Nano-Hidroksiapatitin Sono-Sentezi

Hidroksiapatit (HA veya HAp), kemik materyaline benzer yapısı nedeniyle tıbbi amaçlarla çok sık kullanılan biyoaktif bir seramiktir. Hidroksiapatitin ultrasonik destekli sentezi (sono-sentez), en yüksek kalite standartlarında nanoyapılı HAp üretmek için başarılı bir tekniktir. Ultrasonik yöntem, nanokristalin HAp’nin yanı sıra modifiye parçacıkların, örneğin çekirdek–kabuk nanokürelerin ve kompozitlerin üretilmesine olanak tanır.

Hidroksiapatit: Çok yönlü bir mineral

Hidroksilapatit veya hidroksiapatit (HAp, ayrıca HA), kalsiyum apatitin doğal olarak oluşan bir mineral formudur ve formülü Ca₅(PO₄)₃(OH) şeklindedir. Kristal birim hücresinin iki birim içerdiğini belirtmek için genellikle şu şekilde yazılır: Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Hidroksilapatit, karmaşık apatit grubunun hidroksil uç üyesidir. OH- iyonu florür, klorür veya karbonat ile yer değiştirebilir ve böylece florapatit veya klorapatit oluşur. Hekzagonal kristal sisteminde kristalleşir. Kemiğin 50 wt%’ye kadar olan kısmı hidroksiapatitin modifiye bir formundan oluştuğu için HAp kemik materyali olarak bilinir.
Tıpta nanoyapılı gözenekli HAp, yapay kemik uygulamaları için ilgi çekici bir materyaldir. Kemikle temas halinde iyi biyouyumluluğu ve kemik materyaline benzer kimyasal bileşimi nedeniyle gözenekli HAp seramiği, kemik dokusu rejenerasyonu, hücre çoğalması ve ilaç taşınması dahil biyomedikal uygulamalarda son derece yaygın kullanım bulmuştur.
„Kemik doku mühendisliğinde kemik defektleri ve augmentasyon için dolgu materyali, yapay kemik greft materyali olarak ve protez revizyon cerrahisinde uygulanmıştır. Yüksek yüzey alanı, mükemmel osteokondüktivite ve rezorbe edilebilirlik sağlayarak kemiğin materyalin içine hızla büyümesine olanak tanır.” [Soypan et al. 2007] Bu nedenle birçok modern implant hidroksilapatit ile kaplanır.
Mikrokristalin hidroksilapatitin bir başka umut verici uygulaması, kalsiyuma kıyasla daha üstün emilime sahip bir “kemik oluşturucu” takviye olarak kullanılmasıdır.
Kemik ve dişler için onarım materyali olarak kullanılmasının yanı sıra HAp’nin diğer uygulamaları arasında kataliz, gübre üretimi, farmasötik ürünlerde bileşen olarak kullanım, protein kromatografisi uygulamaları ve su arıtma süreçleri bulunur.

Yüksek güçlü ultrason: Etkileri ve sonuçları

Sonikasyon, sıvı bir ortama aktarılan bir akustik alanın kullanıldığı bir süreç olarak tanımlanır. Ultrason dalgaları sıvı içinde yayılır ve dönüşümlü yüksek basınç/düşük basınç döngüleri (sıkışma ve seyrelme) oluşturur. Seyrelme aşamasında sıvı içinde küçük vakum kabarcıkları veya boşluklar oluşur; bunlar, kabarcık daha fazla enerji soğuramayacak hale gelene kadar çeşitli yüksek basınç/düşük basınç döngüleri boyunca büyür. Bu aşamada kabarcıklar, bir sıkışma aşaması sırasında şiddetle içe çöker. Böyle bir kabarcık çöküşü sırasında şok dalgaları, yüksek sıcaklıklar (yaklaşık 5.000K) ve basınçlar (yaklaşık 2.000atm) biçiminde büyük miktarda enerji açığa çıkar. Ayrıca bu „sıcak noktalar”, çok yüksek soğuma hızlarıyla karakterize edilir. Kabarcığın içe çökmesi, hızı 280m/s’ye kadar ulaşan sıvı jetleri de oluşturur. Bu olguya kavitasyon denir.
Kavitasyon kabarcıklarının çöküşü sırasında oluşan bu aşırı kuvvetler sonikasyon uygulanan ortamda yayıldığında parçacıklar ve damlacıklar etkilenir – parçacıklar arası çarpışmalar meydana gelir ve bunun sonucunda katı parçalanır. Böylece öğütme, deaglomerasyon ve dispersiyon gibi parçacık boyutunu küçültme işlemleri gerçekleştirilir. Parçacıklar mikron altı ve nano boyutlara kadar küçültülebilir.
Mekanik etkilerin yanı sıra güçlü sonikasyon serbest radikaller oluşturabilir, molekülleri kesme etkisiyle parçalayabilir ve parçacık yüzeylerini aktive edebilir. Bu olgular sonokimya olarak bilinir.

Sono-Sentez

Bulamacın ultrasonik işlemden geçirilmesi, eşit dağılımlı çok ince parçacıklar oluşturur ve böylece çökelme için daha fazla çekirdeklenme bölgesi meydana gelir.
Ultrasonikasyon altında sentezlenen HAp parçacıkları daha düşük bir aglomerasyon düzeyi gösterir. Ultrasonik olarak sentezlenen HAp’nin daha düşük aglomerasyon eğilimi, örneğin Poinern ve arkadaşlarının (2009) FESEM (Alan Emisyonlu Taramalı Elektron Mikroskopisi) analiziyle doğrulanmıştır.

Ultrason, büyüme aşamasında parçacık morfolojisini doğrudan etkileyen ultrasonik kavitasyon ve bunun fiziksel etkileri aracılığıyla kimyasal reaksiyonları destekler ve teşvik eder. Çok ince reaksiyon karışımlarının hazırlanmasını sağlayan ultrasonikasyonun başlıca faydaları şunlardır:

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

Poinern ve arkadaşları (2011), ana reaktanlar olarak kalsiyum nitrat tetrahidrat (Ca[NO3]2 · 4H2O) ve potasyum dihidrojen fosfat (KH2PO4) kullanan bir yaş kimyasal yöntem geliştirmiştir. Sentez sırasında pH değerini kontrol etmek için amonyum hidroksit (NH4OH) eklenmiştir.
Kullanılan ultrasonik işlemci bir UP50H (50 W, 30 kHz, 7 mm çapında MS7 sonotrot) cihazıydı ve Hielscher Ultrasonics üretimiydi.

Ultrasonik olarak disperse edilmiş kalsiyum hidroksiapatit

Ultrasonik olarak boyutu küçültülmüş ve disperse edilmiş kalsiyum hidroksiapatit

Nano-HAP sentezinin adımları:

Küçük bir beherde 40 mL hacminde 0,32M Ca(NO₃)₂ · 4H₂O çözeltisi hazırlandı. Ardından çözeltinin pH değerini 9,0’a ayarlamak için yaklaşık 2,5mL NH₄OH kullanıldı. Çözeltiye UP50H sonikatörü ile %100 genlik ayarında 1 saat boyunca sonikasyon uygulandı.
İlk saatin sonunda, ikinci saat boyunca ultrasonik ışınlama sürdürülürken 60 mL hacminde 0,19M [KH₂PO₄] çözeltisi ilk çözeltiye yavaşça damla damla eklendi. Karıştırma işlemi sırasında pH değeri kontrol edilerek 9 değerinde tutulurken Ca/P oranı 1,67 değerinde tutuldu. Ardından çözelti santrifüjleme (~2000 g) kullanılarak filtre edildi ve elde edilen beyaz çökelti, ısıl işlem için bir dizi numuneye bölüştürüldü.
Isıl işlemden önce sentez prosedüründe ultrasonun bulunması, başlangıçtaki nano-HAP parçacık öncüllerinin oluşumunu önemli ölçüde etkiler. Bunun nedeni, parçacık boyutunun çekirdeklenme ve materyalin büyüme biçimiyle ilişkili olmasıdır; bunlar da sıvı fazdaki aşırı doygunluk derecesiyle ilişkilidir.
Ayrıca bu sentez süreci sırasında hem parçacık boyutu hem de morfolojisi doğrudan etkilenebilir. Ultrason gücünün 0’dan 50W’a yükseltilmesinin etkisi, ısıl işlemden önce parçacık boyutunu küçültmenin mümkün olduğunu göstermiştir.
Sıvıyı ışınlamak için kullanılan ultrason gücünün artması, daha fazla sayıda kabarcık/kavitasyon oluştuğunu göstermiştir. Bu da daha fazla çekirdeklenme bölgesi oluşturmuş ve sonuç olarak bu bölgelerin çevresinde oluşan parçacıklar daha küçük olmuştur. Ayrıca daha uzun süre ultrasonik ışınlamaya maruz kalan parçacıklar daha az aglomerasyon gösterir. Sonraki FESEM verileri, sentez sürecinde ultrason kullanıldığında parçacık aglomerasyonunun azaldığını doğrulamıştır.
Nanometre boyut aralığında ve küresel morfolojiye sahip nano-HAp parçacıkları, ultrason varlığında yaş kimyasal çöktürme tekniği kullanılarak üretilmiştir. Elde edilen nano-HAP tozlarının kristal yapısının ve morfolojisinin, ultrasonik ışınlama kaynağının gücüne ve sonrasında uygulanan ısıl işleme bağlı olduğu bulunmuştur. Sentez sürecinde ultrasonun bulunmasının kimyasal reaksiyonları ve fiziksel etkileri teşvik ettiği ve bunların daha sonra ısıl işlem sonrasında çok ince nano- HAp tozlarını oluşturduğu açıkça görülmüştür.

Cam akış hücresi ile sürekli ultrasonikasyon

Ultrasonik reaktör haznesinde sonikasyon

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

Hidroksiapatit:

başlıca inorganik kalsiyum fosfat minerali
yüksek biyouyumluluk
yavaş biyobozunurluk
osteokondüktif
toksik olmayan
immünojenik olmayan
polimerler ve/veya cam ile birleştirilebilir
diğer moleküller için iyi bir emilim yapısı matrisi
mükemmel kemik ikame materyali

Ultrasonik homojenizatörler, HAp gibi parçacıkları sentezlemek ve işlevselleştirmek için güçlü araçlardır

Prob tipi sonikatör: UP50H

Ultrasonik Sol-Jel Yöntemiyle HAp Sentezi

Nanoyapılı HAp parçacıklarının sentezi için ultrasonik destekli sol-jel yöntemi:
Malzemeler:
– reaktanlar: Kalsiyum nitrat Ca(NO₃)₂, diamonyum hidrojen fosfat (NH₄)₂HPO₄, sodyum hidroksit NaOH ;
– 25 ml deney tüpü

Ca(NO₃)₂ ve (NH₄)₂HPO₄ bileşiklerini distile suda çözün (kalsiyumun fosfora molar oranı: 1,67)
pH değerini yaklaşık 10’da tutmak için çözeltiye bir miktar NaOH ekleyin.
Ultrasonik işlem için kullanılan cihaz: UP100H (sonotrot MS10, genlik %100)

Hidrotermal sentezler elektrikli bir fırında 150°C sıcaklıkta 24 h boyunca gerçekleştirildi.
Reaksiyondan sonra kristalin HAp, santrifüjleme ve deiyonize suyla yıkama yoluyla elde edilebilir.
Elde edilen HAp nanotozunun mikroskopi (SEM, TEM,) ve/veya spektroskopi (FT-IR) ile analizi. Sentezlenen HAp nanoparçacıkları yüksek kristallik gösterir. Sonikasyon süresine bağlı olarak farklı morfolojiler gözlemlenebilir. Daha uzun sonikasyon, yüksek en-boy oranına ve ultra yüksek kristalliğe sahip tek biçimli HAp nanoçubuklarının oluşmasını sağlayabilir. [krş. Manafi et al. 2008]

HAp’nin Modifikasyonu

Kırılganlığı nedeniyle saf HAp’nin kullanımı sınırlıdır. Doğal kemik esas olarak nano boyutlu, iğne benzeri HAp kristallerinden oluşan bir kompozit olduğundan (kemiğin yaklaşık 65wt%’sini oluşturur), materyal araştırmalarında HAp’yi polimerlerle modifiye etmek için birçok çalışma yapılmıştır. HAp’nin ultrasonik destekli modifikasyonu ve geliştirilmiş materyal özelliklerine sahip kompozitlerin sentezi çok çeşitli olanaklar sunar (aşağıdaki birkaç örneğe bakın).

Uygulama Örnekleri:

Nano-HAp sentezi

Poinern ve arkadaşlarının (2009) çalışmasında, Hielscher UP50H prob tipi sonikatörü, HAp’nin sono-sentezi için başarıyla kullanılmıştır. Ultrason enerjisinin artmasıyla HAp kristalitlerinin parçacık boyutu azalmıştır. Nanoyapılı hidroksiapatit (HAp), ultrasonik destekli yaş çöktürme tekniğiyle hazırlanmıştır. Ana materyaller olarak Ca(NO₃) ve KH₂₅PO₄ , çöktürücü olarak ise NH₃ kullanılmıştır. Ultrasonik ışınlama altında hidrotermal çöktürme, nanometre boyut aralığında (yaklaşık 30nm ± %5) küresel morfolojiye sahip nano boyutlu HAp parçacıkları oluşturmuştur. Poinern ve çalışma arkadaşları, sono-hidrotermal sentezin ticari üretime ölçek büyütme açısından güçlü bir kapasiteye sahip ekonomik bir yöntem olduğunu bulmuştur.

Jelatin-hidroksiapatit (Gel-HAp) sentezi

Brundavanam ve çalışma arkadaşları, hafif sonikasyon koşullarında başarıyla bir jelatin–hidroksiapatit (Gel-HAp) kompoziti hazırlamıştır. Jelatin–hidroksiapatit hazırlanması için 1g jelatin, 40°C sıcaklıkta 1000mL MilliQ su içinde tamamen çözülmüştür. Ardından hazırlanan jelatin çözeltisinin 2mL’si Ca2+/NH₃ karışımına eklenmiştir. Karışıma bir UP50H sonikatörü (50W, 30kHz) ile sonikasyon uygulanmıştır. Sonikasyon sırasında karışıma 60mL hacminde 0,19M KH₂PO₄ çözeltisi damla damla eklenmiştir.
Çözeltinin tamamına 1h boyunca sonikasyon uygulanmıştır. pH değeri kontrol edilerek her zaman pH 9’da tutulmuş ve Ca/P oranı 1,67 değerine ayarlanmıştır. Beyaz çökeltinin filtrasyonu santrifüjleme ile gerçekleştirilmiş ve koyu bir bulamaç elde edilmiştir. Farklı numuneler, tüp fırında 100, 200, 300 ve 400°C sıcaklıklarda 2h boyunca ısıl işleme tabi tutulmuştur. Böylece granüler formda bir Gel–HAp tozu elde edilmiş, bu toz ince bir toz haline öğütülmüş ve XRD, FE-SEM ve FT-IR ile karakterize edilmiştir. Sonuçlar, hafif ultrasonikasyonun ve HAp’nin büyüme aşamasında jelatin bulunmasının daha düşük adezyonu teşvik ettiğini göstermektedir – bunun sonucunda daha küçük ve düzenli küresel şekle sahip Gel–HAp nanoparçacıkları oluşur. Hafif sonikasyon, ultrasonik homojenizasyon etkileri nedeniyle nano boyutlu Gel–HAp parçacıklarının sentezini destekler. Jelatindeki amid ve karbonil türleri, daha sonra büyüme aşamasında sonokimyasal destekli etkileşim yoluyla HAp nanoparçacıklarına bağlanır.
[Brundavanam et al. 2011]

Titanyum levhacıklar üzerine HAp biriktirilmesi

Ozhukil Kollatha ve arkadaşları (2013), Ti plakaları hidroksiapatit ile kaplamıştır. Biriktirme işleminden önce HAp süspansiyonu bir UP400S cihazıyla homojenize edilmiştir (H14 ultrasonik horn donanımlı 400 wattlık ultrasonik cihaz, %75 genlikte 40 saniyelik sonikasyon süresi).

Gümüş kaplı HAp

Ignatev ve çalışma arkadaşları (2013), antibakteriyel özelliklere sahip bir HAp kaplaması elde etmek ve sitotoksik etkiyi azaltmak için gümüş nanoparçacıklarının (AgNp) HAp üzerinde biriktirildiği bir biyosentetik yöntem geliştirmiştir. Gümüş nanoparçacıklarının deaglomerasyonu ve hidroksiapatit üzerinde çökelmeleri için bir Hielscher UP400S sonikatörü kullanılmıştır.

Manyetik karıştırıcı ve UP400S sonikatöründen oluşan bir düzenek, gümüş kaplı Hap hazırlanması için kullanılmıştır [Ignatev et al 2013]

Güçlü ultrasonik cihazlarımız, mikron altı ve nano boyut aralığındaki parçacıkları işlemek için güvenilir araçlardır. İster araştırma amacıyla küçük tüplerde parçacıkları sentezlemek, disperse etmek veya işlevselleştirmek isteyin, ister ticari üretim için yüksek hacimlerde nanotoz bulamaçlarını işlemeniz gereksin – Hielscher, gereksinimlerinize uygun sonikatörü sunar!

Ultrasonik homojenizatör: UP400S

Literatür/Kaynaklar

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 ve termal destekli sentezine etkisi. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697–703.
Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Hidroksiapatit nanoparçacıklarının sentezi ve karakterizasyonu. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 322; 2008. 29–33.
Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Gümüş nanoparçacıkları içeren 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-laktid-ko-glikolid)/ hidroksiapatit çekirdek–kabuk nanokürelerinin kontrollü oluşumu. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Ultrasonik işlem ve püskürtmeli kurutma yöntemlerinin birleştirilmesiyle sığır kemiğinden hidroksiapatit hazırlanması. Uluslararası Kimya, Biyokimya ve Çevre Bilimleri Konferansı (ICBEE’2012) Singapur, December 14–15, 2012.
Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Yaş kimyasal yöntemle elde edilen nano-hidroksiapatitin kristalliğine ultrasonun etkisi. 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): Hidroksiapatitin titanyum üzerine AC ve DC elektroforetik biriktirilmesinin karşılaştırılması. Journal of the European Ceramic Society 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 parçacıklara dayalı hidroksiapatit tozundan türetilen gözenekli bir seramiğin mekanik özellikleri. 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): Nanometre ölçeğinde hidroksiapatit biyoseramiğinin oluşumunda termal ve ultrasonik etki. International Journal of Nanomedicine 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. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469–474.
Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Yapay kemik uygulamaları için gözenekli hidroksiapatit. Science and Technology of Advanced Materials 8. 2007. 116.
Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Kimyasal Teknoloji Ansiklopedisi; 4. Baskı. J. Wiley & Sons: New York, Cilt 26, 1998. 517–541.

İlgili Konular

UIP1500hd gibi tezgâh üstü uygulamalara ve üretime yönelik ultrasonik cihazlar, tümüyle endüstriyel düzeydedir.

Ultrasonik cihaz: UIP1500hd – akışlı reaktör ile