Sono-syntes av nano-hydroxiapatit

Hydroxiapatit (HA eller HAp) är en mycket frekvent bioaktiv keramik för medicinska ändamål på grund av dess liknande struktur som benmaterial. Den ultraljudsassisterade syntesen (sono-syntesen) av hydroxiapatit är en framgångsrik teknik för att producera nanostrukturerad HAp vid högsta kvalitetsstandarder. Ultraljudsvägen gör det möjligt att producera nanokristallin HAp såväl som modifierade partiklar, t.ex. nanosfärer och kompositer med kärnskal.

Sono-syntes

En ultraljudsbehandling av flytgödseln resulterar i mycket fina partiklar med jämn fördelning så att fler kärnbildningsställen för nederbörd skapas.
HAp-partiklar syntetiserade under ultraljud visar en minskad nivå av agglomeration. Den lägre tendensen till agglomeration av ultraljudssyntetiserad HAp bekräftades t.ex. genom FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) analys av Poinern et al. (2009).

Ultraljud hjälper och främjar kemiska reaktioner genom ultraljudskavitation och dess fysiska effekter som direkt påverkar partikelmorfologi under tillväxtfasen. De främsta fördelarna med ultraljud som resulterar i beredningen av superfina reaktionsblandningar är

• 1) ökad reaktionshastighet,
• 2) Minskad handläggningstid
• 3) En allmän förbättring av den effektiva energianvändningen.

Poinern et al. (2011) utvecklade en våtkemisk väg som använder kalciumnitrattetrahydrat (Ca[NO3]2 · 4H2O) och kaliumdivätefosfat (KH2PO4) som huvudreaktanter. För kontroll av pH-värdet under syntesen tillsattes ammoniumhydroxid (NH4OH).
Ultraljudsprocessorn var en UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode med 7 mm diameter) från Hielscher Ultrasonics.

Ultraljudsreducerad och dispergerad kalcium-hydroxiapatit

Steg för nano-HAP-syntes:

En 40 ml lösning på 0,32 M Ca(NO₃)₂ · 4H₂O var tillredd i en liten bägare. Lösningens pH justerades sedan till 9,0 med cirka 2,5 ml NH₄ÅH. Lösningen sonikerades med UP50H vid 100 % amplitudinställning i 1 timme.
I slutet av den första timmen en 60 ml lösning på 0,19M [KH₂PO₄] tillsattes sedan långsamt droppvis i den första lösningen medan den genomgick en andra timmes ultraljudsbestrålning. Under blandningsprocessen kontrollerades pH-värdet och bibehölls på 9 medan Ca/P-förhållandet bibehölls på 1,67. Lösningen filtrerades sedan med hjälp av centrifugering (~2000 g), varefter den resulterande vita fällningen proportionerades till ett antal prover för värmebehandling.
Närvaron av ultraljud i syntesproceduren före den termiska behandlingen har ett betydande inflytande på bildandet av de initiala nano-HAP-partikelprekursorerna. Detta beror på att partikelstorleken är relaterad till kärnbildning och materialets tillväxtmönster, vilket i sin tur är relaterat till graden av supermättnad inom vätskefasen.
Dessutom kan både partikelstorleken och dess morfologi påverkas direkt under denna syntesprocess. Effekten av att öka ultraljudseffekten från 0 till 50W visade att det var möjligt att minska partikelstorleken före värmebehandling.
Den ökande ultraljudskraften som användes för att bestråla vätskan indikerade att ett större antal bubblor/kavitationer producerades. Detta gav i sin tur upphov till fler kärnbildningsplatser och som ett resultat av detta blev partiklarna som bildades runt dessa platser mindre. Dessutom visar partiklar som utsätts för längre perioder av ultraljudsbestrålning mindre agglomeration. Efterföljande FESEM-data har bekräftat den minskade partikelagglomerationen när ultraljud används under syntesprocessen.
Nano-HAp-partiklar i nanometerstorleksintervallet och sfärisk morfologi producerades med hjälp av en våtkemisk utfällningsteknik i närvaro av ultraljud. Det visade sig att den kristallina strukturen och morfologin hos de resulterande nano-HAP-pulvren var beroende av kraften hos ultraljudsbestrålningskällan och den efterföljande termiska behandlingen som användes. Det var uppenbart att närvaron av ultraljud i syntesprocessen främjade de kemiska reaktionerna och fysikaliska effekterna som därefter producerade de ultrafina nano-HAp-pulvren efter värmebehandling.

HAp-syntes via ultraljud sol-gel väg

Ultraljudsassisterad sol-gel-väg för syntes av nanostrukturerade HAp-partiklar:
Material:
– reaktanter: Kalciumnitrat Ca(NO₃)₂, di-ammoniumvätefosfat (NH₄)₂Stadsorkester₄, Natriumhydroxid NaOH ;
– 25 ml provrör

1. Lös upp Ca(NO₃)₂ och (NH₄)₂Stadsorkester₄ i destillerat vatten (molförhållande mellan kalcium och fosfor: 1,67)
2. Tillsätt lite NaOH till lösningen för att hålla dess pH runt 10.
3. Ultraljudsbehandling med en UP100H (sonotrode MS10, amplitud 100%)

• De hydrotermiska synteserna genomfördes vid 150°C i 24 timmar i en elektrisk ugn.
• Efter reaktionen kan kristallin HAp skördas genom centrifugering och tvättning med avjoniserat vatten.
• Analys av det erhållna HAp-nanopulvret med mikroskopi (SEM, TEM,) och/eller spektroskopi (FT-IR). De syntetiserade HAp-nanopartiklarna visar hög kristallinitet. Olika morfologi kan observeras beroende på ultraljudsbehandling. Längre ultraljudsbehandling kan leda till enhetliga HAp nanorods med ett högt bildförhållande och ultrahög kristallinitet. [jfr Manafi et al. 2008]

Modifiering av HAp

På grund av dess sprödhet är användningen av ren HAp begränsad. Inom materialforskning har många ansträngningar gjorts för att modifiera HAp med polymerer eftersom det naturliga benet är en komposit som huvudsakligen består av nanostora, nålliknande HAp-kristaller (står för cirka 65 viktprocent av benet). Den ultraljudsassisterade modifieringen av HAp och syntesen av kompositer med förbättrade materialegenskaper erbjuder många möjligheter (se några exempel nedan).

Praktiska exempel:

Silverbelagd HAp

Ignatev och medarbetare (2013) utvecklade en biosyntetisk metod där silvernanopartiklar (AgNp) deponerades på HAp för att erhålla en HAp-beläggning med antibakteriella egenskaper och för att minska den cytotoxiska effekten. För deagglomerering av silvernanopartiklarna och för deras sedimentering på hydroxiapatiten, en Hielscher UP400S användes.

En uppsättning av magnetisk omrörare och ultraljud UP400S användes för det silverbelagda Hap-preparatet [Ignatev et al 2013]

Våra kraftfulla ultraljudsenheter är pålitliga verktyg för att behandla partiklar i submikron- och nanostorlek. Oavsett om du vill syntetisera, dispergera eller funktionalisera partiklar i små rör för forskningsändamål eller om du behöver behandla stora volymer av nanopulverslam för kommersiell produktion – Hielscher erbjuder lämplig ultraljudsapparat för dina behov!