nm ± 5%). Poinern и соавторы установили, что соно-гидротермальный синтез представляет собой экономичный метод с высоким потенциалом масштабирования до коммерческого производства.

Синтез желатин-гидроксиапатита (Gel-HAp)

Brundavanam и соавторы успешно получили композит желатин–гидроксиапатит (Gel-HAp) в условиях мягкой обработки ультразвуком. Для приготовления желатин-гидроксиапатита 1g желатина полностью растворили в 1000mL воды MilliQ при 40°C. Затем 2mL приготовленного раствора желатина добавили к смеси Ca2+/NH₃ . Смесь обрабатывали ультразвуком с помощью аппарата UP50H (50W, 30kHz). Во время обработки ультразвуком 60mL раствора 0,19M KH₂PO₄ добавляли к смеси по каплям.
Весь раствор обрабатывали ультразвуком в течение 1h. Значение pH проверяли и постоянно поддерживали на уровне pH 9, а соотношение Ca/P довели до 1,67. Фильтрацию белого осадка осуществляли центрифугированием, получая густую суспензию. Различные образцы подвергали термической обработке в трубчатой печи в течение 2h при температурах 100, 200, 300 и 400°C. Таким образом получали порошок Gel–HAp в гранулированной форме, который измельчали до мелкодисперсного порошка и характеризовали методами XRD, FE-SEM и FT-IR. Результаты показывают, что мягкая обработка ультразвуком и присутствие желатина в фазе роста HAp способствуют снижению адгезии – что приводит к уменьшению размера наночастиц Gel–HAp и формированию правильной сферической формы. Мягкая обработка ультразвуком способствует синтезу наноразмерных частиц Gel–HAp благодаря эффектам ультразвуковой гомогенизации. Амидные и карбонильные группы желатина впоследствии присоединяются к наночастицам HAp в фазе роста посредством взаимодействия, которому способствуют сонохимические эффекты.
[Brundavanam et al. 2011]

Осаждение HAp на титановых пластинках

Ozhukil Kollatha et al. (2013) покрыли пластины Ti гидроксиапатитом. Перед нанесением покрытия суспензию HAp гомогенизировали с помощью UP400S (ультразвукового устройства мощностью 400 watts с ультразвуковым рупором H14, время обработки ультразвуком 40 sec. при амплитуде 75%).

HAp с серебряным покрытием

Ignatev и соавторы (2013) разработали биосинтетический метод, в котором наночастицы серебра (AgNp) осаждали на HAp для получения покрытия HAp с антибактериальными свойствами и снижения цитотоксического эффекта. Для деагломерации наночастиц серебра и их осаждения на гидроксиапатите использовали Hielscher UP400S .

Установка, состоящая из магнитной мешалки и ультразвукового аппарата UP400S , использовалась для получения Hap с серебряным покрытием [Ignatev et al 2013]

Наши мощные ультразвуковые устройства – надёжные инструменты для обработки частиц субмикронного и нанометрового диапазонов размеров. Хотите ли вы синтезировать, диспергировать или функционализировать частицы в небольших пробирках для исследовательских целей или вам необходимо обрабатывать большие объёмы суспензий нанопорошков для коммерческого производства – Hielscher предлагает ультразвуковой аппарат, соответствующий вашим требованиям!

Ультразвуковой гомогенизатор UP400S

Литература и источники

Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Влияние разбавленного желатина на синтез наногидроксиапатита с применением ультразвука и термического воздействия. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697–703.
Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Синтез и характеристика наночастиц гидроксиапатита. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 322; 2008. 29–33.
Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Гидроксиапатитовые покрытия с наночастицами серебра, нанесённые плазменным напылением. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20–29.
Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Управляемая сборка наносфер типа «ядро–оболочка» из поли(d,l-лактид-со-гликолида)/гидроксиапатита при ультразвуковом облучении. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Получение гидроксиапатита из бычьей кости комбинированными методами ультразвуковой обработки и распылительной сушки. Intl. Conf. on Chemical, Bio-Chemical and Environmental Sciences (ICBEE’2012) Singapore, December 14–15, 2012.
Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Влияние ультразвука на кристалличность наногидроксиапатита, полученного методом мокрого химического синтеза. 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): Электрофоретическое осаждение гидроксиапатита на титане при переменном и постоянном токе: сравнение. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715–2721.
Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Механические свойства пористой керамики, полученной из порошка гидроксиапатита с размером частиц 30 nm, для потенциального применения в тканевой инженерии твёрдых тканей. 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): Термическое и ультразвуковое воздействие при формировании гидроксиапатитовой биокерамики нанометрового масштаба. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Синтез и характеристика наногидроксиапатита методом с применением ультразвука. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469–474.
Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Пористый гидроксиапатит для применения в искусственной кости. Science and Technology of Advanced Materials 8. 2007. 116.
Suslick, K. S. (1998): Энциклопедия химической технологии Кирка–Отмера; 4-е изд. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517–541.

Связанные темы

Ультразвуковые устройства для настольного и производственного применения, такие как UIP1500hd, полностью соответствуют промышленному классу.

Ультразвуковое устройство UIP1500hd с проточным реактором