Nano-Hidroksiapatitin Sono-Sentezi

Hidroksiapatit (HA veya HAp), kemik materyaline benzer yapısı nedeniyle tıbbi amaçlar için oldukça sık kullanılan bir biyoaktif seramiktir. Hidroksiapatitin ultrasonik destekli sentezi (sono-sentezi), en yüksek kalite standartlarında nanoyapılı HAp üretmek için başarılı bir tekniktir. Ultrasonik yol, nano-kristalin HAp'nin yanı sıra çekirdek-kabuk nanosferleri ve kompozitler gibi modifiye parçacıkların üretilmesine izin verir.

Hidroksiapatit: Çok Yönlü Bir Mineral

Hidroksilapatit veya hidroksiapatit (HAp, ayrıca HA), Ca formülüne sahip doğal olarak oluşan bir kalsiyum apatit mineral formudur₅(PO₄)₃(OH). Kristal birim hücrenin iki varlık içerdiğini belirtmek için genellikle Ca yazılır₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Hidroksilapatit, kompleks apatit grubunun hidroksil son üyesidir. OH- iyonu, florapatit veya klorapatit üreten florür, klorür veya karbonat ile değiştirilebilir. Altıgen kristal sistemde kristalleşir. HAp, kemik materyali olarak bilinir, çünkü kemikliğin ağırlıkça% 50'sine kadarı modifiye edilmiş bir hidroksiapatit formudur.
Tıpta, nanoyapılı gözenekli HAp, yapay kemik uygulaması için ilginç bir malzemedir. Kemik temasında iyi biyouyumluluğu ve kemik materyaline benzer kimyasal bileşimi nedeniyle, gözenekli HAp seramik, kemik dokusu rejenerasyonu, hücre proliferasyonu ve ilaç dağıtımı dahil olmak üzere biyomedikal uygulamalarda muazzam bir kullanım alanı bulmuştur.
"Kemik doku mühendisliğinde kemik defektleri ve ogmentasyonu için dolgu materyali, yapay kemik grefti materyali ve protez revizyon cerrahisi olarak uygulanmıştır. Yüksek yüzey alanı, hızlı kemik büyümesi sağlayan mükemmel osteoiletkenlik ve emilebilirliğe yol açar." [Soypan ve ark. 2007] Bu nedenle, birçok modern implant hidroksilapatit ile kaplanmıştır.
Mikrokristalin hidroksilapatitin bir başka umut verici uygulaması, şu şekilde kullanılmasıdır: “kemik geliştirme” kalsiyuma kıyasla üstün emilim ile takviye edilir.
Kemik ve dişler için onarım materyali olarak kullanımının yanı sıra, HAp'nin diğer uygulamaları katalizde, gübre üretiminde, farmasötik ürünlerde bileşik olarak, protein kromatografisi uygulamalarında ve su arıtma işlemlerinde bulunabilir.

Güç Ultrasonu: Etkiler ve Etki

Sonikasyon, sıvı bir ortama bağlı olan akustik bir alanın kullanıldığı bir işlem olarak tanımlanır. Ultrason dalgaları sıvı içinde yayılır ve alternatif yüksek basınç / düşük basınç döngüleri (sıkıştırma ve seyrekleştirme) üretir. Seyrekleşme aşaması sırasında, sıvıda küçük vakum kabarcıkları veya boşluklar ortaya çıkar ve bunlar, kabarcık daha fazla enerji emeyene kadar çeşitli yüksek basınç / düşük basınç döngülerinde büyür. Bu aşamada, kabarcıklar bir sıkıştırma aşaması sırasında şiddetli bir şekilde patlar. Bu tür bir kabarcık çöküşü sırasında, şok dalgaları, yüksek sıcaklıklar (yaklaşık 5.000K) ve basınçlar (yaklaşık 2.000atm) şeklinde büyük miktarda enerji açığa çıkar. Ayrıca, bu "sıcak noktalar" çok yüksek soğutma hızları ile karakterize edilir. Kabarcığın patlaması ayrıca 280m/s hıza kadar sıvı jetleri ile sonuçlanır. Bu fenomene kavitasyon denir.
Kavitasyon kabarcıklarının çökmesi sırasında oluşan bu aşırı kuvvetler, sonikasyonlu ortamda genişlediğinde, parçacıklar ve damlacıklar etkilenir – parçacıklar arası çarpışmaya neden olur, böylece katı parçalanır. Böylece, öğütme, deaglomerasyon ve dispersiyon gibi partikül boyutunun küçültülmesi elde edilir. Parçacıklar mikron altı ve nano boyuta kadar parçalanabilir.
Mekanik etkilerin yanı sıra, güçlü sonikasyon serbest radikaller oluşturabilir, molekülleri kesebilir ve parçacık yüzeylerini aktive edebilir. Bu fenomen sonokimya olarak bilinir.

sono-sentez

Bulamacın ultrasonik bir şekilde işlenmesi, eşit dağılıma sahip çok ince parçacıklarla sonuçlanır, böylece çökeltme için daha fazla çekirdeklenme bölgesi oluşturulur.
Ultrasonication altında sentezlenen HAp partikülleri, azalmış bir aglomerasyon seviyesi gösterir. Ultrasonik olarak sentezlenen HAp'nin aglomerasyona daha düşük eğilimi, örneğin Poinern ve ark. (2009) FESEM (Alan Emisyon Taramalı Elektron Mikroskobu) analizi ile doğrulanmıştır.

Ultrason, ultrasonik kavitasyon ile kimyasal reaksiyonlara ve büyüme aşamasında parçacık morfolojisini doğrudan etkileyen fiziksel etkilerine yardımcı olur ve teşvik eder. Çok ince reaksiyon karışımlarının hazırlanmasına neden olan ultrasonikasyonun başlıca faydaları şunlardır

1) artan reaksiyon hızı,
2) azaltılmış işlem süresi
3) enerjinin verimli kullanımında genel bir iyileşme.

Poinern ve ark. (2011), ana reaktanlar olarak kalsiyum nitrat tetrahidrat (Ca[NO3]2 · 4H2O) ve potasyum dihidrojen fosfat (KH2PO4) kullanan bir ıslak kimyasal yol geliştirdi. Sentez sırasında pH değerinin kontrolü için amonyum hidroksit (NH4OH) ilave edildi.
Ultrason işlemcisi bir UP50H (50 W, 30 kHz, MS7 Sonotrode w / 7 mm çap) Hielscher Ultrasonics.

Ultrasonik olarak dağılmış kalsiyum-hidroksiapatit

Ultrasonik olarak azaltılmış ve dağılmış kalsiyum-hidroksiapatit

Nano-HAP sentezinin adımları:

40 mL'lik bir 0.32M Ca çözeltisi (NO₃)₂ · 4H₂O küçük bir beherde hazırlandı. Çözelti pH'ı daha sonra yaklaşık 2.5 mL NH ile 9.0'a ayarlandı₄AMAN. Çözelti ile sonikleştirildi UP50H 1 saat boyunca% 100 genlik ayarında.
İlk saatin sonunda 60 mL'lik bir çözelti 0.19M [KH₂PO₄] daha sonra ikinci bir saatlik ultrasonik ışınlamaya tabi tutulurken ilk çözeltiye yavaşça damla damla eklendi. Karıştırma işlemi sırasında pH değeri kontrol edildi ve 9'da tutulurken, Ca/P oranı 1.67'de tutuldu. Çözelti daha sonra santrifüjleme (~ 2000 g) kullanılarak filtrelendi, ardından elde edilen beyaz çökelti, ısıl işlem için bir dizi numuneye orantılandı.
Isıl işlemden önce sentez prosedüründe ultrasonun varlığı, ilk nano-HAP parçacık öncülerinin oluşturulmasında önemli bir etkiye sahiptir. Bunun nedeni, parçacık boyutunun çekirdeklenme ve malzemenin büyüme modeli ile ilgili olmasıdır, bu da sıvı faz içindeki süper doygunluk derecesi ile ilgilidir.
Ek olarak, bu sentez işlemi sırasında hem parçacık boyutu hem de morfolojisi doğrudan etkilenebilir. Ultrason gücünü 0'dan 50W'a çıkarmanın etkisi, ısıl işlemden önce partikül boyutunu azaltmanın mümkün olduğunu gösterdi.
Sıvıyı ışınlamak için kullanılan artan ultrason gücü, daha fazla sayıda kabarcık / kavitasyon üretildiğini gösterdi. Bu da daha fazla çekirdeklenme bölgesi üretti ve sonuç olarak bu bölgelerin etrafında oluşan parçacıklar daha küçük hale geldi. Ayrıca, daha uzun ultrasonik ışınlama sürelerine maruz kalan parçacıklar daha az aglomerasyon gösterir. Daha sonraki FESEM verileri, sentez işlemi sırasında ultrason kullanıldığında azalmış partikül aglomerasyonunu doğrulamıştır.
Nanometre boyut aralığında ve küresel morfolojide nano-HAp parçacıkları, ultrason varlığında ıslak bir kimyasal çökeltme tekniği kullanılarak üretildi. Elde edilen nano-HAP tozlarının kristal yapısının ve morfolojisinin, ultrasonik ışınlama kaynağının gücüne ve daha sonra kullanılan ısıl işleme bağlı olduğu bulundu. Sentez sürecinde ultrasonun varlığının, daha sonra ısıl işlemden sonra ultra ince nano-HAp tozlarını üreten kimyasal reaksiyonları ve fiziksel etkileri teşvik ettiği açıktı.

Bir cam akış hücresi ile sürekli ultrasonikasyon

Ultrasonik reaktör odasında sonikasyon

Hielscher Ultrasonics, 7. Uluslararası Tıbbi Kimya Elektronik Konferansı'na gururla sponsorluk yapmaktadır. Sunumlar ve katılım hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!

Hidroksiapatit:

Ana İnorganik Kalsiyum Fosfat Minerali
Yüksek Biyouyumluluk
yavaş biyolojik olarak parçalanabilirlik
osteokondüktif
Toksik olmayan
İmmünojenik olmayan
polimerler ve/veya cam ile birleştirilebilir
diğer moleküller için iyi absorpsiyon yapısı matrisi
mükemmel kemik ikamesi

Ultrasonik homojenizatörler, HAp gibi parçacıkları sentezlemek ve işlevsel hale getirmek için güçlü araçlardır

Prob tipi ultrasonicator UP50H

Ultrasonik Sol-Jel Yolu ile HAp Sentezi

Nanoyapılı HAp partiküllerinin sentezi için ultrasonik destekli sol-jel yolu:
Malzeme:
– reaktanlar: Kalsiyum nitrat Ca(NO₃)₂, di-amonyum hidrojen fosfat (NH₄)₂HPO (Sorumlu Çalışan)₄, Sodyum hidroksid NaOH ;
– 25 ml test tüpü

Çözün Ca(NO₃)₂ ve (NH₄)₂HPO (Sorumlu Çalışan)₄ Damıtılmış suda (molar oran kalsiyum / fosfor: 1.67)
PH'ını 10 civarında tutmak için çözeltiye biraz NaOH ekleyin.
Bir ile ultrasonik tedavi UP100H (sonotrot MS10, genlik 0)

Hidrotermal sentezler, bir elektrikli fırında 24 saat boyunca 150 ° C'de gerçekleştirildi.
Reaksiyondan sonra, kristalin HAp santrifüjleme ve deiyonize su ile yıkama ile hasat edilebilir.
Elde edilen HAp nanotozunun mikroskopi (SEM, TEM,) ve / veya spektroskopi (FT-IR) ile analizi. Sentezlenen HAp nanopartikülleri yüksek kristallik gösterir. Sonikasyon süresine bağlı olarak farklı morfoloji gözlenebilir. Daha uzun sonikasyon, yüksek en-boy oranına ve ultra yüksek kristalliğe sahip tek tip HAp nanoçubuklara yol açabilir. [krş. Manafi ve ark. 2008]

HAp'nin Değiştirilmesi

Kırılganlığı nedeniyle, saf HAp uygulaması sınırlıdır. Materyal araştırmalarında, doğal kemik esas olarak nano boyutlu, iğne benzeri HAp kristallerinden (kemiğin yaklaşık% 65'ini oluşturur) oluşan bir kompozit olduğundan, HAp'yi polimerlerle modifiye etmek için birçok çaba sarf edilmiştir. HAp'nin ultrasonik destekli modifikasyonu ve geliştirilmiş malzeme özelliklerine sahip kompozitlerin sentezi, çeşitli olasılıklar sunar (aşağıdaki birkaç örneğe bakın).

Pratik Örnekler:

Nano-HAp sentezi

Poinern ve ark. (2009), bir Hielscher UP50H Prob tipi ultrasonikatör, HAp'nin sono-sentezi için başarıyla kullanıldı. Ultrason enerjisinin artmasıyla, HAp kristalitlerinin parçacık boyutu azaldı. Nanoyapılı hidroksiapatit (HAp), ultrasonik destekli bir ıslak çökeltme tekniği ile hazırlandı. Ca(HAYIR₃) ve KH₂₅PO₄ werde ana malzeme olarak kullanılır ve NH₃ çökeltici olarak. Ultrasonik ışınlama altındaki hidrotermal çökeltme, nano metre boyut aralığında (yaklaşık 30nm ±% 5) küresel bir morfolojiye sahip nano boyutlu HAp parçacıkları ile sonuçlandı. Poinern ve iş arkadaşları, sono-hidrotermal sentezi, ticari üretime güçlü ölçek büyütme kabiliyetine sahip ekonomik bir yol olarak buldular.

Jelantin-hidroksiapatit (Gel-HAp) sentezi

Brundavanam ve meslektaşları, hafif sonikasyon koşulları altında başarılı bir şekilde bir jelantin-hidroksiapatit (Gel-HAp) kompoziti hazırladılar. Jelantin-hidroksiapatitin hazırlanması için, 1 g jelatin, 40 ° C'de 1000 mL MilliQ su içinde tamamen çözüldü. Hazırlanan jelatin çözeltisinin 2 mL'si daha sonra Ca2 + / NH'ye ilave edildi₃ karışım. Karışım bir ile sonikleştirildi UP50H ultrasonicator (50W, 30kHz). Sonikasyon sırasında, 60mL 0.19M KH₂PO₄ karışıma damla damla ilave edildi.
Tüm çözelti 1 saat boyunca sonikleştirildi. pH değeri her zaman kontrol edildi ve pH 9'da tutuldu ve Ca/P oranı 1.67'ye ayarlandı. Beyaz çökeltinin filtrasyonu, santrifüjleme ile sağlandı ve bu da kalın bir bulamaç ile sonuçlandı. Farklı numuneler, 100, 200, 300 ve 400 ° C sıcaklıklarda 2 saat boyunca bir tüp fırında ısıl işleme tabi tutuldu. Böylece, ince bir toz haline getirilen ve XRD, FE-SEM ve FT-IR ile karakterize edilen granül formda bir Jel-HAp tozu elde edildi. Sonuçlar, HAp'nin büyüme aşaması sırasında hafif ultrasonikasyon ve jelatin varlığının daha düşük yapışmayı teşvik ettiğini göstermektedir - böylece Jel-HAp nano parçacıklarının daha küçük ve düzenli bir küresel şekli oluşturur. Hafif sonikasyon, ultrasonik homojenizasyon etkileri nedeniyle nano boyutlu Jel-HAp parçacıklarının sentezine yardımcı olur. Jelatinden gelen amid ve karbonil türleri daha sonra sonokimyasal destekli etkileşim yoluyla büyüme aşaması sırasında HAp nano partiküllerine bağlanır.
[Brundavanam ve ark. 2011]

Titanyum Trombositler Üzerinde HAp Birikimi

Ozhukil Kollatha ve ark. (2013) Ti plakalarını hidroksiapatit ile kaplamıştır. Biriktirmeden önce, HAp süspansiyonu bir UP400S (Ultrasonik korna H14 ile 400 watt ultrasonik cihaz, sonikasyon süresi 40 saniye.% 75 genlikte).

Gümüş Kaplı HAp

Ignatev ve meslektaşları (2013), antibakteriyel özelliklere sahip bir HAp kaplaması elde etmek ve sitotoksik etkiyi azaltmak için gümüş nanopartiküllerin (AgNp) HAp üzerinde biriktirildiği biyosentetik bir yöntem geliştirdi. Gümüş nanopartiküllerin topaktan arındırılması ve hidroksiapatit üzerindeki çökeltmeleri için bir Hielscher UP400S kullanılmıştır.

Manyetik karıştırıcı ve ultrasonicator kurulumu UP400S gümüş kaplı Hap hazırlığı için kullanıldı [Ignatev et al 2013]

Güçlü ultrasonik cihazlarımız, mikron altı ve nano boyutlu partikülleri tedavi etmek için güvenilir araçlardır. Parçacıkları araştırma amacıyla küçük tüplerde sentezlemek, dağıtmak veya işlevsel hale getirmek isteyip istemediğiniz veya ticari üretim için yüksek hacimli nano toz bulamaçlarını arıtmanız gerekip gerekmediği – Hielscher gereksinimleriniz için uygun ultrasonicator sunuyor!

Ultrasonik homojenizatör UP400S

Literatür/Referanslar

Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Seyreltik jelatinin nano hidroksiapatitin ultrasonik termal destekli sentezi üzerindeki etkisi. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
Cengiz, B.; Gökçe, Y.; Yıldız, N.; Aktaş, Z.; Çalışlı, A. (2008): Hidroyapatit nanopartiküllerinin sentezi ve karakterizasyonu. Kolloidler ve Yüzeyler A: Physicochem. İng. Yönleri 322; 2008. 29-33.
Ignatev, M.; Rıbak, T.; Kolonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Gümüş Nanopartiküller ile Plazma Püskürtmeli Hidroksiapatit Kaplamalar. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20-29.
Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Ultrasonik ışınlama altında poli (d, l-laktit-ko-glikolid) / hidroksiapatit çekirdek-kabuk nanokürelerinin kontrollü montajı. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Ultrasonik ve Sprey Kurutma Kombinasyon Yöntemleri ile Sığır Kemikliğinden Hidroksiapatit Hazırlanması. Uluslararası Kimya, Biyo-Kimyasal ve Çevre Bilimleri Konferansı (ICBEE'2012) Singapur, 14-15 Aralık 2012.
Manafi, S.; Badiee, SH (2008): Islak Kimyasal Yöntemle Ultrasoniğin Nano-Hidroksiapatitin Kristalliği Üzerine Etkisi. Ir J Pharma Sci 4/2; 2008. 163-168
Özükil Kollatha, V.; Chenc, S.; Clossetb, R.; Luytena, J.; Trenab, K.; Mullensa, S.; Boccaccinic, A. R.; Clootsb, R. (2013): Titanyum Üzerinde Hidroksiapatitin AC ve DC Elektroforetik Birikimi. Avrupa Seramik Derneği Dergisi 33; 2013. 2715–2721.
Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Potansiyel Sert Doku Mühendisliği Uygulamaları için 30 nm Boyutlu Parçacık Bazlı Hidroksiapatit Tozundan Türetilen Gözenekli Bir Seramiğin Mekanik Özellikleri. Amerikan Biyomedikal Mühendisliği Dergisi 2/6; 2012. 278-286.
Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjeviç, S.; Prokiç, M.; Fawcett, D. (2011): Nanometre ölçeğinde hidroksiapatit biyo-seramik oluşumunda termal ve ultrasonik etki. Uluslararası Nanotıp Dergisi 6; 2011. 2083–2095.
Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Ultrason destekli bir yöntem kullanılarak nanohidroksiapatitin sentezi ve karakterizasyonu. Ultrasonik Sonokimya, 16 /4; 2009. 469- 474.
Soypan, İ.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, KA: (2007): Yapay kemik uygulamaları için gözenekli hidroksiapatit. İleri Malzeme Bilimi ve Teknolojisi 8. 2007. 116.
Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Kimyasal Teknoloji Ansiklopedisi; 4. Ed. J. Wiley & Oğulları: New York, Cilt 26, 1998. 517-541.

İlgili Konular

UIP1500hd gibi tezgah üstü ve üretim için ultrasonik cihazlar tam endüstriyel sınıf sağlar.

Ultrasonik cihaz UIP1500hd akış reaktörü ile