Farklı Karıştırma Teknikleri ve Başlangıç Maddelerinden Sentezlenmiş Hidroksiapatit Tozunun Özelliklerinin İncelenmesi

Ebat: px

Şu sayfadan göstermeyi başlat:

Download "Farklı Karıştırma Teknikleri ve Başlangıç Maddelerinden Sentezlenmiş Hidroksiapatit Tozunun Özelliklerinin İncelenmesi"

Mehmet Bayraktar
8 yıl önce
İzleme sayısı:

1 Farklı Karıştırma Teknikleri ve Başlangıç Maddelerinden Sentezlenmiş Hidroksiapatit Tozunun Özelliklerinin İncelenmesi Yeliz Koca a, *, A. Binnaz Hazar b, Deniz Uzunsoy b, Sinem Benlioğlu b Özet a Marmara Üniversitesi,İstanbul,34722 b Yıldız Teknik Üniversitesi,İstanbul,34349 Yeliz Koca: Marmara Üniversitesi, İstanbul34722, kocayeliz@gmail.com Doğal kemik ve diş yapısının ana mineral bileşeni olan nano yapılı hidroksiapatit (HA: Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) biyoseramiği çeşitli yöntemler ile üretilmektedir. Bu yöntemler içinde yaş kimyasal çöktürme prosesi basit ve ekonomik olması nedeni ile oldukça tercih edilmektedir. Yaş kimyasal çöktürme yöntemi ile sentezlenecek HA tozunun kimyasal ve fiziksel özellikleri (bileşim, saflık, tane boyutu, kristallik derecesi gibi) Ca ve PO 4 kaynağı olan başlangıç maddelerinin bileşimi ve karıştırma yöntemine bağlı olarak değişebilmektedir. Bu nedenle çalışmanın ilk kademesinde iki farklı karıştırma yönteminin (ultrasonik banyo-ub ve ultrasonik homojenizatör-uh) HA tozu özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Bir sonraki kademede ise UH tekniği ile çeşitli başlangıç maddeleri [Ca(OH) 2, Ca(NO 3 ) 2, CaO, H 3 PO 4 ve (NH 4 ) 2 HPO 4 ] kullanılarak sentezlenmiş tozların özellikleri XRD, FTIR, SEM, BET ve ultra piknometre ile incelenmiştir. Sonuç olarak, yaş kimyasal çöktürme yöntemi kullanıldığında; Ca(OH) 2 ve H 3 PO 4 başlangıç maddeleri ve ultrasonik homojenizatörle uygulanan karıştırma tekniği ile biyolojik ortama daha uygun HA tozu üretilebildiği görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Hidroksiapatit, nano-biyomalzeme, yapay doku, yaş kimyasal çöktürme Giriş Hidroksiapatit (HA: Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) insan kemiği yapısında bulunan yüksek biyo-uyumluluğa sahip bir biyoseramiktir [1, 2]. Doğal kemik ve diş yapısında yüksek oranda nano boyutlu HA kristalleri bulunur. Kemik ve diş yapısına olan benzerliğinin yanı sıra ilaç salınım sistemleri ve protein saflaştırma gibi uygulamalarda da kullanılabilmektedir. Bu özellikleri nedeniyle yapay kemik dokusu uygulamalarında kullanılmak amacı ile nano boyutlu ve saf hidroksiapatit sentezi üzerine yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bu amaçla çok çeşitli yöntemler (mekano kimyasal sentez, yakma metodu ve çeşitli yaş kimyasal teknikler) geliştirilmiştir [3-12]. Bunlar arasında sulu çözeltide kimyasal çöktürme yöntemi diğerlerine göre oldukça basit ve ekonomik bir yöntemdir. Deneysel Çalışmalar Nano boyuta sahip saf kristalin HA tozu üretiminde, karıştırma tekniği ve başlangıç kimyasallarının etkisini belirlemek amacıyla yapılan bu çalışmanın birinci kademesinde iki farklı ultrasonik karıştırma yöntemi (ultrasonik banyo-ub ve ultrasonik homojenizatör-uh) karşılaştırılmıştır (Şekil 1). Şekil 1. (a) Ultrasonik banyo-ub ve (b) ultrasonik homojenizatör-uh yöntemiyle yapılan karıştırma tekniklerinin şematik görünümü. 1

kocayeliz@gmail.com Doğal kemik ve diş yapısının ana mineral bileşeni olan nano yapılı hidroksiapatit (HA: Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) biyoseramiği çeşitli yöntemler ile üretilmektedir.

2 Karıştırma tekniklerinin karşılaştırılması açısından analitik saflık derecesinde Ca(NO 3 ) 2 (Merck, 96%) ve (NH 4 ) 2 HPO 4 (Merck, 99%) kullanılmıştır. Ca(NO 3 ) 2 ve (NH 4 ) 2 HPO 4 kemik yapısında bulunan HA ya uygun olarak Ca/P=1.67 oranında reaksiyona sokulmuştur. Manyetik karıştırma yönteminde 300 rpm de karıştırma yapılmıştır (Bandelin Sonorex, Germany: 35 KHz and W). (NH 4 ) 2 HPO 4 çözeltisi, Ca(NO 3 ) 2 içerisine karışma işlemi sırasında yavaş yavaş eklenmiş ve daha sonar 1 saat boyunca karıştırılmıştır. Daha sonar çöktürme yıkama ve kurutma işlemleri sırasıyla uygulanmıştır (Şekil 2). Aynı proses ultrasonik homojenizatör ile karıştırma işleminde de tekrarlanmıştır. 100 ml Ca 2+ kaynağı çözelti 100 ml PO 4 3- kaynağı çözelti Ca/P=1. Karıştırma Çöktürme Yıkama Kurutma HA tozu Karakterizasyon XRD FTIR SEM BET Şekil 2. HA tozlarının proses akışı ve analizlerinin şematik gösterimi Deneysel çalışmaların ikinci kademesinde farklı başlangıç kimyasal maddeleri kullanılarak yaş kimyasal çöktürme yöntemiyle HA tozu sentezlenmiştir (Şekil 3). Başlangıç maddeleri: U1: Ca(OH) 2 ve H 3 PO 4 U2: Ca(NO 3 ) 2 ve (NH 4 ) 2 HPO 4 U3: CaO ve H 3 PO 4 şeklindedir. 1. Ca(OH) 2 ve H 3 PO 4 : U1 3Ca(OH) 2 + 3H 3 PO 4 3CaHPO 4 + 6H 2 O (1.1) 5Ca(OH) 2 + 3H 3 PO 4 ½ Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) H 2 O (1.2) 2Ca(OH) 2 + 3CaHPO 4 + 6H 2 O ½ Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) H 2 O (1.3) 2. Ca(NO 3 ) 2 ve (NH 4 ) 2 HPO 4 : U2 10 Ca(NO 3 ) (NH 4 ) 2 HPO H 2 O Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) NH 4 NO HNO 3 (2.1) 3. CaO ve H 3 PO 4 : U3 3CaO + 3H 2 O 3Ca(OH) 2 (3.1) 3Ca(OH) 2 + 3H 3 PO 4 3CaHPO 4 + 6H 2 O (3.2) 2

Manyetik karıştırma yönteminde 300 rpm de karıştırma yapılmıştır (Bandelin Sonorex, Germany: 35 KHz and 160-320 W).

3 5Ca(OH) 2 + 3H 3 PO 4 ½ Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) H 2 O (3.3) 2Ca(OH) 2 + 3CaHPO 4 + 6H 2 O ½ Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) H 2 O (3.4) Bu kademede de başlangıç maddelerinin Ca/P oranı yine 1.67 olarak seçilmiştir. Şekil 3. Farklı başlangıç maddeleri kullanılarak, ultrasonik banyo ile HA sentezinin şematik gösterimi. Sonuçlar ve Tartışma Ultrasonik banyo ile çöktürülmüş UB tozlarının FT-IR spektrumu Şekil 4 te gösterildiği gibidir. Yaklaşık cm -1 dalga boyunda H 2 O ya ait pikler görülmektedir [10]. PO 4 3- grupları ise 1139 cm cm -1 aralığında görülen belirgin piklere sahiptir [8]. Hidroksiapatitin yapısında bulunan OH - gruplarının varlığı 1385 cm -1 de mevcut pikten anlaşılmaktadır. Şekil 4. UB tozunun FT-IR spektrumu. Şekil 5 te gösterilen FT-IR spektrumu UH tozuna aittir cm -1 de görülen küçük pikler toz içerisinde OH - bağlarının bulunduğunu ifade etmektedir [10] cm cm -1 aralığında bulunan pikler PO 4 3- gruplarının varlığına işaret ederler [8] cm cm -1 aralığındaki bölge genellikle parmak izi bölgesi olarak isimlendirilir. Çünkü bu aralık tüm molekülün titreşimlerini göstermektedir ve iki maddenin birbirine benzerliğini saptamak için karşılaştırma yapılacağı zaman göz önünde bulundurulur. Her iki 3

Sonuçlar ve Tartışma Ultrasonik banyo ile çöktürülmüş UB tozlarının FT-IR spektrumu Şekil 4 te gösterildiği gibidir. Yaklaşık 3550.09 cm -1 dalga boyunda H 2 O ya ait pikler görülmektedir [10].

4 numunenin FT-IR spektrumları bu şekilde karşılaştırıldığı zaman içeriklerinin çok benzer oldukları sonucuna varılmaktadır. Şekil 5. UH tozunun FT-IR spektrumu. UB ve UH numunelerinin XRD grafikleri Şekil 6 da verildiği gibidir. Şekilden de görüldüğü gibi UB ve UH tozlarında her iki karıştırma yöntemi ile de oldukça yüksek HA fazı oluşumu gözlenmiştir [3-12]. Şekil 6. UB ve UH tozlarının XRD spektrumları. Şekil 7, Şekil 8 ve Şekil 9 da gösterilen FT-IR spektrumlarında yaklaşık 1400 cm -1 de görülen pikler toz içerisinde OH - bağlarının bulunduğunu ifade etmektedir [10] cm cm -1 aralığında bulunan pikler 3- PO 4 gruplarının varlığına işaret etmektedirler [8]. U1, U2 ve U3 tozlarının FTIR spektrumlarından da görüldüğü gibi tozların üç farklı başlangıç maddesi kullanılarak üretilmiş olmasına rağmen spektrumları 4

Şekil 6. UB ve UH tozlarının XRD spektrumları.

5 hemen hemen aynıdır. U1 tozunun FT-IR spektrumunda diğerlerine göre 1028 de bulunan pik hariç, oluşan pikler daha küçüktür. Ayrıca U3 tozunda muhtemeleniyi bir kurutma sağlandığı için su piki görülmemiştir. Şekil 7. U1 tozunun FT-IR spektrumu. Şekil 8. U2 tozunun FT-IR spektrumu. 5

6 Şekil 9. U3 tozunun FT-IR spektrumu. Şekil 10 da U1, U2 ve U3 tozlarına ait XRD grafiği yapılarında yüksek oranda hidroksiapatit oluşumunu göstermektedir. Şekil 10. U1, U2 ve U3 tozlarının XRD analizi. 6

7 Şekil 11 ve Şekil 12 de tozların SEM görüntüleri verilmiştir. Ca(OH) 2 ve H 3 PO 4 başlangıç maddeleri kullanılarak sentezlenen HA tozlarının diğer başlangıç maddelerinden sentezlenenlere göre daha saf HA kristalleri içerdiği ve tane boyutu dağılımının da nm civarında olduğu görülmüştür. Bununla birlikte CaO ve H 3 PO 4 başlangıç maddeleri kullanılarak üretilen HA tozlarının tane boyutunun yaklaşık nm civarında, Ca(NO 3 ) 2 ve (NH 4 ) 2 HPO 4 başlangıç maddeleri kullanılarak sentezlenen U2 tozlarının tane boyutunun ise nm civarında olduğu, ancak her iki numunenin yapılarında HA dışında farklı fazlar bulunduğu belirlenmiştir. Şekil 11. Farklı karıştırma yöntemleri ile üretilmiş HA tozlarının (UB ve UH) SEM görüntüleri. U1 U2 U3 Şekil 12. U1, U2 ve U3 tozlarının X SEM görüntüleri. 7

170-250 nm civarında olduğu görülmüştür.

8 Tablo 1 ve Tablo 2 de de gösterildiği gibi toz numunelerinin SEM analizlerinin yanı sıra, toplam yüzey alanları ve yoğunluklarını ölçmek amacıyla BET ve yoğunluk analizleri de gerçekleştirilmiştir. SEM ve BET analizi sonuçlarının birbirleriyle uyumlu olduğu görülmüştür. Parçacık boyutu azaldıkça toplam yüzey alanında artış belirlenmiştir. Tablo 1. UB, UH, U1, U2 ve U3 numunelerinin BET ve yoğunluk analizi sonuçları. Numune BET (m 2 /g) Yoğunluk (g/cm 3 ) UB 9,8 3,52 UH 16,93 3,32 Tablo 2. U1, U2 ve U3 numunelerinin BET ve yoğunluk analizi sonuçları. Numune BET (m2/g) Yoğunluk (g/cm3) U1 9,8 3,52 U2 11,83 3,4 U3 14,31 3,38 Kaynaklar 1. S. Jalota, S. B. Bhaduri, and A. C. Taş, Using a Synthetic Body Fluid (SBF) Solution of 27 mm HCO3- to Make Bone Substitutes more Osteointegrative, Materials Science and Engineering C: Materials for Biological Applications, 28 (1), , I. Smiciklas, A. Onjia and S. Raicevic, Separation and Purification Technology, 44, , A.Binnaz Hazar Yoruç, Yeliz Koca, Double Step Stirring: A Novel Method For Precipitation Of Nano-Sized Hydroxyapatite Powder, Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, 4(1), 73-81, Rhee, S.H., Synthesis of hydroxyapatite via mechanochemical treatment, Biomaterials, 23, , K. C. B. YEONG, J. WANG and S. C. NG, Mechanochemical synthesis of nanocrystalline hydroxyapatite from CaO and CaHPO4, Biomaterials 22 (2001) A. C. Tas, Combustion Synthesis of Calcium Phosphate Bioceramic Powders,, J. Eur. Ceram. Soc., 20 [14 15] (2000) A. Afshar, M. Ghorbani, N. Ehsani, M.R. Saeri and C.C. Sorell, "Some important factors in wet precipitation process of Hydoroxy Apatite", Materials and Design, 24 (2003) M.R. Sari, A. Afshar, M. Ghorbani, N. Ehsani, C.C. Sorrell, "The Wet Precipitation Process of Hydroxy Apatite", Materials Letters 57 (2003) Y. LIU, D. HOU and G. WANG, A simple wet chemical synthesis and characterization of hydroxyapatite nanorods, Materials Chemistry and Physics 86 (2004) L. B. Kong, J. Ma and F. Boey, Nanosized hydroxyapatite powders derived from coprecipitation process, J. Mater. Sci. 37 (2002) Y.M. Sung, J.C. Lee and J.W. Yang, Crystallization and sintering characteristics of chemically precipitated hydroxyapatite nanopowder, Journal of Crystal Growth 262 (2004)

UB, UH, U1, U2 ve U3 numunelerinin BET ve yoğunluk analizi sonuçları. Numune BET (m 2 /g) Yoğunluk (g/cm 3 ) UB 9,8 3,52 UH 16,93 3,32 Tablo 2.

Benzer belgeler

HİDROKSİAPATİT NANOPARÇACIKLARININ SENTEZİ

HİDROKSİAPATİT NANOPARÇACIKLARININ SENTEZİ 26.09.2007 2 Giriş İnsan kemiği kendini yenileyebilme özeliğine sahiptir Kemikler kırıldığında iyileşmenin sağlanabilmesi için ilave desteğe gereksinim duyarlar