Tổng hợp nano-hydroxyapatite bằng siêu âm
Hydroxyapatite (HA hoặc HAp) là một loại gốm hoạt tính sinh học được sử dụng rất phổ biến trong y học nhờ có cấu trúc tương tự vật liệu xương. Tổng hợp hydroxyapatite có hỗ trợ siêu âm (tổng hợp bằng siêu âm) là một kỹ thuật thành công để sản xuất HAp có cấu trúc nano theo các tiêu chuẩn chất lượng cao nhất. Phương pháp siêu âm cho phép sản xuất HAp tinh thể nano cũng như các hạt biến tính, ví dụ như các hạt cầu nano lõi–vỏ, và vật liệu composite.
Hydroxyapatite: Khoáng chất đa dụng
Trong y học, HAp xốp có cấu trúc nano là một vật liệu đáng quan tâm cho ứng dụng xương nhân tạo. Nhờ tính tương thích sinh học tốt khi tiếp xúc với xương và thành phần hóa học tương tự vật liệu xương, gốm HAp xốp đã được sử dụng rất rộng rãi trong các ứng dụng y sinh, bao gồm tái tạo mô xương, tăng sinh tế bào và dẫn truyền thuốc.
„Trong kỹ thuật mô xương, vật liệu này đã được ứng dụng làm vật liệu trám các khuyết hổng xương và tăng cường xương, vật liệu ghép xương nhân tạo, và trong phẫu thuật thay lại bộ phận giả. Diện tích bề mặt lớn mang lại khả năng dẫn tạo xương và khả năng tiêu biến tuyệt vời, giúp xương phát triển nhanh vào bên trong.” [Soypan et al. 2007] Vì vậy, nhiều bộ phận cấy ghép hiện đại được phủ hydroxylapatite.
Một ứng dụng đầy hứa hẹn khác của hydroxylapatite vi tinh thể là sử dụng làm chất bổ sung “tạo xương” với khả năng hấp thu vượt trội so với canxi.
Ngoài việc được sử dụng làm vật liệu phục hồi xương và răng, HAp còn có các ứng dụng khác trong xúc tác, sản xuất phân bón, làm thành phần trong các sản phẩm dược phẩm, trong các ứng dụng sắc ký protein và các quy trình xử lý nước.
Siêu âm công suất cao: Hiệu ứng và tác động
Khi các lực cực mạnh này, được tạo ra trong quá trình sụp đổ của các bọt xâm thực, lan tỏa trong môi trường được xử lý siêu âm, các hạt và giọt chịu tác động – dẫn đến va chạm giữa các hạt khiến chất rắn vỡ ra. Nhờ đó, các quá trình giảm kích thước hạt như nghiền, phá kết tụ và phân tán được thực hiện. Các hạt có thể được giảm xuống kích thước dưới micromet và nano.
Bên cạnh các tác động cơ học, xử lý siêu âm mạnh có thể tạo ra các gốc tự do, cắt các phân tử bằng lực cắt và hoạt hóa bề mặt hạt. Những hiện tượng này được gọi là hóa học siêu âm.
Tổng hợp bằng siêu âm
Xử lý huyền phù bằng siêu âm tạo ra các hạt rất mịn, phân bố đồng đều, nhờ đó tạo thêm nhiều vị trí tạo mầm cho quá trình kết tủa.
Các hạt HAp được tổng hợp dưới tác động của siêu âm có mức độ kết tụ giảm. Xu hướng kết tụ thấp hơn của HAp được tổng hợp bằng siêu âm đã được xác nhận, chẳng hạn qua phân tích FESEM (hiển vi điện tử quét phát xạ trường) của Poinern và cộng sự (2009).
Siêu âm hỗ trợ và thúc đẩy các phản ứng hóa học thông qua hiện tượng xâm thực siêu âm và các tác động vật lý của hiện tượng này, vốn ảnh hưởng trực tiếp đến hình thái hạt trong giai đoạn phát triển. Những lợi ích chính của việc xử lý bằng siêu âm để tạo ra các hỗn hợp phản ứng siêu mịn là
- 1) tăng tốc độ phản ứng,
- 2) giảm thời gian xử lý
- 3) cải thiện tổng thể hiệu quả sử dụng năng lượng.
Poinern và cộng sự (2011) đã phát triển một phương pháp hóa học ướt sử dụng canxi nitrat tetrahydrat (Ca[NO3]2 · 4H2O) và kali dihydro phosphat (KH2PO4) làm các chất phản ứng chính. Để kiểm soát giá trị pH trong quá trình tổng hợp, amoni hydroxit (NH4OH) đã được bổ sung.
Thiết bị xử lý siêu âm được sử dụng là UP50H (50 W, 30 kHz, đầu siêu âm MS7 có đường kính 7 mm) của Hielscher Ultrasonics.
Canxi hydroxyapatit được giảm kích thước và phân tán bằng siêu âm
Các bước tổng hợp nano-HAP:
Dung dịch 40 mL chứa 0,32M Ca(NO3)2 · 4H2O được chuẩn bị trong một cốc có mỏ nhỏ. Sau đó, pH của dung dịch được điều chỉnh đến 9,0 bằng khoảng 2,5mL NH4OH. Dung dịch được xử lý bằng siêu âm với UP50H ở mức cài đặt biên độ 100% trong 1 giờ.
Khi kết thúc giờ đầu tiên, dung dịch 60 mL chứa 0,19M [KH2PO4] được thêm từ từ từng giọt vào dung dịch ban đầu trong khi tiếp tục chiếu siêu âm trong giờ thứ hai. Trong quá trình trộn, giá trị pH được kiểm tra và duy trì ở mức 9, trong khi tỷ lệ Ca/P được duy trì ở mức 1,67. Sau đó, dung dịch được lọc bằng phương pháp ly tâm (~2000 g), rồi kết tủa màu trắng thu được được chia thành một số mẫu để xử lý nhiệt.
Sự hiện diện của siêu âm trong quy trình tổng hợp trước khi xử lý nhiệt có ảnh hưởng đáng kể đến sự hình thành các tiền chất hạt nano-HAP ban đầu. Điều này là do kích thước hạt có liên quan đến quá trình tạo mầm và kiểu phát triển của vật liệu, mà những yếu tố này lại liên quan đến mức độ quá bão hòa trong pha lỏng.
Ngoài ra, cả kích thước và hình thái hạt đều có thể chịu ảnh hưởng trực tiếp trong quá trình tổng hợp này. Tác động của việc tăng công suất siêu âm từ 0 lên 50W cho thấy có thể giảm kích thước hạt trước khi xử lý nhiệt.
Việc tăng công suất siêu âm dùng để chiếu vào chất lỏng cho thấy số lượng bọt khí/hiện tượng xâm thực được tạo ra nhiều hơn. Điều này tạo ra nhiều vị trí tạo mầm hơn và do đó các hạt hình thành quanh những vị trí này có kích thước nhỏ hơn. Hơn nữa, các hạt được chiếu siêu âm trong thời gian dài hơn có mức độ kết tụ thấp hơn. Dữ liệu FESEM sau đó đã xác nhận sự giảm kết tụ hạt khi sử dụng siêu âm trong quá trình tổng hợp.
Các hạt nano-HAp có kích thước trong khoảng nanomet và hình thái cầu đã được tạo ra bằng kỹ thuật kết tủa hóa học ướt với sự hiện diện của siêu âm. Kết quả cho thấy cấu trúc tinh thể và hình thái của các loại bột nano-HAP thu được phụ thuộc vào công suất của nguồn chiếu siêu âm và phương pháp xử lý nhiệt tiếp theo được sử dụng. Rõ ràng, sự hiện diện của siêu âm trong quá trình tổng hợp đã thúc đẩy các phản ứng hóa học và tác động vật lý, từ đó tạo ra các loại bột nano- HAp siêu mịn sau khi xử lý nhiệt.
Xử lý bằng siêu âm trong buồng phản ứng siêu âm
- khoáng canxi phosphat vô cơ chính
- tính tương thích sinh học cao
- khả năng phân hủy sinh học chậm
- có tính dẫn tạo xương
- không độc
- không gây đáp ứng miễn dịch
- có thể kết hợp với polyme và/hoặc thủy tinh
- nền cấu trúc có khả năng hấp thụ tốt các phân tử khác
- vật liệu thay thế xương tuyệt vời
Máy siêu âm dạng đầu dò UP50H
Tổng hợp HAp bằng phương pháp sol-gel có hỗ trợ siêu âm
Phương pháp sol-gel có hỗ trợ siêu âm để tổng hợp các hạt HAp có cấu trúc nano:
Vật liệu:
– chất phản ứng: Canxi nitrat Ca(NO3)2, diamoni hydro phosphat (NH4)2HPO4, natri hydroxit NaOH ;
– ống nghiệm 25 ml
- Hòa tan Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 trong nước cất (tỷ lệ mol canxi trên phospho: 1,67)
- Thêm một ít NaOH vào dung dịch để duy trì pH ở khoảng 10.
- Xử lý siêu âm bằng thiết bị UP100H (đầu phát siêu âm MS10, biên độ 100%)
- Các quá trình tổng hợp thủy nhiệt được thực hiện ở 150°C trong 24 h trong lò điện.
- Sau phản ứng, có thể thu hồi HAp dạng tinh thể bằng cách ly tâm và rửa bằng nước khử ion.
- Phân tích bột nano HAp thu được bằng phương pháp hiển vi (SEM, TEM,) và/hoặc quang phổ (FT-IR). Các hạt nano HAp được tổng hợp có độ kết tinh cao. Có thể quan sát thấy các hình thái khác nhau tùy thuộc vào thời gian xử lý siêu âm. Thời gian xử lý siêu âm dài hơn có thể tạo ra các thanh nano HAp đồng đều với tỷ lệ chiều dài trên đường kính cao và độ kết tinh cực cao. [cp. Manafi et al. 2008]
Biến tính HAp
Do tính giòn, ứng dụng của HAp tinh khiết còn hạn chế. Trong nghiên cứu vật liệu, nhiều nỗ lực đã được thực hiện để biến tính HAp bằng polyme vì xương tự nhiên là một vật liệu composite chủ yếu gồm các tinh thể HAp dạng kim có kích thước nano (chiếm khoảng 65wt% của xương). Việc biến tính HAp có hỗ trợ siêu âm và tổng hợp các vật liệu composite có đặc tính vật liệu được cải thiện mang lại nhiều khả năng ứng dụng (xem một vài ví dụ bên dưới).
Ví dụ thực tế:
Tổng hợp nano-HAp
Tổng hợp gelatin-hydroxyapatite (Gel-HAp)
Toàn bộ dung dịch được xử lý siêu âm trong 1h. Giá trị pH được kiểm tra và duy trì ở pH 9 trong suốt quá trình, còn tỷ lệ Ca/P được điều chỉnh về 1,67. Kết tủa trắng được lọc tách bằng ly tâm, tạo ra huyền phù đặc. Các mẫu khác nhau được xử lý nhiệt trong lò ống trong 2h ở các nhiệt độ 100, 200, 300 và 400°C. Qua đó, thu được bột Gel–HAp dạng hạt, sau đó được nghiền thành bột mịn và xác định đặc trưng bằng XRD, FE-SEM và FT-IR. Kết quả cho thấy xử lý siêu âm nhẹ và sự hiện diện của gelatin trong giai đoạn phát triển của HAp giúp giảm độ bám dính – nhờ đó tạo ra các hạt nano Gel–HAp nhỏ hơn và có hình cầu đều đặn. Xử lý siêu âm nhẹ hỗ trợ tổng hợp các hạt Gel–HAp kích thước nano nhờ các hiệu ứng đồng nhất hóa bằng siêu âm. Sau đó, các nhóm amide và carbonyl từ gelatin gắn vào các hạt nano HAp trong giai đoạn phát triển thông qua tương tác được hỗ trợ bởi hiệu ứng hóa siêu âm.
[Brundavanam et al. 2011]
Lắng đọng HAp trên các phiến titan
HAp phủ bạc
Một hệ thống gồm máy khuấy từ và máy siêu âm UP400S đã được sử dụng để điều chế Hap phủ bạc [Ignatev et al 2013]
Các thiết bị siêu âm công suất cao của chúng tôi là những công cụ đáng tin cậy để xử lý các hạt có kích thước dưới micromet và nano. Dù bạn muốn tổng hợp, phân tán hay chức năng hóa các hạt trong các ống nhỏ phục vụ nghiên cứu, hay cần xử lý thể tích lớn huyền phù bột nano để sản xuất thương mại – Hielscher đều cung cấp máy siêu âm phù hợp với yêu cầu của bạn!
Máy đồng hóa siêu âm UP400S
Tài liệu/Tài liệu tham khảo
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Ảnh hưởng của gelatin loãng đến quá trình tổng hợp hydroxyapatite nano có hỗ trợ siêu âm và nhiệt. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697–703.
- Cengiz, B.; Gokce, Y.; Yildiz, N.; Aktas, Z.; Calimli, A. (2008): Tổng hợp và xác định đặc trưng của các hạt nano hydroxyapatite. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 322; 2008. 29–33.
- Ignatev, M.; Rybak, T.; Colonges, G.; Scharff, W.; Marke, S. (2013): Các lớp phủ hydroxyapatite chứa hạt nano bạc được tạo bằng phun plasma. Acta Metallurgica Slovaca, 19/1; 2013. 20–29.
- Jevtića, M.; Radulovićc, A.; Ignjatovića, N.; Mitrićb, M.; Uskoković, D. (2009): Lắp ráp có kiểm soát các hạt cầu nano lõi–vỏ poly(d,l-lactide-co-glycolide)/ hydroxyapatite dưới tác động của chiếu xạ siêu âm. Acta Biomaterialia 5/ 1; 2009. 208–218.
- Kusrini, E.; Pudjiastuti, A. R.; Astutiningsih, S.; Harjanto, S. (2012): Điều chế hydroxyapatite từ xương bò bằng phương pháp kết hợp siêu âm và sấy phun. Hội nghị quốc tế về khoa học hóa học, hóa sinh và môi trường (ICBEE’2012) Singapore, December 14-15, 2012.
- Manafi, S.; Badiee, S.H. (2008): Ảnh hưởng của siêu âm đến độ kết tinh của hydroxyapatite nano được tổng hợp bằng phương pháp hóa học ướt. 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): So sánh lắng đọng điện di hydroxyapatite trên titan bằng dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều. Journal of the European Ceramic Society 33; 2013. 2715–2721.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): Các tính chất cơ học của gốm xốp được tạo từ bột hydroxyapatite gồm các hạt kích thước 30 nm cho các ứng dụng tiềm năng trong kỹ thuật mô cứng. 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): Ảnh hưởng của nhiệt và siêu âm đến sự hình thành gốm sinh học hydroxyapatite ở kích thước nanomet. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Tổng hợp và xác định đặc trưng của hydroxyapatite nano bằng phương pháp có hỗ trợ siêu âm. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469– 474.
- Soypan, I.; Mel, M.; Ramesh, S.; Khalid, K.A: (2007): Hydroxyapatite xốp cho các ứng dụng xương nhân tạo. Science and Technology of Advanced Materials 8. 2007. 116.
- Suslick, K. S. (1998): Bách khoa toàn thư Kirk-Othmer về công nghệ hóa học; Ấn bản thứ 4. J. Wiley & Sons: New York, Tập 26, 1998. 517–541.
Thiết bị siêu âm UIP1500hd với thiết bị phản ứng dòng chảy liên tục