Nano-gidroksiapatitning sonosintezi

Gidroksiapatit (HA yoki HAp) tuzilishi suyak materialiga oʻxshashligi tufayli tibbiy maqsadlarda juda keng qoʻllaniladigan biofaol keramikadir. Gidroksiapatitning ultratovush yordamidagi sintezi (sonosintez) eng yuqori sifat standartlariga javob beradigan nanotuzilmali HAp ishlab chiqarishning muvaffaqiyatli usulidir. Ultratovush usuli nanokristalli HAp, shuningdek, modifikatsiyalangan zarralar, masalan, yadro–qobiq nanosferalari va kompozitlarni ishlab chiqarish imkonini beradi.

Gidroksiapatit: ko‘p maqsadli mineral

Gidroksilapatit yoki gidroksiapatit (HAp, shuningdek, HA) kalsiy apatitning tabiiy holda uchraydigan mineral shakli boʻlib, uning formulasi Ca₅(PO₄)₃(OH). Kristallning elementar yacheykasi ikkita birlikdan iboratligini koʻrsatish uchun u odatda quyidagicha yoziladi: Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Gidroksilapatit murakkab apatit guruhining gidroksilli chekka aʼzosidir. OH- ioni ftorid, xlorid yoki karbonat bilan almashtirilib, ftorapatit yoki xlorapatit hosil qilishi mumkin. U geksagonal kristall tizimida kristallanadi. HAp suyak materiali sifatida tanilgan, chunki suyakning 50 wt% gacha boʻlgan qismi gidroksiapatitning modifikatsiyalangan shaklidir.
Tibbiyotda nanotuzilmali gʻovak HAp sunʼiy suyak sifatida qoʻllash uchun qiziqish uygʻotadigan materialdir. Suyak bilan kontaktda yaxshi biologik moslikka egaligi va kimyoviy tarkibi suyak materialiga oʻxshashligi tufayli gʻovak HAp keramikasi biotibbiy sohalarda, jumladan, suyak toʻqimasini regeneratsiya qilish, hujayralar proliferatsiyasi va dori vositalarini yetkazib berishda nihoyatda keng qoʻllaniladi.
„Suyak toʻqimasi muhandisligida u suyak nuqsonlarini toʻldirish va suyak hajmini oshirish uchun toʻldiruvchi material, sunʼiy suyak transplantati materiali sifatida hamda protezni qayta operatsiya qilishda qoʻllanilgan. Uning katta sirt maydoni aʼlo darajadagi osteokonduktivlik va rezorbsiyalanish qobiliyatini taʼminlab, suyakning material ichiga tez oʻsib kirishiga imkon beradi.» [Soypan et al. 2007] Shu sababli koʻplab zamonaviy implantlar gidroksilapatit bilan qoplanadi.
Mikrokristalli gidroksilapatitning yana bir istiqbolli qoʻllanilishi uni kalsiyga nisbatan yaxshiroq soʻriladigan, «suyak hosil qiluvchi» qoʻshimcha sifatida ishlatishdir.
HAp suyak va tishlarni tiklash materiali sifatida qoʻllanilishidan tashqari, katalizda, oʻgʻit ishlab chiqarishda, farmatsevtik mahsulotlar tarkibidagi birikma sifatida, oqsil xromatografiyasida va suvni tozalash jarayonlarida ham qoʻllaniladi.

Yuqori quvvatli ultratovush: ta’siri va natijalari

Ultratovush bilan ishlov berish suyuq muhitga uzatiladigan akustik maydondan foydalaniladigan jarayon sifatida tavsiflanadi. Ultratovush toʻlqinlari suyuqlikda tarqalib, navbatma-navbat yuqori bosim/ past bosim sikllarini (siqilish va siyraklashish) hosil qiladi. Siyraklashish bosqichida suyuqlikda kichik vakuum pufakchalari yoki boʻshliqlar paydo boʻladi; ular bir necha yuqori bosim/ past bosim sikllari davomida, pufakcha boshqa energiya yuta olmay qolguncha oʻsadi. Shu bosqichda pufakchalar siqilish bosqichida shiddat bilan ichkariga qulaydi. Pufakchaning bunday qulashi paytida zarba toʻlqinlari, yuqori haroratlar (taxminan 5 000K) va bosimlar (taxminan 2 000atm) koʻrinishida katta miqdorda energiya ajralib chiqadi. Bundan tashqari, bu „qaynoq nuqtalar» juda yuqori sovish tezliklari bilan tavsiflanadi. Pufakchaning ichkariga qulashi, shuningdek, tezligi 280m/s gacha boʻlgan suyuqlik oqimlarini hosil qiladi. Bu hodisa kavitatsiya deb ataladi.
Kavitatsiya pufakchalarining qulashi paytida hosil boʻladigan ushbu nihoyatda kuchli taʼsirlar ultratovush bilan ishlov berilayotgan muhitda tarqalganda, zarralar va tomchilarga taʼsir qiladi – natijada zarralar oʻzaro toʻqnashib, qattiq modda parchalanadi. Shu tariqa maydalash, deaglomeratsiya va dispersiyalash orqali zarra oʻlchamini kamaytirishga erishiladi. Zarralar submikron va nanooʻlchamgacha kichraytirilishi mumkin.
Mexanik taʼsirlardan tashqari, kuchli ultratovush bilan ishlov berish erkin radikallarni hosil qilishi, molekulalarni siljish kuchlari taʼsirida parchalashi va zarralar sirtini faollashtirishi mumkin. Bu hodisalar sonokimyo deb ataladi.

Sonosintez

Suspenziyaga ultratovush bilan ishlov berish bir tekis taqsimlangan juda mayda zarralarni hosil qiladi, shu sababli choʻktirish uchun koʻproq kristallanish markazlari yuzaga keladi.
Ultratovush bilan ishlov berish sharoitida sintez qilingan HAp zarralarida aglomeratsiya darajasi kamayadi. Ultratovush yordamida sintez qilingan HAp ning aglomeratsiyaga moyilligi pastroq ekani, masalan, Poinern va boshqalar (2009) tomonidan oʻtkazilgan FESEM (maydon emissiyali skanerlovchi elektron mikroskopiya) tahlili orqali tasdiqlangan.

Ultratovush kavitatsiyasi va oʻsish bosqichida zarra morfologiyasiga bevosita taʼsir qiladigan fizik taʼsirlar orqali ultratovush kimyoviy reaksiyalarga yordam beradi va ularni jadallashtiradi. Nihoyatda mayda dispers reaksion aralashmalarni tayyorlashga olib keladigan ultratovush bilan ishlov berishning asosiy afzalliklari quyidagilardir:

1) reaksiya tezligining oshishi,
2) ishlov berish vaqtining qisqarishi
3) energiyadan samarali foydalanishning umumiy yaxshilanishi.

Poinern va boshqalar (2011) asosiy reagentlar sifatida kalsiy nitrat tetragidrat (Ca[NO3]2 · 4H2O) va kaliy digidrogenfosfat (KH2PO4) dan foydalanadigan hoʻl kimyoviy usulni ishlab chiqdilar. Sintez davomida pH qiymatini nazorat qilish uchun ammoniy gidroksid (NH4OH) qoʻshildi.
Ultratovush protsessori sifatida UP50H (50 W, 30 kHz, diametri 7 mm boʻlgan MS7 sonotrod) nomli Hielscher Ultrasonics qurilmasi ishlatildi.

Ultratovush yordamida dispersiyalangan kalsiy gidroksiapatit

Ultratovush yordamida oʻlchami kichraytirilgan va dispersiyalangan kalsiy gidroksiapatit

Nano-HAP sintezining bosqichlari:

Kichik stakanda 40 mL hajmdagi 0,32M Ca(NO₃)₂ · 4H₂O eritmasi tayyorlandi. Keyin eritmaning pH qiymati 9,0 ga keltirildi, buning uchun taxminan 2,5mL NH₄OH ishlatildi. Eritmaga UP50H bilan 100% amplituda sozlamasida 1 soat davomida ultratovush bilan ishlov berildi.
Birinchi soat oxirida 60 mL hajmdagi 0,19M [KH₂PO₄] eritmasi birinchi eritmaga asta-sekin tomchilatib qoʻshildi va shu vaqt davomida ikkinchi soatlik ultratovush nurlantirishi amalga oshirildi. Aralashtirish jarayonida pH qiymati tekshirilib, 9 da saqlandi, Ca/P nisbati esa 1,67 da saqlandi. Soʻng eritma sentrifugalash (~2000 g) yordamida filtrlandi, undan keyin hosil boʻlgan oq choʻkma issiqlik bilan ishlov berish uchun bir nechta namunaga taqsimlandi.
Issiqlik bilan ishlov berishdan oldingi sintez jarayonida ultratovushning mavjudligi dastlabki nano-HAP zarra prekursorlarining hosil boʻlishiga sezilarli taʼsir koʻrsatadi. Buning sababi zarra oʻlchamining kristallanish markazlari hosil boʻlishi va materialning oʻsish xususiyati bilan bogʻliqligidir; bular esa, oʻz navbatida, suyuq fazadagi oʻta toʻyinish darajasi bilan bogʻliq.
Bundan tashqari, ushbu sintez jarayonida zarra oʻlchamiga ham, uning morfologiyasiga ham bevosita taʼsir qilish mumkin. Ultratovush quvvatini 0 dan 50W gacha oshirishning taʼsiri issiqlik bilan ishlov berishdan oldin zarra oʻlchamini kamaytirish mumkinligini koʻrsatdi.
Suyuqlikni nurlantirish uchun qoʻllanilgan ultratovush quvvatining oshishi koʻproq pufakchalar/kavitatsiyalar hosil boʻlayotganini koʻrsatdi. Bu, oʻz navbatida, koʻproq kristallanish markazlarini hosil qildi va natijada ushbu markazlar atrofida hosil boʻlgan zarralar kichikroq boʻldi. Bundan tashqari, uzoqroq vaqt davomida ultratovush nurlantirishiga duchor boʻlgan zarralar kamroq aglomeratsiyalanadi. Keyingi FESEM maʼlumotlari sintez jarayonida ultratovush qoʻllanilganda zarralar aglomeratsiyasi kamayishini tasdiqladi.
Nanometr oʻlcham diapazonidagi va sferik morfologiyali nano-HAp zarralari ultratovush mavjudligida hoʻl kimyoviy choʻktirish usuli bilan ishlab chiqarildi. Hosil boʻlgan nano-HAP kukunlarining kristall tuzilishi va morfologiyasi ultratovush nurlantirish manbasining quvvatiga hamda keyinchalik qoʻllanilgan issiqlik bilan ishlov berishga bogʻliq ekani aniqlandi. Sintez jarayonida ultratovushning mavjudligi kimyoviy reaksiyalar va fizik taʼsirlarni jadallashtirgani, ular esa keyinchalik issiqlik bilan ishlov berishdan soʻng oʻta mayda nano- HAp kukunlarini hosil qilgani yaqqol koʻrindi.

Shisha oqim hujayrasi bilan uzluksiz ultratovush bilan ishlov berish

Ultratovushli reaktor kamerasida ultratovush bilan ishlov berish

Hielscher Ultrasonics Tibbiy kimyo boʻyicha 7-xalqaro elektron konferensiyaga faxr bilan homiylik qiladi. Taqdimotlar va ishtirok etish haqida koʻproq maʼlumot olish uchun bu yerga bosing!

Gidroksiapatit:

asosiy noorganik kalsiy fosfat minerali
yuqori biologik moslik
sekin biologik parchalanish qobiliyati
osteokonduktiv
toksik emas
immunogen emas
polimerlar va/ yoki shisha bilan birlashtirilishi mumkin
boshqa molekulalarni absorbsiyalash uchun yaxshi tuzilmaviy matritsa
suyakning aʼlo darajadagi oʻrinbosari

Ultratovushli gomogenizatorlar HAp kabi zarralarni sintez qilish va funksionallashtirish uchun kuchli vositalardir

Zond turidagi ultratovush qurilmasi UP50H

Ultratovushli sol–gel usuli orqali HAp sintezi

Nanotuzilmali HAp zarralarini sintez qilish uchun ultratovush yordamidagi sol–gel usuli:
Material:
– reagentlar: kalsiy nitrat Ca(NO₃)₂, diammoniy gidrogenfosfat (NH₄)₂HPO₄, natriy gidroksid NaOH;
– 25 ml probirka

Ca(NO₃)₂ va (NH₄)₂HPO₄ ni distillangan suvda eriting (kalsiyning fosforga molyar nisbati: 1,67)
Eritmaning pH qiymatini taxminan 10 da saqlash uchun unga biroz NaOH qoʻshing.
Ultratovush bilan ishlov berish uchun UP100H (MS10 sonotrod, amplituda 100%) dan foydalanish

Gidrotermal sintezlar elektr pechda 150°C da 24 h davomida oʻtkazildi.
Reaksiyadan soʻng kristalli HAp ni sentrifugalash va deionizatsiyalangan suv bilan yuvish orqali ajratib olish mumkin.
Olingan HAp nanokukunini mikroskopiya (SEM, TEM,) va/ yoki spektroskopiya (FT-IR) yordamida tahlil qilish. Sintez qilingan HAp nanozarralari yuqori kristallik darajasini koʻrsatadi. Ultratovush bilan ishlov berish vaqtiga qarab turli morfologiyalar kuzatilishi mumkin. Uzoqroq ultratovush bilan ishlov berish uzunlikning diametrga nisbati yuqori va kristallik darajasi oʻta yuqori boʻlgan bir xil HAp nanotayoqchalarini hosil qilishi mumkin. [qarang: Manafi et al. 2008]

HAp ni modifikatsiyalash

Moʻrtligi tufayli sof HAp ning qoʻllanilishi cheklangan. Materialshunoslik tadqiqotlarida HAp ni polimerlar yordamida modifikatsiyalash boʻyicha koʻplab ishlar amalga oshirilgan, chunki tabiiy suyak asosan nanooʻlchamli, ignasimon HAp kristallaridan iborat kompozitdir (suyakning taxminan 65wt% ini tashkil qiladi). HAp ni ultratovush yordamida modifikatsiyalash va material xususiyatlari yaxshilangan kompozitlarni sintez qilish koʻp qirrali imkoniyatlarni taqdim etadi (quyida bir nechta misolga qarang).

Amaliy misollar:

nano-HAp sintezi

Poinern va boshqalar (2009) tadqiqotida Hielscher UP50H zond turidagi ultratovush qurilmasi HAp sonosintezi uchun muvaffaqiyatli qoʻllanildi. Ultratovush energiyasi oshishi bilan HAp kristallitlari zarralarining oʻlchami kamaydi. Nanotuzilmali gidroksiapatit (HAp) ultratovush yordamidagi hoʻl choʻktirish usuli orqali tayyorlandi. Ca(NO₃) va KH₂₅PO₄ asosiy material sifatida, NH₃ esa choʻktiruvchi reagent sifatida ishlatildi. Ultratovush nurlantirishi ostida gidrotermal choʻktirish nanometr oʻlcham diapazonidagi (taxminan 30nm ± 5%) sferik morfologiyali nanooʻlchamli HAp zarralarini hosil qildi. Poinern va hamkasblari sonogidrotermal sintezni tijoriy ishlab chiqarish miqyosiga kengaytirish salohiyati yuqori boʻlgan iqtisodiy jihatdan tejamkor usul deb topdilar.

Jelatin-gidroksiapatit (Gel-HAp) sintezi

Brundavanam va hamkasblari yumshoq ultratovush bilan ishlov berish sharoitida jelatin–gidroksiapatit (Gel-HAp) kompozitini muvaffaqiyatli tayyorladilar. Jelatin–gidroksiapatit tayyorlash uchun 1g jelatin 40°C da 1000mL MilliQ suvda toʻliq eritildi. Soʻng tayyorlangan jelatin eritmasidan 2mL Ca2+/NH₃ aralashmasiga qoʻshildi. Aralashmaga UP50H ultratovush qurilmasi (50W, 30kHz) bilan ultratovush bilan ishlov berildi. Ultratovush bilan ishlov berish davomida 60mL hajmdagi 0,19M KH₂PO₄ aralashmaga tomchilatib qoʻshildi.
Butun eritmaga 1h davomida ultratovush bilan ishlov berildi. pH qiymati tekshirilib, butun vaqt davomida pH 9 da saqlandi va Ca/P nisbati 1,67 ga keltirildi. Oq choʻkma sentrifugalash orqali filtrlandi, natijada quyuq suspenziya olindi. Turli namunalarga quvurli pechda 100, 200, 300 va 400°C haroratlarda 2h davomida issiqlik bilan ishlov berildi. Shu tariqa donador shakldagi Gel–HAp kukuni olindi; u mayda kukunga aylantirib maydalandi va XRD, FE-SEM hamda FT-IR yordamida tavsiflandi. Natijalar shuni koʻrsatadiki, HAp ning oʻsish bosqichida yumshoq ultratovush bilan ishlov berish va jelatinning mavjudligi adgeziyaning kamayishiga yordam beradi – natijada kichikroq va muntazam sferik shakldagi Gel–HAp nanozarralari hosil boʻladi. Yumshoq ultratovush bilan ishlov berish ultratovushli gomogenizatsiya taʼsirlari tufayli nanooʻlchamli Gel–HAp zarralarining sinteziga yordam beradi. Keyinchalik jelatindagi amid va karbonil guruhlari oʻsish bosqichida sonokimyoviy taʼsir yordamidagi oʻzaro taʼsirlashuv orqali HAp nanozarralariga birikadi.
[Brundavanam et al. 2011]

Titan plastinkalariga HAp cho‘ktirish

Ozhukil Kollatha va boshqalar (2013) Ti plastinalarini gidroksiapatit bilan qopladilar. Qoplashdan oldin HAp suspenziyasi UP400S (H14 ultratovushli shoxi oʻrnatilgan 400 vattli ultratovush qurilmasi, 75% amplitudada ultratovush bilan ishlov berish vaqti 40 soniya) yordamida gomogenizatsiya qilindi.

Kumush bilan qoplangan HAp

Ignatev va hamkasblari (2013) antibakterial xususiyatlarga ega HAp qoplamasini olish va sitotoksik taʼsirni kamaytirish uchun kumush nanozarralari (AgNp) HAp ustiga choʻktiriladigan biosintetik usulni ishlab chiqdilar. Kumush nanozarralarini deaglomeratsiyalash va ularni gidroksiapatit ustiga choʻktirish uchun Hielscher UP400S ishlatildi.

Magnitli aralashtirgich va ultratovush qurilmasi UP400S dan iborat tizim kumush bilan qoplangan Hap tayyorlash uchun ishlatildi [Ignatev et al 2013]

Bizning kuchli ultratovush qurilmalarimiz submikron va nanooʻlcham diapazonidagi zarralarga ishlov berish uchun ishonchli vositalardir. Tadqiqot maqsadida kichik probirkalarda zarralarni sintez qilish, dispersiyalash yoki funksionallashtirishni xohlaysizmi yoxud tijoriy ishlab chiqarish uchun katta hajmdagi nanokukun suspenziyalariga ishlov berishingiz kerakmi – Hielscher talablaringizga mos ultratovush qurilmasini taklif etadi!

Ultratovushli gomogenizator UP400S

Adabiyotlar/Manbalar

Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Suyultirilgan jelatinning nano-gidroksiapatitning ultratovush va issiqlik yordamidagi sinteziga taʼsiri. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697–703.
Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Gidroksiapatit nanozarralarini sintez qilish va tavsiflash. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 322; 2008. 29–33.
Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Kumush nanozarralari qoʻshilgan, plazmali purkash orqali hosil qilingan gidroksiapatit qoplamalari. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20–29.
Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Ultratovush nurlantirishi ostida poli(d,l-laktid-ko-glikolid)/ gidroksiapatit yadro–qobiq nanosferalarining nazorat qilinadigan yigʻilishi. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Ultratovush va purkash orqali quritishning birlashtirilgan usullari yordamida qoramol suyagidan gidroksiapatit tayyorlash. Kimyo, biokimyo va atrof-muhit fanlari boʻyicha xalqaro konferensiya (ICBEE’2012) Singapore, December 14-15, 2012.
Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Hoʻl kimyoviy usul orqali olingan nano-gidroksiapatitning kristallik darajasiga ultratovushning taʼsiri. 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): Gidroksiapatitni titan ustiga oʻzgaruvchan va oʻzgarmas tok yordamida elektroforetik choʻktirishni taqqoslash. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715–2721.
Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Qattiq toʻqima muhandisligida ehtimoliy qoʻllash uchun 30 nm oʻlchamli gidroksiapatit zarralari asosidagi kukundan olingan gʻovak keramikaning mexanik xususiyatlari. 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): Nanometr oʻlchamli gidroksiapatit biokeramikasining hosil boʻlishiga issiqlik va ultratovushning taʼsiri. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Ultratovush yordamidagi usuldan foydalanib nanogidroksiapatitni sintez qilish va tavsiflash. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469– 474.
Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Sunʼiy suyak sifatida qoʻllash uchun gʻovak gidroksiapatit. Science and Technology of Advanced Materials 8. 2007. 116.
Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer kimyoviy texnologiya ensiklopediyasi; 4-nashr. J. Wiley & Sons: New York, 26-jild, 1998. 517–541.

Tegishli mavzular

UIP1500hd kabi laboratoriya stolida va ishlab chiqarishda qoʻllaniladigan ultratovush qurilmalari sanoat darajasidagi sifatni toʻliq taʼminlaydi.

Ultratovush qurilmasi UIP1500hd oqim oʻtkazuvchi reaktor bilan