Соносинтез нано-гідроксиапатиту

Гідроксиапатит (HA або HAp) є високочастотною біологічно активною керамікою для медичних цілей через її схожу структуру з кістковим матеріалом. Ультразвуковий синтез (соносинтез) гідроксиапатиту є успішною технікою для отримання наноструктурованого HAp за найвищими стандартами якості. Ультразвуковий шлях дозволяє отримувати нанокристалічний HAp, а також модифіковані частинки, наприклад, наносфери з ядром-оболонкою та композити.

Гідроксиапатит: універсальний мінерал

Гідроксилапатит або гідроксиапатит (HAp, також HA) — це природна мінеральна форма кальцієвого апатиту з формулою Ca5(ПО4)3(ОЙ). Для позначення того, що кристалічна одинична комірка складається з двох сутностей, її зазвичай пишуть Ca10(ПО4)6(ОЙ)2. Гідроксилапатит є гідроксильним кінцевим елементом складної групи апатитів. Іон ОН- може бути замінений фтором, хлоридом або карбонатом, утворюючи фторапатит або хлорапатит. Кристалізується в гексагональній кристалічній системі. HAp відомий як кістковий матеріал, оскільки до 50 мас.% кістки є модифікованою формою гідроксиапатиту.
У медицині наноструктурований пористий HAp є цікавим матеріалом для застосування на штучній кістці. Завдяки своїй хорошій біосумісності в контакті з кістками та схожому хімічному складу з кістковим матеріалом, пориста кераміка HAp знайшла величезне застосування в біомедичних додатках, включаючи регенерацію кісткової тканини, проліферацію клітин і доставку ліків.
«У інженерії кісткової тканини він застосовувався як пломбувальний матеріал для кісткових дефектів та аугментації, матеріал для штучної кісткової трансплантата та хірургія ревізії протезів. Його велика площа поверхні забезпечує чудову остеопровідність і резорбтивність, забезпечуючи швидке вростання кісток». [Сойпан та ін., 2007] Так, багато сучасних імплантів покриваються гідроксилапатитом.
Ще одним перспективним застосуванням мікрокристалічного гідроксилапатиту є його використання в якості “Формування кісток” добавка з кращою засвоюваністю в порівнянні з кальцієм.
Окрім використання як відновлювального матеріалу для кісток і зубів, інші застосування HAp можна знайти в каталізі, виробництві добрив, як сполука у фармацевтичних продуктах, у білковій хроматографії та процесах очищення води.

Силовий ультразвук: ефекти та вплив

Звуковий звук описується як процес, при якому використовується акустичне поле, яке пов'язане з рідким середовищем. Ультразвукові хвилі поширюються в рідині і виробляють чергування циклів високого / низького тиску (стиснення і розрідження). Під час фази розрідження виникають маленькі вакуумні бульбашки або порожнечі в рідині, які ростуть протягом різних циклів високого тиску/низького тиску, поки бульбашка не зможе поглинути більше енергію. На цій фазі бульбашки сильно вибухають під час фази стиснення. Під час такого колапсу бульбашки виділяється велика кількість енергії у вигляді ударної хвилі, високих температур (приблизно 5 000 К) і тиску (приблизно 2 000 атм). Крім того, ці «гарячі точки» характеризуються дуже високою швидкістю охолодження. Вибух бульбашки також призводить до утворення струменів рідини зі швидкістю до 280 м/с. Це явище називається кавітацією.
При розширенні цих екстремальних сил, що виникають при руйнуванні кавітаційних бульбашок, в ультразвуковому середовищі відбувається вплив на частинки і краплі – в результаті зіткнення між частинками так, що тверде тіло розбивається. Таким чином, досягається зменшення розміру частинок, таке як подрібнення, деагломерація та дисперсування. Частинки можуть бути дихвилинизовані до субмікронного та нанорозміру.
Крім механічних впливів, потужна ультразвукова система може створювати вільні радикали, зсувати молекули та активувати поверхні частинок. Це явище відоме як сонохімія.

Соносинтез

В результаті ультразвукової обробки суспензії утворюються дуже дрібні частинки з рівномірним розподілом, що призводить до створення більшої кількості місць для опадів.
Частинки HAp, синтезовані при ультразвуковому дослідженні, демонструють знижений рівень агломерації. Нижча схильність до агломерації ультразвуково синтезованого HAp була підтверджена, наприклад, аналізом FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) Poinern et al. (2009).

Ультразвук допомагає і сприяє хімічним реакціям за допомогою ультразвукової кавітації та її фізичних ефектів, які безпосередньо впливають на морфологію частинок під час фази росту. Основними перевагами ультразвуку, отриманого в результаті приготування надтонких реакційних сумішей, є

  • 1) підвищена швидкість реакції,
  • 2) скорочення часу обробки
  • 3) загальне поліпшення ефективного використання енергії.

Poinern et al. (2011) розробили вологий хімічний шлях, який використовує тетрагідрат кальцієвої селітри (Ca[NO3]2 · 4H2O) та дигідрофосфат калію (KH2PO4) як основні реагенти. Для контролю значення рН під час синтезу був доданий гідроксид амонію (NH4OH).
Процесор УЗД був UP50H (50 Вт, 30 кГц, сонотрод MS7 діаметром 7 мм) від Hielscher Ultrasonics.

Кальцій-гідроксиапатит ультразвуковий

Ультразвуково відновлений і дисперсний кальцій-гідроксиапатит

Етапи синтезу нано-HAP:

Розчин об'ємом 40 мл 0,32M Ca(NO3)2 · 4 год2О готували в маленькій мензурці. Потім рН розчину коригували до 9,0 з приблизно 2,5 мл NH4АХ. Розчин був проведений ультразвуковим звуком за допомогою UP50H при 100% налаштуванні амплітуди на 1 годину.
В кінці першої години 60 мл розчину 0,19М [KH2ПО4] повільно додавали по краплях у перший розчин під час другого годинного ультразвукового опромінення. Під час процесу змішування значення рН перевірялося і підтримувалося на рівні 9, а співвідношення Ca/P підтримувалося на рівні 1,67. Потім розчин фільтрували за допомогою центрифугування (~2000 г), після чого отриманий білий осад пропорційно розподіляли в ряд зразків для термічної обробки.
Наявність ультразвуку в процедурі синтезу перед термічною обробкою має значний вплив на формування початкових попередників нано-HAP частинок. Це пов'язано з розміром частинок, пов'язаних із зародженням і характером росту матеріалу, що, у свою чергу, пов'язане зі ступенем супернасичення в рідкій фазі.
Крім того, під час цього процесу синтезу можна безпосередньо впливати як на розмір частинок, так і на їх морфологію. Ефект збільшення потужності ультразвуку від 0 до 50Вт показав, що перед термічною обробкою можна зменшити розмір частинок.
Збільшення потужності ультразвуку, що використовується для опромінення рідини, вказувало на те, що утворюється більша кількість бульбашок/кавітацій. Це, в свою чергу, викликало більше місць зародження, і в результаті частинки, що утворюються навколо цих ділянок, менші. Крім того, частинки, що піддаються більш тривалому ультразвуковому опроміненню, демонструють меншу агломерацію. Подальші дані FESEM підтвердили знижену агломерацію частинок при використанні ультразвуку в процесі синтезу.
Нано-HAp-частинки в нанометровому розмірному діапазоні та сферичній морфології були отримані за допомогою методу вологого хімічного опаду в присутності ультразвуку. Було встановлено, що кристалічна структура та морфологія отриманих нано-HAP порошків залежала від потужності джерела ультразвукового опромінення та подальшої застосовуваної термічної обробки. Було очевидно, що присутність ультразвуку в процесі синтезу сприяла хімічним реакціям і фізичним ефектам, які згодом призвели до утворення ультрадисперсних нано-HAp порошків після термічної обробки.

Безперервне ультразвукове дослідження за допомогою скляної проточної камери

Ультразвукова діагностика в камері ультразвукового реактора

Гідроксиапатит:

  • Основний мінеральний неорганічний фосфат кальцію
  • висока біосумісність,
  • повільна здатність до біологічного розкладання
  • остеокондуктивна
  • Не токсичний
  • не імуногенний
  • може поєднуватися з полімерами та/або склом
  • Матриця хорошої структури поглинання для інших молекул
  • відмінний замінник кісткової тканини
Ультразвукові гомогенізатори є потужними інструментами для синтезу та функціоналізації частинок, таких як HAp

Ультразвуковий апарат зондового типу UP50H

Синтез HAp за допомогою ультразвукового золь-гель шляху

Золь-гель за допомогою ультразвуку для синтезу наноструктурованих частинок HAp:
Матеріал:
– реагуючі речовини: кальцієва селітра Ca(NO3)2, диамонійгідрофосфат (NH4)2ГПО4, гідроксід натрію NaOH ;
– Пробірка об'ємом 25 мл

  1. Розчинення Ca(NO3)2 та (NH4)2ГПО4 в дистильованій воді (молярне співвідношення кальцію до фосфору: 1,67)
  2. Додайте в розчин трохи NaOH, щоб підтримувати його рН близько 10.
  3. Ультразвукове лікування за допомогою UP100H (сонотрод MS10, амплітуда 100%)
  • Гідротермальні синтези проводили при температурі 150 ° С протягом 24 год в електричній печі.
  • Після реакції кристалічний HAp можна збирати центрифугуванням і промиванням деіонізованою водою.
  • Аналіз отриманого нанопорошку HAp методом мікроскопії (SEM, TEM,) та/або спектроскопії (FT-IR). Синтезовані наночастинки HAp демонструють високу кристалічність. Може спостерігатися різна морфологія в залежності від часу ультразвуку. Більш тривала ультразвукова обробка може призвести до однорідних наностержнів HAp з високим співвідношенням сторін і надвисокою кристалічністю. [див. Манафі та ін. 2008]

Модифікація ХАп

У зв'язку з його крихкістю застосування чистого HAp обмежене. У матеріалознавстві було докладено багато зусиль для модифікації HAp полімерами, оскільки природна кістка є композитом, який в основному складається з нанорозмірних, голчастих кристалів HAp (становить близько 65 мас.% кістки). Ультразвукова модифікація HAp і синтез композитів з поліпшеними характеристиками матеріалу відкриває безліч можливостей (див. кілька прикладів нижче).

Практичні приклади:

Синтез нано-HAp

У дослідженні Poinern et al. (2009) Хілшер UP50H Ультразвуковий апарат зондового типу успішно застосовувався для соносинтезу HAp. Зі збільшенням енергії ультразвуку розмір частинок кристалітів HAp зменшувався. Наноструктурований гідроксиапатит (HAp) був отриманий за допомогою ультразвукового методу вологого опадіння. Ca(НІ3) і KH25ПО4 В якості основного матеріалу використовується верде і NH3 як осаджувач. Гідротермальне осадження під ультразвуковим опроміненням призвело до утворення нанорозмірних частинок HAp зі сферичною морфологією в нанометровому діапазоні розмірів (приблизно 30 нм ± 5%). Пойнерн і його колеги виявили, що соно-гідротермальний синтез є економічним шляхом з сильними можливостями масштабування до комерційного виробництва.

Синтез гелантин-гідроксиапатиту (Gel-HAp)

Брундаванам та його колеги успішно приготували гелантин-гідроксиапатитовий композит (Gel-HAp) в умовах м'якого ультразвуку. Для приготування гелантин-гідроксиапатиту 1 г желатину повністю розчиняють у 1000 мл води MilliQ при 40 °C. Потім до Ca2+/NH додавали 2 мл приготованого желатинового розчину3 Суміш. Суміш була проведена за допомогою UP50H ультразвуковий прилад (50 Вт, 30 кГц). Під час ультразвукового дослідження 60 мл 0,19 М KH2ПО4 були розумно додані в суміш.
Весь розчин просвічували ультразвуком протягом 1 год. Значення рН завжди перевірялося і підтримувалося на рівні рН 9, а співвідношення Ca/P було скориговано до 1,67. Фільтрація білого осаду досягалася центрифугуванням, в результаті чого виходила густа суспензія. Різні зразки піддавали термічній обробці в трубчастій печі протягом 2 год при температурах 100, 200, 300 і 400 ° С. Таким чином, був отриманий порошок Gel-HAp в гранульованому вигляді, який був подрібнений до дрібнодисперсного порошку і характеризується XRD, FE-SEM і FT-IR. Результати показують, що м'яке ультразвукове випромінювання та присутність желатину під час фази росту HAp сприяють зниженню адгезії, що призводить до зменшення розміру та формування правильної сферичної форми наночастинок Gel–HAp. М'яка ультразвукова система сприяє синтезу нанорозмірних частинок Gel–HAp завдяки ефекту ультразвукової гомогенізації. Амідні та карбонільні види желатину згодом прикріплюються до наночастинок HAp під час фази росту за допомогою сонохімічної взаємодії.
[Brundavanam та ін., 2011]

Відкладення HAp на титанових тромбоцитах

Ozhukil Kollatha et al. (2013) вкрили пластини Ti гідроксиапатитом. Перед осадженням суспензія HAp була гомогенізована з UP400S (Ультразвуковий апарат потужністю 400 Вт з ультразвуковим ріжком H14, час узделення 40 сек. при амплітуді 75%).

Сріблястий HAp

Ігнатев та його колеги (2013) розробили біосинтетичний метод, у якому наночастинки срібла (AgNp) осідали на HAp для отримання покриття HAp з антибактеріальними властивостями та зменшення цитотоксичного ефекту. Для деагломерації наночастинок срібла та для їх осідання на гідроксиапатиті був розроблений Гільшер UP400S було використано.

Ігнатев і його співробітники використовували ультразвуковий прилад зондового типу UP400S для виробництва HAp зі срібним покриттям.

Установка магнітної мішалки та ультразвукового апарату UP400S використовувався для препарату Hap зі срібним покриттям [Ignatev et al, 2013]

Наші потужні ультразвукові апарати є надійними інструментами для обробки частинок субмікронного та нанорозмірного діапазону. Незалежно від того, чи хочете ви синтезувати, диспергувати або функціоналізувати частинки в невеликих трубках для дослідницьких цілей, чи вам потрібно обробляти великі обсяги нанопорошкових суспензій для комерційного виробництва – Hielscher пропонує відповідний ультразвуковий апарат для ваших вимог!

UP400S з ультразвуковим реактором

Ультразвуковий гомогенізатор UP400S

Зв'яжіться з нами / Запитайте більше інформації

Поговоріть з нами про ваші вимоги до обробки. Ми порекомендуємо найбільш підходящі параметри налаштування та обробки для вашого проекту.





Будь ласка, зверніть увагу на наші Політика конфіденційності.


Література/Список літератури

  • Брундаванам, Р. К.; Джинаг, З.-Т., Чепмен, П.; Ле, X.-Т.; Мондінос, Н.; Фосетт, Д.; Пойнерн, Г. Е. Д. (2011): Вплив розведеного желатину на ультразвуковий термічний синтез наногідроксиапатиту. Ультразвук. Сонохім. 18, 2011. 697-703.
  • Ченгіз, Б.; Гекче, Ю.; Йилдиз, Н.; Актас, З.; Калімлі, А. (2008): Синтез та характеристика наночастинок гідрояпатиту. Колоїди та поверхні А: фізікохім. 322; 2008. 29-33.
  • Ігнатьєв, М.; Рибак, Т.; Колонг, Г.; Шарфф, В.; Марке, С. (2013): Гідроксиапатитові покриття з плазмовим напиленням з наночастинками срібла. Акта Металургія Словаца, 19/1; 2013. 20-29.
  • Євтича, М.; Радулович, А.; Ігнятович, Н.; Мітричб, М.; Ускокович, Д. (2009): Контрольована збірка наносфер полі(d,l-лактид-ко-гліколід)/гідроксиапатитове ядро–оболонка під ультразвуковим опроміненням. Acta Biomaterialia 5/1; 2009. 208–218.
  • Кусріні, Е.; Пуджіастуті, А. Р.; Астутінінгсіх, С.; Харджанто, С. (2012): Отримання гідроксиапатиту з кісток великої рогатої худоби комбінованими методами ультразвукового та розпилювального сушіння. Міжнародна конференція з хімічних, біохімічних та екологічних наук (ICBEE'2012) Сінгапур, 14-15 грудня 2012 року.
  • Манафі, С.; Баді, С.Х. (2008): Вплив ультразвуку на кристалічність нано-гідроксиапатиту за допомогою вологого хімічного методу. Ir J Pharma Sci 4/2; 2008. 163-168
  • Ожукіл Коллата, В.; Ченц, К.; Клоссетб, Р.; Луйтена, Дж.; Трайнаб, К.; Малленса, С.; Боккаччініч, А. Р.; Клоотсб, Р. (2013): Електрофоретичне осадження гідроксиапатиту на титані змінним і постійним струмом. Журнал Європейського керамічного товариства 33; 2013. 2715–2721.
  • Пуанерн, Г. Е. Ж.; Брундаванам, Р. К.; Тхі Ле, X.; Фосетт, Д. (2012): Механічні властивості пористої кераміки, отриманої з порошку гідроксиапатиту на основі частинок розміром 30 нм для потенційних застосувань у галузі інженерії твердих тканин. Американський журнал біомедичної інженерії 2/6; 2012. 278-286.
  • Пуанерн, Дж.Дж.; Брундаванам, Р.; Тхі Ле, X.; Джорджевич, С.; Прокич, М.; Фосетт, Д. (2011): Тепловий та ультразвуковий вплив у формуванні біокераміки гідроксиапатиту нанометрового масштабу. Міжнародний журнал наномедицини 6; 2011. 2083–2095.
  • Пуанерн, Дж.Дж.; Брундаванам, Р. К.; Мондінос, Н.; Цзян, З.-Т. (2009): Синтез та характеристика наногідроксиапатиту за допомогою ультразвукового методу. Ультразвукова сонохімія, 16/4; 2009. 469- 474.
  • Сойпан, І.; Мел, М.; Рамеш, С.; Халід, К.А.: (2007): Пористий гідроксиапатит для застосування в штучних кістках. Наука і технологія новітніх матеріалів 8. 2007. 116.
  • Суслік, К. С. (1998): Енциклопедія хімічної технології Кірка-Отмера; 4-е видання Дж. & Сини: Нью-Йорк, т. 26, 1998. 517-541.

Пов'язані теми

Ультразвукові прилади для настільних комп'ютерів і виробництва, такі як UIP1500hd, забезпечують повний промисловий клас.

Ультразвуковий апарат UIP1500hd з проточним реактором

Будемо раді обговорити Ваш процес.

Let's get in contact.


✕