هیدروکسی‌آپاتیت (HA یاHAp) یک سرامیک بیولوژیک بسیار پراستفاده برای اهداف پزشکی، به دلیل ساختار مشابه با مواد استخوان است. سنتز هیدروکسی‌ آپاتیت به کمک اولتراسونیک (سونو-سنتز) یک تکنیک موفق برای تولید HAp نانوساختار با بالاترین استانداردهای کیفیت است. روش اولتراسونیک امکان تولید HAp نانوبلورین و همچنین ذرات بهبود یافته، مانند نانوکره‌های هسته-پوسته و کامپوزیت‌ها را فراهم می‌کند.

هیدروکسیل‌آپاتیت: یک ماده معدنی همه کاره

هیدروکسیل‌آپاتیت یا هیدروکسی‌آپاتیت (HAp، همچنین HA) یک شکل معدنی طبیعی از کلسیم آپاتیت با فرمول Ca₅(PO₄)₃(OH) است. برای نشان دادن اینکه سلول واحد کریستال شامل دو واحد است، معمولاً به صورت Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ نوشته می‌شود. هیدروکسیل‌آپاتیت انتهای هیدروکسیل از گروه پیچیده آپاتیت است. یون OH- می‌تواند با فلوراید، کلرید یا کربنات جایگزین شود و فلورآپاتیت یا کلورآپاتیت تولید کند. این ماده در سیستم کریستالی شش‌ضلعی تبلور می‌یابد. HAp به عنوان ماده‌ای در استخوان شناخته شده است، به طوری که تا 50 درصد وزنی استخوان یک شکل تغییر یافته از هیدروکسی‌آپاتیت است.

در پزشکی، HAp متخلخل نانوساختار به عنوان ماده‌ای جذاب برای کاربردهای استخوان مصنوعی شناخته می‌شود. به دلیل زیست‌سازگاری خوب در تماس با استخوان و ترکیب شیمیایی مشابه با ماده استخوان، سرامیک متخلخل HAp استفاده گسترده‌ای در کاربردهای زیست‌پزشکی شامل بازسازی بافت استخوان، تکثیر سلولی و تحویل دارو پیدا کرده است.

در مهندسی بافت استخوان، به عنوان ماده پرکننده برای نقص‌های استخوان و تقویت، ماده پیوند استخوان مصنوعی و جراحی تجدید پروتزها به کار گرفته شده است. سطح بالای آن منجر به استئوکانداکتیویته و قابلیت جذب عالی شده که رشد سریع استخوان را فراهم می‌کند." [Soypan et al. 2007] بنابراین، بسیاری از ایمپلنت‌های مدرن با هیدروکسیل‌آپاتیت پوشیده شده‌اند.

یکی دیگر از کاربردهای نویدبخش هیدروکسیل‌آپاتیت میکروکریستالی، استفاده از آن به عنوان مکمل "سازنده استخوان" با جذب بالا در مقایسه با کلسیم است.

علاوه بر استفاده به عنوان ماده ترمیمی برای استخوان و دندان، کاربردهای دیگر HAp در کاتالیز، تولید کود، به عنوان ترکیب در محصولات دارویی، در کاربردهای کروماتوگرافی پروتئین و فرآیندهای تصفیه آب یافت می‌شود.

التراسونیک هموژنایزر:  آثار و مزایا

فرآوری اولتراسونیک از دوغاب منجر به ذرات بسیار ریز با توزیع یکنواخت می‌شود، به طوری که مکان‌های بیشتری برای هسته‌زایی رسوب ایجاد می‌شود. ذرات HAp سنتز شده تحت سونیکیشن سطح کمتری از تجمع را نشان می‌دهند. تمایل کمتر به تجمع HAp سنتز شده به روش اولتراسونیک، به عنوان مثال، توسط تحلیل FESEM (میکروسکوپ الکترونی نشر میدانی) توسط Poinern و همکاران (2009) تأیید شده است.

اولتراسونیک به واکنش‌های شیمیایی کمک و آن‌ها را ترویج می‌کند از طریق کاویتاسیون اولتراسونیک و اثرات فیزیکی آن که به طور مستقیم بر مورفولوژی ذرات در طول فاز رشد تأثیر می‌گذارد. مزایای اصلی اعمال التراسونیک که منجر به تهیه مخلوط‌های  فوق‌العاده ریز می‌شود عبارتند از:

• افزایش سرعت واکنش
• کاهش زمان پردازش
• بهبود کلی در استفاده کارآمد از انرژی

Poinern و همکاران (2011) یک مسیر شیمیایی مرطوب را توسعه دادند که از کلسیم نیترات تتراهیدرات (Ca[NO₃]₂ · 4H₂O) و پتاسیم دی هیدروژن فسفات (KH₂PO₄) به عنوان واکنش‌دهنده‌های اصلی استفاده می‌کرد. برای کنترل مقدار pH در طول سنتز، هیدروکسید آمونیوم (NH₄OH) اضافه شد.

مراحل سنتز nano-HAp:

یک محلول 40 میلی‌لیتری از 0.32 مولار کلرید کلسیم تتراهیدرات (Ca(NO₃)₂ · 4H₂O) در یک بشر کوچک تهیه شد. سپس pH محلول با حدود 2.5 میلی‌لیتر آمونیاک (NH₄OH) به 9.0 تنظیم شد. محلول با دستگاه اولتراسونیک هموژنایزر 50 وات با تنظیمات دامنه 100% به مدت 1 ساعت اولتراسونیک شد.

در پایان ساعت اول، یک محلول 60 میلی‌لیتری از 0.19 مولار [KH₂PO₄] به آرامی به صورت قطره‌ای به محلول اول اضافه شد در حین انجام دومین ساعت تابش اولتراسونیک. در طول فرآیند مخلوط‌سازی، مقدار pH بررسی شد و در حالت 9 حفظ شد در حالی که نسبت کلسیم به فسفر (Ca/P) در مقدار 1.67 حفظ شد. سپس محلول از طریق سانتریفیوژ (حدود 2000g) فیلتر شد و پس از آن نتیجه‌ی  رسوب ‌سفید به تعدادی نمونه برای عملیات حرارتی تقسیم شد.

حضور اولتراسوند در روند سنتز قبل از عملیات حرارتی تأثیر مهمی در تشکیل پیش‌ماده‌های نانوذرات HAP اولیه دارد. این به دلیل اندازه‌ی ذرات که با هسته‌زایی و الگوی رشد مواد مرتبط است، که به‌نوبه خود با درجه اشباع بیش از حد در مرحله‌ی مایع مرتبط است.

علاوه بر این، هر دو اندازه‌ی ذرات و مورفولوژی آن می‌تواند به‌طور مستقیم در طول این فرآیند سنتز تحت تأثیر قرار گیرند. تأثیر افزایش قدرت اولتراسون از 0 تا 50 وات نشان داد که امکان کاهش اندازه‌ی ذرات قبل از عملیات حرارتی وجود دارد.

افزایش قدرت اولتراسونیک برای تابش مایع نشان داد که تعداد بیشتری حباب/ترکیبات تشکیل می‌شود. این باعث تولید مراکز هسته‌زایی  بیشتری می‌شود و نتیجه‌اش ذراتی کوچکتر اطراف این مراکز تشکیل می‌دهند. علاوه بر این، ذراتی که به مدت طولانی‌تری از تابش اولتراسونیک تحت تأثیر قرار گرفته‌اند کمتر کلوخه می‌شوند. داده‌های FESEM بعدی تأیید کرده است که تجمع ذرات هنگام استفاده از اولتراسونیک در طول فرآیند سنتز کاهش یافته است.

ذرات نانو-HAp در محدوده اندازه نانومتر و مورفولوژی کروی با استفاده از یک تکنیک رسوب دهی تشکیل شیمیایی مرطوب در حضور اولتراسونیک تولید شدند. مشخص شد که ساختار بلوری و مورفولوژی پودرهای نانو-HAP تولید شده وابسته به قدرت منبع تابش اولتراسونیک و دمای حرارتی بعدی بود. روشن بود که حضور اولتراسونیک در فرایند سنتز باعث ترویج واکنش‌های شیمیایی و اثرات فیزیکی شد که پس از فرآوری حرارتی پودرهای نانو-HAp بسیار ریز تولید کردند.

هیدروکسی‌آپاتیت:

•  اصلی‌ترین ماده معدن فسفات کلسیم غیرآلی
•  زیست تخریب پذیری کند
•  استئوکونداتیو
• غیر‌سمی
•  غیرایمنی زا
•  می‌تواند با پلیمرها و/ یا شیشه ترکیب شود
•  ساختار ماتریسی برای جذب خوب دیگر مولکول‌ها
•  جایگزین عالی برای استخوان

سنتز HAp با روش سل ژل به کمک التراسونیک

فرایند سل-ژل تحت اثر اولتراسونیک برای تولید ذرات نانوساختاردهی‌شده HAp به شرح زیر است:

مواد:

- واکنش‌گرها: نیترات کلسیم Ca(NO₃)₂، دی‌آمونیوم هیدروژن فسفات (NH₄)2HPO₄، هیدروکسید سدیم NaOH؛

- لوله آزمایشی 25 میلی‌لیتر

1- Ca(NO₃)₂ و (NH₄)2HPO₄ را در آب مقطر حل کنید (نسبت مولی کلسیم به فسفر: 1.67)

2- به محلول مقداری NaOH اضافه کنید تا pH آن حدود 10 باقی بماند.

3- با استفاده ازالتراسونیک هموژنایزر آزمایشگاهی اولتراسونیک کنید.

• سنتز‌های هیدروترمال در 150 درجه سانتی‌گراد برای 24 ساعت در یک فر ترموالکتریکی انجام شد.
• پس از واکنش، HAp بلوری می‌تواند با سانتریفیوژ و شستشو با آب دیونیزه جمع‌آوری شود.
• تجزیه و تحلیل پودر نانوذرات HAp به دست آمده توسط میکروسکوپ (SEM، TEM) و/ یا اسپکتروسکوپی (FT-IR). نانوذرات HAp سنتز شده دارای بلوریت بالا هستند. مورفولوژی مختلفی می‌توان با توجه به زمان سونیکیشن مشاهده کرد. سونیکیشن بلند می‌تواند منجر به نانومیله‌های یکنواخت HAp با نسبت ابعادی بالا و کریستالی بودن بسیار بالا شود. [مقایسه با منافی و همکاران، 2008]

همچنین برای اطلاع از تاثیر التراسونیک بر فرایند سل ژل، می توانید به مطلب تاثیر التراسونیک بر فرایند سل ژل مراجعه کنید.

بهبود HAp

به دلیل شکنندگی آن، استفاده از HAp خالص محدود است. در تحقیقات مواد، تلاش‌های زیادی برای تغییر HAp با پلیمرها صورت گرفته است زیرا استخوان طبیعی اصولاً از بخش‌های نانویی شبیه به سوزن از بلورهای HAp تشکیل شده است (حدود 65 درصد وزنی از استخوان را تشکیل می‌دهد). تغییرات همراه با استفاده از اولتراسونیک در HAp و سنتز کامپوزیت‌ها با ویژگی‌های مواد بهبود یافته، امکانات گسترده‌ای ارائه می‌دهد (برخی از مثال‌ها را در زیر می‌بینید).

سنتز نانو هیدروکسی آپاتیت

در مطالعه Poinern  (2009), یک اولتراسونیکاتور نوع پراب  با موفقیت برای سونوسنتز HAp استفاده شد. با افزایش انرژی اولتراسونیک، اندازه ذرات بلورهای HAp کاهش یافت. هیدروکسی‌آپاتیت نانوساختارده (HAp) توسط تکنیک رسوب دهی شیمیایی مرطوب تحت تأثیر اولتراسونیک، تهیه شد. Ca(NO₃) و KH₂PO₄ به عنوان مواد اصلی و NH3 به عنوان رسوب‌دهنده استفاده شدند. رسوب گذاری هیدروترمال تحت تابش اولتراسونیک، منجر به تشکیل ذرات HAp نانومتری با مورفولوژی کروی در محدوده اندازه نانومتری (تقریباً 30 نانومتر ± 5٪) شد. پوینرن و همکارانشان متوجه شدند که سنتز سونو-هیدروترمال یک مسیر اقتصادی با قابلیت افزایش مقیاس به تولید تجاری است.

برای مطالعه بیشتر در مورد کاربردهای التراسونیک هموژنایزر در نانو کلیک نمایید.

سنتز ژلاتین-هیدروکسی اپاتیت

Brundavanam و همکاران با موفقیت یک ترکیب ژلاتین-هیدروکسی‌آپاتیت (Gel-HAp) را تحت شرایط سونیکیشن ملایم تهیه کرده‌اند. برای تهیه ژلاتین-هیدروکسی‌آپاتیت، 1 گرم ژلاتین کاملاً در 1000 میلی‌لیتر آب MilliQ در دمای 40 درجه سانتی‌گراد حل شد. سپس 2 میلی‌لیتر از محلول ژلاتین تهیه شده به مخلوط Ca2+/NH3 اضافه شد. مخلوط با استفاده از سونیکاتور (50 وات، 30 کیلوهرتز) التراسونیک شد. در طول سونیکاسیون، 60 میلی‌لیتر از محلول   0.19 مولار KH₂PO₄ به صورت قطره‌ای به مخلوط اضافه شد.

کل محلول به مدت 1 ساعت سونیکیت شد. مقدار pH بررسی شد و در تمام زمان‌ها در مقدار PH 9 نگه داشته شد و نسبت Ca/P به 1.67 تنظیم شد. فیلتراسیون رسوب سفید توسط سانتریفیوژ انجام شد که منجر به ته‌نشینی غلیظ شد. نمونه‌های مختلف در یک کوره لوله‌ای به مدت 2 ساعت در دماهای 100، 200، 300 و 400 درجه سانتی‌گراد گرم‌شدند. این‌طور، پودر ژل-هیدروکسی‌آپاتیت به شکل دانه‌های گرانولی تهیه شد که به پودر ریزی آسیاب شده بود و توسط XRD، FE-SEM و FT-IR مشخصه‌سنجی شد. نتایج نشان می‌دهند که سونیکاسیون ملایم و حضور ژلاتین در طول فاز رشد هیدروکسی‌آپاتیت، لطمات کمتری را ترویج می‌دهد - این امر منجر به ایجاد اندازه کوچکتر و شکل کره‌ای منظم‌تر نانوذرات ژل-هیدروکسی‌آپاتیت می‌شود. سونیکاسیون ملایم به سنتز ذرات نانومتری Gel-HAp به دلیل اثرات همگن‌سازی اولتراسونیک کمک می‌کند. گونه‌های آمید و کربونیل از ژلاتین سپس به نانوذرات HAp در طول فاز رشد از طریق تعاملی که به کمک سونوشیمیایی انجام می‌شود، می‌پیوندند.

[Brundavanam و همکاران، 2011]

جایگزینی هیدورکسی اپاتیت با پلاکت تیتانیوم

در مطالعه از Ozhukil Kollatha و همکاران (2013)، صفحات Ti با هیدروکسی‌آپاتیت پوشش داده شده‌اند. قبل از رسوب‌دهی سوسپانسیون با یک دستگاه اولتراسونیک 400 وات با پیکربندی هورن اولتراسونیک 14 میلیمتری و  زمان اولتراسونیک 40 ثانیه در 75٪ دامنه همگن شد.

Hap با پوشش نقره

Ignatev و همکارانش (2013) یک روش بیوسنتزی توسعه دادند که در آن نانوذرات نقره (AgNp) بر روی HAp رسوب داده شدند تا پوشش HAp با ویژگی‌های ضد باکتری و کاهش اثر سمی را به دست آورند. برای تفکیک نانوذرات نقره و برای رسوب آنها بر روی هیدروکسی‌آپاتیت، یک دستگاه اولتراسونیک به کار رفت.

دستگاه‌های اولتراسونیک قدرتمند ما ابزارهای قابل اعتمادی برای پردازش ذرات در محدوده زیر میکرون و نانو اندازه هستند. آیا شما می‌خواهید ذرات را برای مقاصد تحقیقی ترکیب، پراکندگی یا عملیاتی کنید یا نیاز دارید تا حجم زیادی از دوغاب نانو پودر را برای تولید تجاری پردازش کنید -آواپرداز دستگاه اولتراسونیک مناسب برای نیازهای شما را ارائه می‌دهد!