Sonosyntes av nanohydroxiapatit

Hydroxiapatit (HA eller HAp) är en flitigt använd bioaktiv keramik för medicinska ändamål eftersom dess struktur liknar benmaterialets. Ultraljudsassisterad syntes (sonosyntes) av hydroxiapatit är en framgångsrik teknik för att framställa nanostrukturerad HAp enligt de högsta kvalitetsstandarderna. Ultraljudsmetoden möjliggör framställning av nanokristallin HAp samt modifierade partiklar, t.ex. kärna–skal-nanosfärer, och kompositer.

Sonosyntes

Ultraljudsbehandling av slurryn ger mycket fina partiklar med jämn fördelning, vilket skapar fler kärnbildningsställen för utfällning.
HAp-partiklar som syntetiseras under ultraljudsbehandling uppvisar en lägre grad av agglomerering. Den lägre tendensen till agglomerering hos ultraljudssyntetiserad HAp bekräftades exempelvis genom FESEM-analys (fältemissionssvepelektronmikroskopi) av Poinern et al. (2009).

Ultraljud underlättar och främjar kemiska reaktioner genom ultraljudskavitation och dess fysikaliska effekter, som direkt påverkar partiklarnas morfologi under tillväxtfasen. De främsta fördelarna med ultraljudsbehandling vid framställning av superfina reaktionsblandningar är

• 1) ökad reaktionshastighet,
• 2) kortare bearbetningstid
• 3) en övergripande förbättring av energieffektiviteten.

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

Kalciumhydroxiapatit som finfördelats och dispergerats med ultraljud

Steg i syntesen av nano-HAP:

En lösning på 40 mL med 0,32M Ca(NO₃)₂ · 4H₂O bereddes i en liten bägare. Lösningens pH justerades sedan till 9,0 med ungefär 2,5mL NH₄OH. Lösningen ultraljudsbehandlades med UP50H med amplitudinställningen 100% i 1 timme.
Vid slutet av den första timmen tillsattes sedan långsamt en lösning på 60 mL med 0,19M [KH₂PO₄] droppvis till den första lösningen under ytterligare en timmes ultraljudsbestrålning. Under blandningsprocessen kontrollerades pH-värdet och hölls vid 9, medan Ca/P-förhållandet hölls vid 1,67. Lösningen filtrerades sedan genom centrifugering (~2000 g), varefter den resulterande vita fällningen delades upp i ett antal prover för värmebehandling.
Förekomsten av ultraljud under syntesförfarandet före värmebehandlingen har en betydande inverkan på bildningen av de initiala prekursorerna till nano-HAP-partiklar. Detta beror på att partikelstorleken är relaterad till kärnbildningen och materialets tillväxtmönster, vilket i sin tur är relaterat till graden av övermättnad i vätskefasen.
Dessutom kan både partikelstorleken och partiklarnas morfologi påverkas direkt under denna syntesprocess. En ökning av ultraljudseffekten från 0 till 50W visade att det var möjligt att minska partikelstorleken före värmebehandlingen.
Den ökande ultraljudseffekt som användes för att bestråla vätskan indikerade att fler bubblor/kavitationer bildades. Detta skapade i sin tur fler kärnbildningsställen, och som följd är partiklarna som bildas kring dessa ställen mindre. Dessutom uppvisar partiklar som utsätts för ultraljudsbestrålning under längre tid mindre agglomerering. Efterföljande FESEM-data har bekräftat den minskade partikelagglomereringen när ultraljud används under syntesprocessen.
Nano-HAp-partiklar i nanometerstorlek och med sfärisk morfologi framställdes med en våtkemisk utfällningsteknik i närvaro av ultraljud. Det konstaterades att kristallstrukturen och morfologin hos de resulterande nano-HAP-pulvren var beroende av ultraljudskällans effekt och den efterföljande värmebehandling som användes. Det var tydligt att förekomsten av ultraljud i syntesprocessen främjade de kemiska reaktioner och fysikaliska effekter som därefter gav de ultrafina nano-HAp-pulvren efter värmebehandling.

Syntes av HAp via en ultraljudsassisterad sol–gel-metod

Ultraljudsassisterad sol–gel-metod för syntes av nanostrukturerade HAp-partiklar:
Material:
– reaktanter: kalciumnitrat Ca(NO₃)₂, diammoniumvätefosfat (NH₄)₂HPO₄, natriumhydroxid NaOH;
– 25 ml provrör

1. Lös upp Ca(NO₃)₂ och (NH₄)₂HPO₄ i destillerat vatten (molförhållande mellan kalcium och fosfor: 1,67)
2. Tillsätt lite NaOH till lösningen för att hålla dess pH omkring 10.
3. Ultraljudsbehandling med en UP100H (sonotrod MS10, amplitud 100%)

• De hydrotermiska synteserna utfördes vid 150°C under 24 h i en elektrisk ugn.
• Efter reaktionen kan kristallin HAp utvinnas 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 uppvisar hög kristallinitet. Olika morfologier kan observeras beroende på ultraljudsbehandlingens längd. Längre ultraljudsbehandling kan leda till enhetliga HAp-nanostavar med ett högt längd–diameterförhållande och ultrahög kristallinitet. [cp. Manafi et al. 2008]

Modifiering av HAp

På grund av dess sprödhet är användningen av ren HAp begränsad. Inom materialforskningen har stora ansträngningar gjorts för att modifiera HAp med polymerer, eftersom naturligt ben är en komposit som huvudsakligen består av nålformade HAp-kristaller i nanostorlek (utgör cirka 65wt% av ben). Ultraljudsassisterad modifiering av HAp och syntes 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 minska den cytotoxiska effekten. För deagglomerering av silvernanopartiklarna och för deras sedimentering på hydroxiapatiten användes en Hielscher UP400S .

En uppställning med magnetomrörare och ultraljudsapparaten UP400S användes för framställning av silverbelagd Hap [Ignatev et al 2013]

Våra kraftfulla ultraljudsapparater är tillförlitliga verktyg för behandling av partiklar i submikrometer- och nanometerområdet. Oavsett om du vill syntetisera, dispergera eller funktionalisera partiklar i små rör för forskningsändamål eller behöver behandla stora volymer nanopulversuspensioner för kommersiell produktion – Hielscher erbjuder en ultraljudsapparat som passar dina krav!