Sono-Sinteza e Nano-Hidroksiapatitit

Hidroksiapatiti (HA ose HAp) është një qeramikë bioaktive shumë e frekuentuar për qëllime mjekësore për shkak të strukturës së saj të ngjashme me materialin kockor. Sinteza e asistuar me ultratinguj (sonosinteza) e hidroksiapatitit është një teknikë e suksesshme për të prodhuar HAp të nanostrukturuar me standardet më të larta të cilësisë. Rruga tejzanor lejon prodhimin e HAp nano-kristalor si dhe grimca të modifikuara, p.sh.

Hidroksiapatiti: Një mineral i gjithanshëm

Hidroksilapatiti ose hidroksiapatiti (HAp, gjithashtu HA) është një formë minerale natyrale e apatitit të kalciumit me formulën Ca₅(PO₄)₃(OH). Për të treguar se qeliza e njësisë kristalore përbëhet nga dy entitete, zakonisht shkruhet Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Hidroksilapatiti është përbërësi fundor hidroksil i grupit kompleks të apatitit. Joni OH- mund të zëvendësohet me fluor, klorur ose karbonat, duke prodhuar fluorapatit ose klorapatit. Kristalizohet në sistemin kristal gjashtëkëndor. HAp njihet si material kockor pasi deri në 50 wt% e kockave është një formë e modifikuar e hidroksiapatitit.
Në mjekësi, HAp poroz me nanostrukturë është një material interesant për aplikimin e kockave artificiale. Për shkak të biokompatibilitetit të mirë në kontaktin me kockat dhe përbërjes së tij kimike të ngjashme me materialin kockor, qeramika poroze HAp ka gjetur përdorim të madh në aplikimet biomjekësore, duke përfshirë rigjenerimin e indit kockor, përhapjen e qelizave dhe shpërndarjen e barnave.
„In bone tissue engineering it has been applied as filling material for bone defects and augmentation, artificial bone graft material, and prosthesis revision surgery. Its high surface area leads to excellent osteoconductivity and resorbability providing fast bone ingrowth.” [Soypan et al. 2007] So, many modern implants are coated with hydroxylapatite.
Një aplikim tjetër premtues i hidroksilapatitit mikrokristalor është përdorimi i tij si “kockavendërtimi” suplement me përthithje më të lartë në krahasim me kalciumin.
Përveç përdorimit të tij si material riparues për kockat dhe dhëmbët, aplikime të tjera të HAp mund të gjenden në katalizën, prodhimin e plehrave, si përbërës në produktet farmaceutike, në aplikimet e kromatografisë së proteinave dhe proceset e trajtimit të ujit.

Ultratingulli i fuqisë: Efektet dhe ndikimi

Sonication is described as a process where an acoustic field is used, which is coupled to a liquid medium. The ultrasound waves propagate in the liquid and produce alternating high pressure/ low pressure cycles (compression and rarefaction). During the rarefaction phase emerge small vacuum bubbles or voids in the liquid, which grow over various high pressure/ low pressure cycles until the bubble cannot absorb no more energy. At this phase, the bubbles implodes violently during a compression phase. During such bubble collapse a large amount of energy is released in form of a shock waves, high temperatures (approx. 5,000K) and pressures (approx. 2,000atm). Furthermore, these „hot spots” are characterized by very high cooling rates. The implosion of the bubble also results in liquid jets of up to 280m/s velocity. This phenomenon is termed cavitation.
Kur këto forca ekstreme, të cilat krijohen gjatë rënies së shpeshtë të flluskave të kavitacionit, zgjerohen në mjedisin e sonikuar, grimcat dhe pikat preken. – duke rezultuar në përplasje ndërgrimcash në mënyrë që trupi i ngurtë të thyhet. Në këtë mënyrë, arrihet reduktimi i madhësisë së grimcave si bluarja, deagglomerimi dhe shpërndarja. Grimcat mund të zvogëlohen në madhësi nën mikron dhe nano.
Përveç efekteve mekanike, sonikimi i fuqishëm mund të krijojë radikale të lira, molekula qethëse dhe të aktivizojë sipërfaqet e grimcave. Ky fenomen njihet si sonokimia.

sono-sinteza

Një trajtim tejzanor i llumit rezulton në grimca shumë të imta me shpërndarje të barabartë në mënyrë që të krijohen më shumë vende bërthamore për reshje.
Grimcat HAp të sintetizuara nën ultratinguj tregojnë një nivel të ulur të grumbullimit. Tendenca më e ulët për grumbullimin e HAp të sintetizuar në mënyrë ultrasonike u konfirmua p.sh. nga analiza FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) e Poinern et al. (2009).

Ultratingulli ndihmon dhe nxit reaksionet kimike nga kavitacioni tejzanor dhe efektet e tij fizike që ndikojnë drejtpërdrejt në morfologjinë e grimcave gjatë fazës së rritjes. Përfitimet kryesore të ultrazërit që rezulton në përgatitjen e përzierjeve të reaksionit superfine janë

1) rritje e shpejtësisë së reagimit,
2) ulje e kohës së përpunimit
3) një përmirësim i përgjithshëm në përdorimin efikas të energjisë.

Poinern et al. (2011) zhvilloi një rrugë kimike të lagësht që përdor tetrahidrat nitrat kalciumi (Ca[NO3]2 · 4H2O) dhe dihidrogjen fosfat kaliumi (KH2PO4) si reaktantë kryesorë. Për kontrollin e vlerës së pH gjatë sintezës, është shtuar hidroksidi i amonit (NH4OH).
Procesori i ultrazërit ishte një UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode me diametër 7 mm) nga Hielscher Ultrasonics.

Kalcium-hidroksiapatit i shpërndarë në mënyrë tejzanor

Kalcium-hidroksiapatit i reduktuar dhe i shpërndarë në mënyrë tejzanor

Hapat e sintezës së nano-HAP:

Një tretësirë prej 40 ml prej 0.32 M Ca (NO₃)₂ · 4 orë₂O u përgatit në një gotë të vogël. PH e tretësirës më pas u rregullua në 9.0 me afërsisht 2.5mL NH₄Oh. Zgjidhja u sonicated me UP50H në cilësimin e amplitudës 100% për 1 orë.
Në fund të orës së parë, një tretësirë prej 60 mL prej 0,19 M [KH₂PO₄] më pas u shtua ngadalë me pika në tretësirën e parë ndërsa 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. Zgjidhja më pas filtrohet duke përdorur centrifugim (~ 2000 g), pas së cilës precipitati i bardhë rezultues u përpjesëtua në një numër mostrash për trajtim termik.
Prania e ultrazërit në procedurën e sintezës përpara trajtimit termik ka një ndikim të rëndësishëm në formimin e prekursorëve fillestarë të grimcave nano-HAP. Kjo është për shkak të lidhjes së madhësisë së grimcave me bërthamimin dhe modelin e rritjes së materialit, i cili nga ana tjetër lidhet me shkallën e super ngopjes brenda fazës së lëngshme.
Përveç kësaj, si madhësia e grimcave ashtu edhe morfologjia e saj mund të ndikohen drejtpërdrejt gjatë këtij procesi sinteze. Efekti i rritjes së fuqisë së ultrazërit nga 0 në 50 W tregoi se ishte e mundur të zvogëlohej madhësia e grimcave përpara trajtimit termik.
Fuqia në rritje e ultrazërit e përdorur për të rrezatuar lëngun tregoi se po prodhoheshin një numër më i madh flluskash/kavitacionesh. Kjo nga ana tjetër prodhoi më shumë vende bërthamore 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 ultrasonik tregojnë më pak grumbullim. Të dhënat e mëvonshme FESEM kanë konfirmuar grumbullimin e reduktuar të grimcave kur përdoret ultratingulli gjatë procesit të sintezës.
Grimcat Nano-HAp në diapazonin e madhësisë së nanometrit dhe morfologjinë sferike u prodhuan duke përdorur një teknikë të reshjeve kimike të lagështa në prani të ultrazërit. U zbulua se struktura kristalore dhe morfologjia e pluhurave nano-HAP rezultuese vareshin nga fuqia e burimit të rrezatimit ultrasonik dhe nga trajtimi termik pasues i përdorur. Ishte e qartë se prania e ultrazërit në procesin e sintezës nxiti reaksionet kimike dhe efektet fizike që më pas prodhuan pluhurat ultrafine nano-HAp pas trajtimit termik.

Ultratinguj i vazhdueshëm me një qelizë me rrjedhje xhami

Sonication në një dhomë reaktori tejzanor

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

Hidroksiapatiti:

minerali kryesor inorganik i fosfatit të kalciumit
biokompatibilitet i lartë
biodegradueshmëri e ngadaltë
osteopërçues
Jo toksike
jo imunogjene
mund të kombinohet me polimere dhe/ose xhami
matricë e mirë e strukturës së përthithjes për molekula të tjera
zëvendësues i shkëlqyer i kockave

Homogjenizuesit tejzanor janë mjete të fuqishme për të sintetizuar dhe funksionalizuar grimcat, të tilla si HAp

ultrasonikator i tipit sondë UP50H

Sinteza HAp përmes rrugës ultrasonike Sol-Xhel

Rruga sol-xhel me asistencë tejzanor për sintezën e grimcave HAp me nanostrukturë:
Materiali:
– Reaktantët: Nitrat kalciumi Ca(NO₃)₂, hidrogjenfosfat di-amonium (NH₄)₂HPO₄, NaOH hidroksid natriumi ;
– epruvetë 25 ml

Shpërndani Ca (NO₃)₂ dhe (NH₄)₂HPO₄ në ujë të distiluar (raporti molar i kalciumit me fosforin: 1.67)
Shtoni pak NaOH në tretësirë për të mbajtur pH rreth 10.
Trajtimi me ultratinguj me një UP100H (sonotrode MS10, amplituda 100%)

Sintezat hidrotermale u kryen në 150°C për 24 orë në një furrë elektrike.
Pas reaksionit, HAp kristalor mund të merret me centrifugim dhe larje me ujë të deionizuar.
Analiza e nanopluhurit HAp të marrë me mikroskopi (SEM, TEM,) dhe/ose spektroskopi (FT-IR). Nanogrimcat e sintetizuara HAp tregojnë kristalitet të lartë. Mund të vërehen morfologji të ndryshme në varësi të kohës së sonikimit. Sonicizimi më i gjatë mund të çojë në nanoshodina uniforme HAp me një raport të lartë pamjeje dhe kristalitet ultra të lartë. [cp. Manafi etj. 2008]

Modifikimi i HAp

Për shkak të brishtësisë së tij, aplikimi i HAp të pastër është i kufizuar. Në kërkimin e materialit, janë bërë shumë përpjekje për të modifikuar HAp nga polimerët, pasi kocka natyrale është një përbërje e përbërë kryesisht nga kristale HAp me madhësi nano, të ngjashme me gjilpërën (përfshin rreth 65% peshë të kockës). Modifikimi i asistuar me ultratinguj i HAp dhe sinteza e përbërjeve me karakteristika të përmirësuara të materialit ofron mundësi të shumëfishta (shih disa shembuj më poshtë).

Shembuj praktik:

Sinteza e nano-HAp

Në studimin e Poinern et al. (2009), një Hielscher UP50H Ultrasonikator i tipit sondë u përdor me sukses për sono-sintezën e HAp. Me rritjen e energjisë së ultrazërit, madhësia e grimcave të kristaliteve HAp u zvogëlua. Hidroksiapatiti i nanostrukturuar (HAp) u përgatit nga një teknikë e reshjeve të lagështa të asistuara në mënyrë ultrasonike. Ca(Nr₃) dhe KH₂₅PO₄ werde përdoret si material kryesor dhe NH₃ si precipitues. Reshjet hidrotermale nën rrezatimin ultrasonik rezultuan në grimca HAp me madhësi nano me një morfologji sferike në diapazonin e madhësisë së nanometrit (rreth 30 nm ± 5%). Poinern dhe bashkëpunëtorët e gjetën sintezën sono-hidrotermale një rrugë ekonomike me aftësi të forta të rritjes për prodhimin komercial.

Sinteza e xhelantinë-hidroksiapatitit (Gel-HAp)

Brundavanam dhe bashkëpunëtorët kanë përgatitur me sukses një përbërje xhelantine-hidroksiapatite (Gel-HAp) në kushte të lehta sonikimi. Për përgatitjen e xhelantinë-hidroksiapatitit, 1 g xhelatinë është tretur plotësisht në 1000 ml ujë MilliQ në 40°C. 2mL e tretësirës së përgatitur të xhelatinës iu shtua më pas në Ca2+/NH₃ përzierje. Përzierja u sonikua me një UP50H ultrasonikator (50W, 30kHz). Gjatë sonikacionit, 60mL 0.19M KH₂PO₄ janë shtuar me pikë në përzierje.
E gjithë zgjidhja u sonikua për 1 orë. Vlera e pH u kontrollua dhe u mbajt në pH 9 gjatë gjithë kohës dhe raporti Ca/P u rregullua në 1.67. Filtrimi i precipitatit të bardhë u arrit me centrifugim, duke rezultuar në një pluhur të trashë. Mostra të ndryshme u trajtuan me nxehtësi në një furrë me tuba për 2 orë në një temperaturë prej 100, 200, 300 dhe 400°C. Në këtë mënyrë, u përftua një pluhur Gel–HAp në formë kokrrizore, i cili u blua në një pluhur të imët dhe u karakterizua nga XRD, FE-SEM dhe FT-IR. Rezultatet tregojnë se ultratingulli i butë dhe prania e xhelatinës gjatë fazës së rritjes së HAp nxisin ngjitjen më të ulët - duke rezultuar në një formë më të vogël dhe të rregullt sferike të nano-grimcave Gel-HAp. Sonicizimi i lehtë ndihmon në sintezën e grimcave Gel-HAp me madhësi nano për shkak të efekteve të homogjenizimit tejzanor. Llojet e amidit dhe karbonilit nga xhelatina më pas lidhen me nano-grimcat HAp gjatë fazës së rritjes nëpërmjet ndërveprimit të asistuar sonokimikisht.
[Brundavanam et al. 2011]

Depozitimi i HAp në trombocitet e titanit

Ozhukil Kollatha etj. (2013) kanë veshur pllaka Ti me hidroksiapatit. Përpara depozitimit, suspensioni HAp u homogjenizua me një UP400S (Pajisje ultrasonike 400 vat me bri ultrasonike H14, koha e sonikacionit 40 sek. me amplitudë 75%).

HAp i veshur me argjend

Ignatev dhe bashkëpunëtorët (2013) zhvilluan një metodë biosintetike ku nanogrimcat e argjendit (AgNp) u depozituan në HAp për të marrë një shtresë HAp me veti antibakteriale dhe për të ulur efektin citotoksik. Për deaglomerimin e nanogrimcave të argjendit dhe për sedimentimin e tyre në hidroksiapatit, një Hielscher UP400S u përdor.

Ignatev dhe bashkëpunëtorët e tij përdorën pajisjen e tipit sondë tejzanor UP400S për prodhimin e HAp-it të veshur me argjend.

Një konfigurim i përzierësit magnetik dhe ultrazërit UP400S u përdor për përgatitjen Hap të veshur me argjend [Ignatev et al 2013]

Pajisjet tona të fuqishme tejzanor janë mjete të besueshme për të trajtuar grimcat në diapazonin nën mikron dhe nano. Nëse dëshironi të sintetizoni, shpërndani ose funksionalizoni grimcat në tuba të vegjël për qëllime kërkimore ose keni nevojë të trajtoni vëllime të larta të slurit nano-pluhur për prodhim komercial – Hielscher ofron ultrasonikatorin e përshtatshëm për kërkesat tuaja!

Homogjenizues tejzanor UP400S

Literatura/Referencat

Brundavanam, RK; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, GEJ (2011): Efekti i xhelatinës së holluar në sintezën termike tejzanor të nano hidroksiapatitit. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Sinteza dhe karakterizimi i nanogrimcave të hidroyapatitit. Koloidet dhe Sipërfaqet A: Fizikokimi. Ing. Aspektet 322; 2008. 29-33.
Ignatev, M.; Rybak, T.; Colones, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Veshje me hidroksiapatit të spërkatur me plazmë me nanogrimca argjendi. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
Jevtica, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitriqb, M.; Uskoković, D. (2009): Asambleja e kontrolluar e nanosferave poli(d,l-laktide-ko-glikolide)/ hidroksiapatit-bërthamë nën rrezatim tejzanor. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
Kusrini, E.; Pudjiastuti, AR; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Përgatitja e hidroksiapatitit nga kocka e gjedhit me metoda të kombinuara të tharjes me ultratinguj dhe me spërkatje. nderkombetare. Konf. mbi Shkencat Kimike, Bio-Kimike dhe Mjedisore (ICBEE'2012) Singapor, 14-15 dhjetor 2012.
Manafi, S.; Badiee, SH (2008): Efekti i tejzanor në kristalinitetin e nano-hidroksiapatitit nëpërmjet metodës kimike të lagësht. Ir J Pharma Sci 4/2; 2008. 163-168
Ozhukil Kollatha, V.; Çenc, Q.; Clossetb, R.; Luytena, J.; Trainab, K.; Mullensa, S.; Boccaccinic, AR; Clootsb, R. (2013): AC kundër DC Depozitimi elektroforetik i hidroksiapatitit në titanium. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715–2721.
Poinern, GEJ; Brundavanam, RK; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Vetitë mekanike të një qeramike poroze që rrjedhin nga një pluhur hidroksiapatiti i bazuar në grimca me madhësi 30 nm për aplikime të mundshme inxhinierike të indeve të forta. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278-286.
Poinern, GJE; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Gjorgjeviq, S.; Prokiç, M.; Fawcett, D. (2011): Ndikimi termik dhe tejzanor në formimin e bio-qeramikës hidroksiapatite në shkallë nanometër. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
Poinern, GJE; Brundavanam, RK; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Sinteza dhe karakterizimi i nanohidroksiapatitit duke përdorur një metodë të asistuar me ultratinguj. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, KA: (2007): Hidroksiapatit poroz për aplikime të kockave artificiale. Shkenca dhe Teknologjia e Materialeve të Avancuara 8. 2007. 116.
Suslick, KS (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; Ed. 4. J. Wiley & Djemtë: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.

Tema të ngjashme

Pajisjet tejzanor për tavolinë dhe prodhim si UIP1500hd ofrojnë shkallë të plotë industriale.

Pajisja me ultratinguj UIP1500hd me reaktor rrjedhës