Sonosinteza e nano-hidroksiapatitit

Hidroksiapatiti (HA ose HAp) është një qeramikë bioaktive që përdoret gjerësisht për qëllime mjekësore për shkak të strukturës së tij të ngjashme me materialin kockor. Sinteza e hidroksiapatitit e asistuar me ultratinguj (sonosinteza) është një teknikë e suksesshme për prodhimin e HAp të nanostrukturuar sipas standardeve më të larta të cilësisë. Metoda me ultratinguj mundëson prodhimin e HAp nanokristalor, si dhe të grimcave të modifikuara, p.sh. nanosferave me bërthamë dhe mbështjellës, dhe të kompoziteve.

Hidroksiapatiti: një mineral me përdorime të shumta

Hidroksilapatiti ose hidroksiapatiti (HAp, gjithashtu HA) është një formë minerale e apatitit të kalciumit që gjendet në natyrë, me formulën Ca₅(PO₄)₃(OH). Për të treguar se qeliza elementare e kristalit përmban dy njësi, zakonisht shkruhet Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Hidroksilapatiti është komponenti fundor hidroksilik i grupit kompleks të apatiteve. Joni OH- mund të zëvendësohet nga fluoruri, kloruri ose karbonati, duke prodhuar fluorapatit ose klorapatit. Ai kristalizohet në sistemin kristalor heksagonal. HAp njihet si material kockor, pasi deri në 50 wt% e kockës është një formë e modifikuar e hidroksiapatitit.
Në mjekësi, HAp poroz i nanostrukturuar është një material me interes për përdorim si kockë artificiale. Për shkak të biokompatibilitetit të tij të mirë në kontakt me kockën dhe përbërjes së tij kimike të ngjashme me materialin kockor, qeramika poroze HAp ka gjetur përdorim jashtëzakonisht të gjerë në zbatime biomjekësore, përfshirë rigjenerimin e indit kockor, proliferimin qelizor dhe shpërndarjen e barnave.
„Në inxhinierinë e indit kockor, ai është përdorur si material mbushës për defektet kockore dhe zmadhimin e kockës, si material artificial për transplantim kockor dhe në kirurgjinë e rishikimit të protezave. Sipërfaqja e tij e madhe siguron osteokonduktivitet dhe aftësi resorbimi të shkëlqyera, duke mundësuar rritjen e shpejtë të kockës brenda tij.” [Soypan et al. 2007] Kështu, shumë implante moderne janë të veshura me hidroksilapatit.
Një tjetër zbatim premtues i hidroksilapatitit mikrokristalor është përdorimi i tij si suplement “për formimin e kockave”, me përthithje më të mirë në krahasim me kalciumin.
Përveç përdorimit të tij si material riparues për kockat dhe dhëmbët, zbatime të tjera të HAp gjenden në katalizë, në prodhimin e plehrave kimike, si përbërës në produkte farmaceutike, në zbatime të kromatografisë së proteinave dhe në proceset e trajtimit të ujit.

Ultratingujt me fuqi të lartë: efektet dhe ndikimi

Sonikimi përshkruhet si një proces në të cilin përdoret një fushë akustike që bashkëvepron me një mjedis të lëngshëm duke i transmetuar energji. Valët ultrasonike përhapen në lëng dhe prodhojnë cikle të alternuara të presionit të lartë/ presionit të ulët (ngjeshje dhe rrallim). Gjatë fazës së rrallimit, në lëng shfaqen flluska të vogla vakumi ose zgavra, të cilat rriten gjatë disa cikleve të presionit të lartë/ presionit të ulët, derisa flluska nuk mund të përthithë më energji. Në këtë pikë, flluskat shemben vrullshëm drejt brendësisë gjatë një faze ngjeshjeje. Gjatë një shembjeje të tillë të flluskave, çlirohet një sasi e madhe energjie në formën e valëve goditëse, temperaturave të larta (rreth 5 000K) dhe presioneve të larta (rreth 2 000atm). Për më tepër, këto „pika të nxehta” karakterizohen nga shpejtësi shumë të larta ftohjeje. Shembja e flluskës drejt brendësisë prodhon gjithashtu rryma lëngu me shpejtësi deri në 280m/s. Ky fenomen quhet kavitacion.
Kur këto forca ekstreme, të cilat krijohen gjatë shembjes së flluskave të kavitacionit, përhapen në mjedisin e sonikuar, ato ndikojnë te grimcat dhe pikat e lëngut – duke shkaktuar përplasje ndërmjet grimcave, kështu që materiali i ngurtë copëtohet. Në këtë mënyrë arrihen zvogëlimi i madhësisë së grimcave nëpërmjet bluarjes, deaglomerimi dhe shpërndarja. Grimcat mund të zvogëlohen në madhësi nënmikronike dhe nanometrike.
Përveç efekteve mekanike, sonikimi i fuqishëm mund të krijojë radikale të lira, të copëtojë molekulat përmes forcave prerëse dhe të aktivizojë sipërfaqet e grimcave. Këto dukuri njihen si sonokimi.

Sonosinteza

Trajtimi i suspensionit me ultratinguj jep grimca shumë të imëta me shpërndarje të njëtrajtshme, duke krijuar kështu më shumë vende bërthamëzimi për precipitimin.
Grimcat e HAp të sintetizuara nën veprimin e ultratingujve shfaqin një shkallë më të ulët aglomerimi. Prirja më e ulët për aglomerim e HAp të sintetizuar me ultratinguj u konfirmua, për shembull, nga analiza FESEM (mikroskopia elektronike skanuese me emetim fushor) e Poinern et al. (2009).

Ultratingujt ndihmojnë dhe nxisin reaksionet kimike përmes kavitacionit ultrasonik dhe efekteve të tij fizike, të cilat ndikojnë drejtpërdrejt në morfologjinë e grimcave gjatë fazës së rritjes. Përfitimet kryesore të trajtimit me ultratinguj, që mundëson përgatitjen e përzierjeve të reaksionit me imtësi shumë të lartë, janë

1) rritja e shpejtësisë së reaksionit,
2) shkurtimi i kohës së përpunimit
3) një përmirësim i përgjithshëm i përdorimit efikas të energjisë.

Poinern et al. (2011) zhvilluan një metodë kimike në mjedis të lëngshëm që përdor nitrat kalciumi tetrahidrat (Ca[NO3]2 · 4H2O) dhe dihidrogjenfosfat kaliumi (KH2PO4) si reaktantë kryesorë. Për të kontrolluar vlerën e pH gjatë sintezës, u shtua hidroksid amoni (NH4OH).
Procesori me ultratinguj ishte një UP50H (50 W, 30 kHz, sonotrodë MS7 me diametër 7 mm) nga Hielscher Ultrasonics.

Hidroksiapatit kalciumi i disperguar me ultratinguj

Hidroksiapatit kalciumi i imtësuar dhe i dispersuar me ultratinguj

Hapat e sintezës së nano-HAP:

Një tretësirë prej 40 mL e 0,32M Ca(NO₃)₂ · 4H₂O u përgatit në një gotë të vogël laboratorike. Më pas, pH i tretësirës u rregullua në 9,0 me afërsisht 2,5mL NH₄OH. Tretësira u trajtua me ultratinguj duke përdorur UP50H me amplitudën të vendosur në 100% për 1 orë.
Në fund të orës së parë, një tretësirë prej 60 mL e 0,19M [KH₂PO₄] u shtua më pas ngadalë, pikë-pikë, në tretësirën e parë, ndërsa kjo i nënshtrohej një ore të dytë rrezatimi me ultratinguj. Gjatë procesit të përzierjes, vlera e pH u kontrollua dhe u mbajt në 9, ndërsa raporti Ca/P u mbajt në 1,67. Më pas, tretësira u filtrua duke përdorur centrifugimin (~2000 g), pas të cilit precipitati i bardhë i përftuar u nda në një numër mostrash për trajtim termik.
Prania e ultratingujve në procedurën e sintezës përpara trajtimit termik ka një ndikim të konsiderueshëm në formimin e pararendësve fillestarë të grimcave nano-HAP. Kjo ndodh sepse madhësia e grimcave lidhet me bërthamëzimin dhe mënyrën e rritjes së materialit, e cila nga ana e saj lidhet me shkallën e mbingopjes brenda fazës së lëngshme.
Përveç kësaj, si madhësia e grimcave, ashtu edhe morfologjia e tyre mund të ndikohen drejtpërdrejt gjatë këtij procesi sinteze. Efekti i rritjes së fuqisë së ultratingujve nga 0 në 50W tregoi se ishte e mundur të zvogëlohej madhësia e grimcave përpara trajtimit termik.
Rritja e fuqisë së ultratingujve të përdorur për të rrezatuar lëngun tregoi se po prodhohej një numër më i madh flluskash/kavitacionesh. Kjo, nga ana e saj, krijoi më shumë vende bërthamëzimi dhe, si rezultat, grimcat e formuara rreth këtyre vendeve janë më të vogla. Për më tepër, grimcat e ekspozuara ndaj periudhave më të gjata të rrezatimit me ultratinguj shfaqin më pak aglomerim. Të dhënat e mëvonshme FESEM kanë konfirmuar aglomerimin më të ulët të grimcave kur ultratingujt përdoren gjatë procesit të sintezës.
Grimcat nano-HAp me madhësi në intervalin nanometrik dhe morfologji sferike u prodhuan duke përdorur një teknikë precipitimi kimik në mjedis të lëngshëm, në prani të ultratingujve. U konstatua se struktura kristalore dhe morfologjia e pluhurave nano-HAP të përftuar vareshin nga fuqia e burimit të rrezatimit me ultratinguj dhe nga trajtimi termik i mëpasshëm i përdorur. Ishte e qartë se prania e ultratingujve në procesin e sintezës nxiste reaksionet kimike dhe efektet fizike që më pas prodhonin pluhurat ultra të imëta nano- HAp pas trajtimit termik.

Trajtim i vazhdueshëm me ultratinguj me një qelizë rrjedhjeje prej qelqi

Trajtim me ultratinguj në një dhomë reaktori ultrasonik

Hielscher Ultrasonics sponsorizon me krenari Konferencën e 7-të Ndërkombëtare Elektronike për Kiminë Medicinale. Klikoni këtu për të mësuar më shumë rreth prezantimeve dhe pjesëmarrjes!

Hidroksiapatiti:

minerali kryesor inorganik i fosfatit të kalciumit
biopërputhshmëri e lartë
biodegradueshmëri e ngadaltë
osteopërçues
jotoksik
joimunogjen
mund të kombinohet me polimere dhe/ ose qelq
matricë strukturore me përthithje të mirë për molekulat e tjera
zëvendësues i shkëlqyer i kockës

Homogjenizuesit ultrasonikë janë mjete të fuqishme për sintetizimin dhe funksionalizimin e grimcave, si HAp

Sonikator me sondë UP50H

Sinteza e HAp me metodën sol–gel të asistuar me ultratinguj

Metoda sol–gel e asistuar me ultratinguj për sintezën e grimcave të nanostrukturuara të HAp:
Materiali:
– reaktantët: nitrat kalciumi Ca(NO₃)₂, hidrogjenfosfat diamoni (NH₄)₂HPO₄, hidroksid natriumi NaOH ;
– epruvetë 25 ml

Tretni Ca(NO₃)₂ dhe (NH₄)₂HPO₄ në ujë të distiluar (raporti molar i kalciumit ndaj fosforit: 1,67)
Shtoni pak NaOH në tretësirë për ta mbajtur pH-në e saj rreth 10.
Trajtim me ultratinguj me një UP100H (sonotrodë MS10, amplitudë 100%)

Sintezat hidrotermale u kryen në 150°C për 24 h në një furrë elektrike.
Pas reaksionit, HAp kristalor mund të mblidhet me centrifugim dhe larje me ujë të dejonizuar.
Analiza e nanopluhurit të përftuar të HAp me mikroskopi (SEM, TEM,) dhe/ose spektroskopi (FT-IR). Nanogrimcat e sintetizuara të HAp shfaqin kristalinitet të lartë. Në varësi të kohës së sonikimit, mund të vërehet morfologji e ndryshme. Sonikimi më i gjatë mund të çojë në nanoshufra uniforme të HAp me raport të lartë gjatësi/diametër dhe kristalinitet jashtëzakonisht të lartë. [cp. Manafi et al. 2008]

Modifikimi i HAp

Për shkak të brishtësisë së tij, përdorimi i HAp të pastër është i kufizuar. Në kërkimin mbi materialet janë bërë shumë përpjekje për të modifikuar HAp me polimere, pasi kocka natyrore është një kompozit që përbëhet kryesisht nga kristale HAp me madhësi nanometrike dhe formë gjilpëre (që përbëjnë rreth 65wt% të kockës). Modifikimi i HAp i asistuar me ultratinguj dhe sinteza e kompoziteve me karakteristika të përmirësuara të materialit ofrojnë mundësi të shumta (shihni disa shembuj më poshtë).

Shembuj praktikë:

Sinteza e nano-HAp

Në studimin e Poinern et al. (2009), një sonikator me sondë Hielscher UP50H u përdor me sukses për sonosintezën e HAp. Me rritjen e energjisë së ultratingujve, madhësia e grimcave të kristaliteve të HAp u zvogëlua. Hidroksiapatiti i nanostrukturuar (HAp) u përgatit me një teknikë precipitimi në mjedis të lëngshëm të asistuar me ultratinguj. Ca(NO₃) dhe KH₂₅PO₄ u përdorën si materiali kryesor dhe NH₃ si agjent precipitues. Precipitimi hidrotermal nën rrezatim ultrasonik dha grimca HAp me madhësi nanometrike dhe morfologji sferike në intervalin nanometrik (afërsisht 30nm ± 5%). Poinern dhe bashkëpunëtorët e tij konstatuan se sinteza sonohidrotermale ishte një metodë ekonomike me aftësi të lartë për rritjen e shkallës deri në prodhim tregtar.

Sinteza e xhelatinës me hidroksiapatit (Gel-HAp)

Brundavanam dhe bashkëpunëtorët e tij kanë përgatitur me sukses një kompozit xhelatinë–hidroksiapatit (Gel-HAp) në kushte të buta sonikimi. Për përgatitjen e xhelatinë–hidroksiapatitit, 1g xhelatinë është tretur plotësisht në 1000mL ujë MilliQ në 40°C. Më pas, 2mL të tretësirës së përgatitur të xhelatinës iu shtuan përzierjes Ca2+/NH₃ . Përzierja u sonikua me një UP50H sonikator (50W, 30kHz). Gjatë sonikimit, 60mL KH₂PO₄ me përqendrim 0,19M iu shtuan pikë-pikë përzierjes.
E gjithë tretësira u sonikua për 1h. Vlera e pH-së u kontrollua dhe u mbajt vazhdimisht në pH 9, ndërsa raporti Ca/P u rregullua në 1,67. Filtrimi i precipitatit të bardhë u realizua me centrifugim, duke dhënë një suspension të trashë. Mostra të ndryshme iu nënshtruan trajtimit termik në një furrë tubulare për 2h në temperatura 100, 200, 300 dhe 400°C. Kështu u përftua një pluhur Gel–HAp në formë granulare, i cili u blua në pluhur të imët dhe u karakterizua me XRD, FE-SEM dhe FT-IR. Rezultatet tregojnë se trajtimi i butë me ultratinguj dhe prania e xhelatinës gjatë fazës së rritjes së HAp nxisin ngjitje më të ulët – duke dhënë kështu nanogrimca Gel–HAp më të vogla dhe me formë të rregullt sferike. Sonikimi i butë ndihmon sintezën e grimcave Gel–HAp me madhësi nanometrike për shkak të efekteve të homogjenizimit me ultratinguj. Speciet amide dhe karbonile nga xhelatina më pas lidhen me nanogrimcat e HAp gjatë fazës së rritjes përmes ndërveprimit të asistuar sonokimikisht.
[Brundavanam et al. 2011]

Depozitimi i HAp mbi pllakëza titani

Ozhukil Kollatha et al. (2013) kanë veshur pllaka Ti me hidroksiapatit. Para depozitimit, suspensioni i HAp u homogjenizua me një UP400S (pajisje ultrasonike 400 vat me sonotrodë H14, kohë sonikimi 40 sek. në amplitudë 75%).

HAp i veshur me argjend

Ignatev dhe bashkëpunëtorët (2013) zhvilluan një metodë biosintetike në të cilën nanogrimcat e argjendit (AgNp) u depozituan mbi HAp për të përftuar një veshje HAp me veti antibakteriale dhe për të zvogëluar efektin citotoksik. Për deaglomerimin e nanogrimcave të argjendit dhe sedimentimin e tyre mbi hidroksiapatit, një pajisje Hielscher UP400S u përdor.

Ignatev dhe bashkëpunëtorët e tij përdorën pajisjen ultrasonike me sondë UP400S për prodhimin e HAp të veshur me argjend.

Një konfigurim me përzierës magnetik dhe pajisje ultrasonike UP400S u përdor për përgatitjen e Hap të veshur me argjend [Ignatev et al 2013]

Pajisjet tona të fuqishme ultrasonike janë mjete të besueshme për trajtimin e grimcave me përmasa nënmikronike dhe nanometrike. Pavarësisht nëse dëshironi të sintetizoni, dispergoni ose funksionalizoni grimca në epruveta të vogla për qëllime kërkimore apo keni nevojë të trajtoni vëllime të mëdha suspensionesh të dendura nanopluhrash për prodhim tregtar – Hielscher ofron pajisjen ultrasonike të përshtatshme për kërkesat tuaja!

Homogjenizues ultrasonik UP400S

Literaturë/Referenca

Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Efekti i xhelatinës së holluar në sintezën e nanohidroksiapatitit të asistuar nga ultratingujt dhe nxehtësia. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Sinteza dhe karakterizimi i nanogrimcave të hidroksiapatitit. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 322; 2008. 29-33.
Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Veshje hidroksiapatiti me nanogrimca argjendi të aplikuara me spërkatje plazmatike. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Montimi i kontrolluar i nanosferave bërthamë–mbështjellës prej poli(d,l-laktid-ko-glikolid)/ hidroksiapatiti nën rrezatim ultrasonik. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Përgatitja e hidroksiapatitit nga kocka e gjedhit me metoda të kombinuara të ultratingujve dhe tharjes me spërkatje. Konferenca Ndërkombëtare për Shkencat Kimike, Biokimike dhe Mjedisore (ICBEE’2012) Singapor, December 14-15, 2012.
Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Efekti i ultratingujve në kristalinitetin e nanohidroksiapatitit përmes metodës kimike të lagësht. 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): Depozitimi elektroforetik i hidroksiapatitit mbi titan me rrymë alternative kundrejt rrymës së vazhduar. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715–2721.
Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Vetitë mekanike të një qeramike poroze të përftuar nga një pluhur hidroksiapatiti me grimca me përmasa 30 nm për aplikime të mundshme në inxhinierinë e indeve të forta. 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): Ndikimi termik dhe ultrasonik në formimin e bioqeramikës së hidroksiapatitit në shkallë nanometrike. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Sinteza dhe karakterizimi i nanohidroksiapatitit duke përdorur një metodë të asistuar nga ultratingujt. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Hidroksiapatiti poroz për aplikime në kocka artificiale. Science and Technology of Advanced Materials 8. 2007. 116.
Suslick, K. S. (1998): Enciklopedia Kirk-Othmer e Teknologjisë Kimike; botimi i 4-t. J. Wiley & Sons: New York, vëll. 26, 1998. 517-541.

Tema të lidhura

Pajisjet ultrasonike për përdorim në tavolinë laboratorike dhe në prodhim, si UIP1500hd, ofrojnë cilësi plotësisht industriale.

Pajisje ultrasonike UIP1500hd me reaktor me rrjedhje të vazhdueshme