Sonosinteza nano-hidroksiapatita
Hidroksiapatit (HA ali HAp) je zelo pogosta bioaktivna keramika za medicinske namene zaradi svoje podobne strukture kot kostni material. Ultrazvočno podprta sinteza (sono-sinteza) hidroksiapatita je uspešna tehnika za proizvodnjo nanostrukturiranega HAp po najvišjih standardih kakovosti. Ultrazvočna pot omogoča proizvodnjo nanokristalnih HAp in modificiranih delcev, npr. Nanosfer jedrne lupine in kompozitov.
Hidroksiapatit: vsestranski mineral
V medicini je nanostrukturirani porozni HAp zanimiv material za uporabo umetnih kosti. Zaradi dobre biokompatibilnosti v stiku s kostmi in podobne kemične sestave kot kostni material je porozna HAp keramika našla ogromno uporabo v biomedicinskih aplikacijah, vključno z regeneracijo kostnega tkiva, proliferacijo celic in dostavo zdravil.
"V inženiringu kostnega tkiva se uporablja kot polnilni material za kostne okvare in augmentacijo, umetni kostni presadek in operacijo revizije proteze. Njegova visoka površina vodi do odlične osteoprevodnosti in resorbibilnosti, kar zagotavlja hitro vraščanje kosti." [Soypan et al. 2007] Torej, mnogi sodobni vsadki so prevlečeni s hidroksilapatitom.
Druga obetavna uporaba mikrokristalnega hidroksilapatita je njegova uporaba kot “Gradnja kosti” dopolnilo z vrhunsko absorpcijo v primerjavi s kalcijem.
Poleg uporabe kot materiala za popravilo kosti in zob je mogoče najti tudi druge aplikacije HAp v katalizi, proizvodnji gnojil, kot spojina v farmacevtskih izdelkih, v aplikacijah za beljakovinsko kromatografijo in postopkih čiščenja vode.
Ultrazvok moči: učinki in vpliv
Ko se te ekstremne sile, ki nastanejo med propadom kavitacijskih mehurčkov, razširijo v ultrazvočnem mediju, so prizadeti delci in kapljice – kar povzroči trk med delci, tako da se trdna snov razbije. S tem se doseže zmanjšanje velikosti delcev, kot so mletje, deaglomeracija in disperzija. Delce je mogoče zmanjšati na submikronsko in nano-velikost.
Poleg mehanskih učinkov lahko močna ultrazvočna obdelava ustvari proste radikale, strižne molekule in aktivira površine delcev. Ta pojav je znan kot sonokemija.
Sono-sinteza
Ultrazvočna obdelava gnojevke povzroči zelo fine delce z enakomerno porazdelitvijo, tako da se ustvari več nukleacijskih mest za padavine.
Delci HAp, sintetizirani z ultrazvokom, kažejo zmanjšano stopnjo aglomeracije. Manjša nagnjenost k aglomeraciji ultrazvočno sintetiziranega HAp je bila potrjena npr. z analizo FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) Poinern et al. (2009).
Ultrazvok pomaga in spodbuja kemične reakcije z ultrazvočno kavitacijo in njenimi fizikalnimi učinki, ki neposredno vplivajo na morfologijo delcev v fazi rasti. Glavne prednosti ultrazvočne obdelave, ki so posledica priprave superfinih reakcijskih zmesi, so
- 1) povečana hitrost reakcije,
- 2) skrajšan čas obdelave
- 3) splošno izboljšanje učinkovite rabe energije.
(2011) so razvili mokro-kemično pot, ki kot glavne reaktante uporablja kalcijev nitrat tetrahidrat (Ca[NO3]2 · 4H2O) in kalijev dihidrogenfosfat (KH2PO4). Za nadzor pH vrednosti med sintezo je bil dodan amonijev hidroksid (NH4OH).
Ultrazvočni procesor je bil UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode s premerom 7 mm) podjetja Hielscher Ultrasonics.
Koraki sinteze nano-HAP:
40 ml raztopina 0,32 M Ca(NO3)2 · 4H2O je bil pripravljen v majhni čaši. pH raztopine je bil nato prilagojen na 9,0 s približno 2,5 ml NH4OH. Raztopina je bila sonikirana z UP50H pri nastavitvi 100% amplitude za 1 uro.
Ob koncu prve ure 60 ml raztopine 0,19 M [KH2PO4] je bila nato počasi dodana po kapljicah v prvo raztopino, medtem ko je bila podvržena drugi uri ultrazvočnega obsevanja. Med postopkom mešanja je bila pH vrednost preverjena in vzdrževana na 9, medtem ko je bilo razmerje Ca/P ohranjeno pri 1,67. Raztopina je bila nato filtrirana s centrifugiranjem (~ 2000 g), nato pa je bila nastala bela oborina sorazmerna v več vzorcev za toplotno obdelavo.
Prisotnost ultrazvoka v postopku sinteze pred toplotno obdelavo ima pomemben vpliv na oblikovanje začetnih predhodnih sestavin nano-HAP delcev. To je posledica velikosti delcev, ki je povezana z nukleacijo in vzorcem rasti materiala, kar je povezano s stopnjo super nasičenosti v tekoči fazi.
Poleg tega lahko med tem postopkom sinteze neposredno vplivata tako na velikost delcev kot na njegovo morfologijo. Učinek povečanja ultrazvočne moči z 0 na 50W je pokazal, da je mogoče zmanjšati velikost delcev pred toplotno obdelavo.
Naraščajoča ultrazvočna moč, ki se uporablja za obsevanje tekočine, je pokazala, da se proizvaja večje število mehurčkov / kavitacij. To je povzročilo več nukleacijskih mest in posledično so delci, ki nastanejo okoli teh mest, manjši. Poleg tega delci, ki so izpostavljeni daljšim obdobjem ultrazvočnega obsevanja, kažejo manj aglomeracije. Kasnejši podatki FESEM so potrdili zmanjšano aglomeracijo delcev pri uporabi ultrazvoka med postopkom sinteze.
Nano-HAp delci v nanometrskem območju velikosti in sferični morfologiji so bili proizvedeni z uporabo tehnike mokrega kemičnega obarjanja v prisotnosti ultrazvoka. Ugotovljeno je bilo, da je kristalna struktura in morfologija nastalih nano-HAP prahov odvisna od moči vira ultrazvočnega obsevanja in naknadne toplotne obdelave. Očitno je bilo, da prisotnost ultrazvoka v procesu sinteze spodbuja kemijske reakcije in fizikalne učinke, ki so kasneje po toplotni obdelavi proizvedli ultrafine nano-HAp praške.
- glavni anorganski mineral kalcijevega fosfata
- visoka biokompatibilnost
- počasna biorazgradljivost
- osteokonduktivno
- Netoksičen
- neimunogeni
- lahko se kombinira s polimeri in/ali steklom
- Dobra absorpcijska strukturna matrica za druge molekule
- odličen kostni nadomestek
Sinteza HAp prek ultrazvočne poti sol-gel
Ultrazvočno podprta pot sol-gel za sintezo nanostrukturiranih HAp delcev:
Material:
– reaktanti: kalcijev nitrat Ca(NO3)2, diamonijev hidrogenfosfat (NH4)2HPO4, natrijev hidroksid NaOH;
– 25 ml epruveta
- Raztopite Ca(NO3)2 in (NH4)2HPO4 v destilirani vodi (molsko razmerje kalcija in fosforja: 1,67)
- Raztopini dodajte nekaj NaOH, da ohranite pH okoli 10.
- Ultrazvočna obdelava z UP100H (sonotroda MS10, amplituda 100%)
- Hidrotermalne sinteze so potekale pri 150 °C 24 ur v električni pečici.
- Po reakciji se lahko kristalni HAp pobere s centrifugiranjem in izpiranjem z deionizirano vodo.
- Analiza dobljenega HAp nanoprahu z mikroskopijo (SEM, TEM,) in/ali spektroskopijo (FT-IR). Sintetizirani nanodelci HAp kažejo visoko kristalnost. Glede na čas ultrazvočne obdelave je mogoče opaziti različno morfologijo. Daljša ultrazvočna razbijanje lahko privede do enakomernih HAp nanopalic z visokim razmerjem stranic in ultra visoko kristalnostjo. [prim. Manafi et al. 2008]
Sprememba HAp
Zaradi svoje krhkosti je uporaba čistega HAp omejena. Pri raziskavah materialov je bilo veliko prizadevanj za spremembo HAp s polimeri, saj je naravna kost kompozit, ki je v glavnem sestavljen iz nano-velikih, igličastih kristalov HAp (predstavlja približno 65 % težkih kosti). Ultrazvočno podprta modifikacija HAp in sinteza kompozitov z izboljšanimi lastnostmi materiala ponuja številne možnosti (glej nekaj primerov spodaj).
Praktični primeri:
Sinteza nano-HAp
Sinteza gelantin-hidroksiapatita (Gel-HAp)
Celotna raztopina je bila sonikirana 1 uro. Vrednost pH je bila ves čas preverjena in vzdrževana pri pH 9, razmerje Ca/P pa je bilo prilagojeno na 1,67. Filtracija bele oborine je bila dosežena s centrifugiranjem, kar je povzročilo gosto gnojevko. Različni vzorci so bili toplotno obdelani v cevni peči 2 uri pri temperaturah 100, 200, 300 in 400 °C. S tem smo dobili Gel-HAp prah v zrnati obliki, ki je bil zmlet v fini prah in označen z XRD, FE-SEM in FT-IR. Rezultati kažejo, da blaga ultrazvočna razglasitev in prisotnost želatine med rastno fazo HAp spodbujata manjšo adhezijo - kar ima za posledico manjšo in pravilno sferično obliko nano-delcev Gel-HAp. Blaga ultrazvočna razbijanje pomaga pri sintezi nano-velikih delcev Gel-HAp zaradi ultrazvočnih homogenizacijskih učinkov. Amidne in karbonilne vrste iz želatine se nato vežejo na nanodelce HAp med rastno fazo s sonokemično podprto interakcijo.
[Brundavanam et al. 2011]
Nanašanje HAp na titanove trombocite
Posrebro prevlečena HAp
Naše zmogljive ultrazvočne naprave so zanesljiva orodja za obdelavo delcev v submikronskem in nano-velikem območju. Ne glede na to, ali želite sintetizirati, razpršiti ali funkcionalizirati delce v majhnih epruvetah za raziskovalne namene ali pa morate obdelati velike količine nano-praškastih gnojevk za komercialno proizvodnjo – Hielscher ponuja ustrezen ultrazvočni aparat za vaše zahteve!
Literatura/Reference
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, GEJ (2011): Učinek razredčene želatine na ultrazvočno toplotno podprto sintezo nano hidroksiapatita. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Sinteza in karakterizacija nanodelcev hidrojapatita. Koloidi in površine A: Physicochem. Eng. Vidiki 322; 2008. 29-33.
- Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Plazemski hidroksiapatitni premazi s srebrovimi nanodelci. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
- Jevtića, M.; Radulović, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Nadzorovano sestavljanje poli(d,l-laktid-ko-glikolid)/hidroksiapatitnih nanosfer jedra-lupine pod ultrazvočnim obsevanjem. Acta Biomaterialia 5/1; 2009. 208–218.
- Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Priprava hidroksiapatita iz goveje kosti s kombiniranimi metodami ultrazvočnega sušenja in sušenja z razprševanjem. Mednarodna konferenca o kemijskih, biokemijskih in okoljskih znanostih (ICBEE'2012), Singapur, 14.-15. december 2012.
- Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Učinek ultrazvoka na kristalnost nano-hidroksiapatita z mokro kemično metodo. 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 proti enosmernemu elektroforetskemu nanašanju hidroksiapatita na titanu. Revija Evropskega keramičnega društva 33; 2013. 2715–2721.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Mehanske lastnosti porozne keramike, pridobljene iz 30 nm velikega prahu hidroksiapatita na osnovi delcev za potencialne aplikacije v inženiringu trdih tkiv. Ameriški časopis za biomedicinsko inženirstvo 2/6; 2012. 278-286.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Đorđević, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Toplotni in ultrazvočni vpliv pri tvorbi nanometrske biokeramike hidroksiapatita. Mednarodni časopis za nanomedicino 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Sinteza in karakterizacija nanohidroksiapatita z uporabo ultrazvočne metode. Ultrazvočna sonokemija, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Porozni hidroksiapatit za uporabo umetnih kosti. Znanost in tehnologija naprednih materialov 8. 2007. 116.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmerjeva enciklopedija kemijske tehnologije; 4. izdaja J. Wiley & Sinovi: New York, zvezek 26, 1998. 517-541.