NANOBOYUTTA HİDROKSİAPATİT SENTEZLENMESİNDE ÇÖKELTME SICAKLIĞI VE SÜRESİNİN ETKİLERİNİN İNCELENMESİ Önder ALBAYRAK*, Gökhan ÇAYLI**, Çınar ÖNCEL***, Sevim İŞÇİ****, Sabri ALTINTAŞ* *Boğaziçi Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü, İstanbul, E-mail : ondera@boun.edu.tr altintas@boun.edu.tr **Boğaziçi Üniversitesi, Kimya Bölümü, İstanbul ***Sabancı Üniversitesi, Malzeme Bilimleri ve Mühendisliği Bölümü, İstanbul, **** İstanbul Teknik Üniversitesi, Fizik Bölümü, İstanbul ÖZET Nanoboyutta hidroksiapatit (HA) tozu, ortofosforik asit ve kalsiyum hidroksit kullanılarak kimyasal metotla sentezlenmiş, üretim aşamasında kullanılan farklı zaman ve sıcaklıkların toz boyutu ve morfolojisi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Elde edilen tozlar 1000 C de 1 saat kalsine edilmiş, kalsinasyon işleminden önce ve sonra kızılötesi spektrum (FTIR) ve X-ışın kırınımı (XRD) analizleri uygulanarak faz değişimleri incelenmiş, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile parçacık boyutları ve morfolojileri karşılaştırılmıştır. Tüm numunelerde ana yapı olarak HA oluştuğu; kalsinasyon işleminden sonra parçacık boyutunda ve boyut dağılımında artış, topaklanma eğiliminde azalma olduğu belirlenmiştir. Anahtar kelimeler: Biyomalzeme, kimyasal sentez, nanoboyutta hidroksiapatit üretimi. EFFECTS OF PROCESS TEMPERATURE AND TIME ON THE SYNTHESIS OF NANOSIZED HYDROXYAPATITE ABSTRACT Nanosized hydroxyapatite (HA) powders were synthesized by wet method using orthophosporic acid and calcium hydroxide. The effects of time and temperature changes on the morphology and size of the precipitated particles were investigated. Obtained powders were calcinated at 1000 C for 1 hour. The as-precipitated and calcinated powder samples were examined using fouries transform infrared spectrum (FTIR), X-ray diffractometry (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) in order to obtain their phase structure and compare their morphology and size. In all the XRD spectra for dried and calcinated powders, primary HA peaks were observed. After calcination, an increase in particle size and particle size distribution, a decrease in agglomeration were observed. Keywords: Biomaterials, chemical synthesis, nano-sized hydroxyapatite. 1. GİRİŞ Hidroksiapatit (HA), Ca 10 ( ) 3 (OH) 2, yüksek biyouyumluluğu ve kimyasal açıdan kemiğe benzerliği nedeniyle özellikle kemik ve diş gibi sert dokuların içerisinde toz halde dolgu malzemesi olarak, sinterlenmiş biçimiyle doğrudan ve vücuda yerleştirilen metal implantların kaplanmasında kullanılabilmektedir [1]. İçinde kemik büyümesi istenilen durumlarda gözenekli, mekanik dayanımın öne çıktığı durumlarda ise yoğun yapıda HA tercih - 718 -
edilmektedir. Bazı araştırma sonuçları yoğun yapıdaki HA in mekanik dayanımının, büyük oranda sinterleme sıcaklığına [2] ve parçacık boyutuna [1] bağlı olduğunu; HA in yapısının bozulması, dekompoze olması durumunda mekanik dayanımın önemli ölçüde azaldığını belirtmektedirler [2]. Dayanım kazanma ve yoğun yapı elde edilmesi amacıyla yapılan sinterleme işlemi esnasında HA, trikalsiyum fosfat a (TCP), Ca 3 ( ) 2, dönüşebilmektedir [3]. HA, ph değeri.2 den yüksek solüsyonlarda, vücut içinde çözünmeden kararlı şekilde kalabilmesine rağmen, TCP kararlı yapısını koruyamayıp belirli süre sonra çözünmekte vücut tarafından emilmektedir []. TCP, sentetik kemik malzemesi olarak kullanılması durumunda, çözünmeden dolayı oluşan boşluklarda kemik büyümesi gerçekleşeceğinden bir avantaj sağlayabilmektedir []. HA üretiminde, kimyasal sentez (kimyasal çökeltme), sol-jel, sprey-piroliz, hidrotermal sentez, emülsiyon işlemi ve mekanokimyasal yöntem gibi bir çok yöntem kullanılmasına karşın, bunlar içinde kimyasal sentez, işlemlerin sadeliği, düşük işlem sıcaklığı, ürün kalitesi ve verim açısından en öne çıkanıdır [5-7]. Sıvı içinde kimyasal çökeltme yöntemleri içinde en yaygın olarak kullanılanı asit-temelli yöntemdir [7]. Bu yöntemin avantajı kalsiyum hidroksit ile fosforik asit reaksiyonu sonucu yabancı elementler oluşmaması; çıktı olarak HA haricinde sadece su bulunmasıdır [7,8]: 10Ca(OH) 2 + 6H 3 Ca 10 ( ) 6 (OH) 2 + 18H 2 O Bu metotta, solüsyonun ph seviyesinin dikkatli olarak gözlenmesi çok önemlidir. ph değerinin 9 un altına inmesi durumunda kalsiyum monofosfat, 7 nin altına inmesi durumunda kalsiyum dihidrat oluşmaktadır [9]. Çeşitli çalışmalarda, kimyasal sentez yöntemi ile HA üretiminde, süre [10], sıcaklık [10], asit ekleme hızı [9], çökelti kurutma hızı [9] gibi şartların parçacık boyutu ve morfolojisi üzerinde belirgin etkileri olduğu belirtilmiştir. Saeri ve çalışma arkadaşları [10] yaşlandırma sonucunda parçacık boyutunda artış olduğunu, üretilen HA parçacık boyutlarının birbirlerine yaklaştığını, ayrıca çökeltme işleminin verimliliğinin arttığını belirtmişlerdir. Wei [11], uzun yaşlandırma ve ısıtma işlemleri ile HA tozunun şekilsel ve boyutsal benzerliğinin arttığını, bu tozların kullanımıyla yapılan elektroforez kaplamanın kalitesinin arttığını vurgulamaktadır. Bu çalışmada, HA üretiminde yaygın olarak kullanılan kimyasal sentez yönteminde, fosforik asit ve kalsiyum hidroksit kullanılarak farklı sıcaklık ve sürelerde sentezlenen HA tozlarını karakterize etmek amaçlanmıştır. Sıcaklık olarak 30 C ve 85 C, süre olarak 10 dakika ve 2 saat seçilmiş; elde edilen tozların kalsinasyon işleminden önce ve sonra faz yapısı, parçacık boyutu ve morfolojileri incelenmiştir. 2. MALZEME VE YÖNTEM 2.1. HA Tozu Eldesi HA tozları üretiminde kimyasal sentez yöntemlerinden asit-temelli metot kullanılmış, Wei nin [11,12] bahsettiği prosedür uygulanmıştır. 5.0 g Ca(OH) 2 (~%99, Merck, Almanya) manyetik karıştırıcı üzerindeki 200 ml deiyonize suda çözündürülmüş,.669 g sıvı H 3 (%85, Merck, Almanya), ph 9.5-10 un altına inmeyecek şekilde, manyetik karıştırıcı üzerindeki Ca(OH) 2 solüsyonuna eklenmiştir. H 3 ekleme aşamasından sonra elde edilen çökeltiye santrifüj - dekantasyon işlemleri 5 kez uygulanmış; her birinden sonra elde edilen çökelti 500 ml deiyonize su içinde süspansiyon haline getirilmiştir. Beşinci tekrardan sonra elde edilen çökelti 12 saat boyunca 100 C lik fırında kurutulmuştur. Elde edilen tozlar, son olarak, 1000-719 -
C lik fırında 1 saat (300 C/saat ısıtma hızı) kalsine edilmiştir. Kurutma ve kalsinasyon işlemlerinden sonra tozlar agat havanda 30 dakika boyunca elle öğütülmüştür. Çökeltme işlemi esnasında, zamanın, sentezlenen HA üzerindeki etkilerini incelemek amacıyla iki çeşit numune hazırlanmış, 1 ve 2 olarak kodlanmışlardır. Asit çözeltisinin eklenmesinin ardından, süspansiyon, kodlama sırasına göre 10 dakika ve 2 saat süreyle yüksek devirde karıştırılmıştır. Sıcaklığın etkisini incelemek amacıyla işlemler 30 C ve 85 C de yapılmış, numuneler sırasıyla A ve B olarak kodlanmışlardır. Analizler esnasında kullanılan kodlama üç terimden meydana gelmekte (1A-100 gibi); ilk terim süreyi, ikinci terim kullanılan sıcaklığı, üçüncü terim ise elde edilen numunelere uygulanan kurutma (100 C) veya kalsinasyon (1000 C) sıcaklıklarını belirtmektedir. 2.2. Karakterizasyon Sıcaklık ve zaman etkisini incelemek amacı ile sentezlenip üretilen dört farklı tozun kristal faz analizleri ve ana yapıları X-ışın kırınımı (XRD) (Model D/Max-Ultima+PC, Rigaku, Japonya) ile incelenmiş, HA haricinde oluşum olup olmadığı belirlenmiştir. XRD verileri oda sıcaklığında, 10-70 (2θ) aralığında elde edilmiş, 2θ değerlerinin belirlenmesi amacıyla kalitatif faz analizi yapılmıştır. Sentezlenmiş HA tozlarında bulunan çeşitli fosfat ve karbonat fonksiyonel gruplarını belirlemek amacıyla KBr metodu kullanılarak kızılötesi spektrumları (FTIR) (Model 1600, Perkin-Elmer, Amerika) elde edilmiştir. HA tozları, morfolojik özelliklerinin ve parçacık boyutlarının belirlenmesi amacıyla taramalı elektron mikroskobu (SEM) (Model Supra 35VP, Leo, Almanya) ile incelenmiş; numuneler gece boyunca 60 C de kurutulup, cihaza yerleştirilmeden önce karbon kaplanmışlardır. Elde edilen HA tozlarına boyut dağılımı analizi (Nano S Model, Malvern, İngiltere) yapılmış, sonuçlar SEM görüntüleri ile karşılaştırılarak tozların topaklanma eğilimleri incelenmiştir. 3. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME Sentezlenip 100 C de 12 saat kurutulan tüm numuneler kalsine işleminden (1000 C de 1 saat) önce ve sonra XRD analizine tabii tutularak oluşan fazlar belirlenip, HA haricinde oluşum olup olmadığı belirlenmiştir. Şekil 1 de a, b, c, d olarak numaralandırılan kalsine edilmemiş 1A-100, 2A-100, 1B-100 ve 2B-100 numunelerinde pikler tamamen HA (Uluslararası X-Işını Kırınım Veri Merkezi - International Centre of Diffraction Data, ICDD - Dosya Kart No. 8-1998) olup, yan fazlara rastlanmamıştır. Şekil 1 de, HA elde etme aşamasındaki sıcaklık ve sürenin kristalizasyonda etkili olduğu; a dan d ye gidildikçe kristalizasyonun arttığı görülmektedir. Şekil 2 de a, b, c, d olarak numaralandırılan kalsine edilmiş 1A-1000, 2A-1000, 1B-1000 ve 2B-1000 numunelerinde ise HA ana fazının yanısıra, A kodlu numunelerde TCP (ICDD Dosya Kart No. 09-0169), B kodlu numunelerde ise CaO (ICDD Dosya Kart No. 8-167) piklerine rastlanmıştır. - 720 -
Şekil 1. Kalsinasyon öncesi XRD grafiği; (a) 1A-100, (b) 2A-100, (c) 1B-100, (d) 2B-100 Şekil 2. Kalsinasyon sonrası XRD grafiği; (a) 1A-1000, (b) 2A-1000, (c) 1B-1000, (d) 2B-1000-721 -
Şekil 3 de, 1B numunesinin kalsinasyon öncesi (1B-100) ve kalsinasyon sonrası (1B-1000) FTIR spektrumları verilmiştir. 3568 ve 635 cm -1 de görülen pikler OH iyonuna, 1096, 105, 962, 603, 570 ve 70 cm -1 de görülen pikler 3 iyonuna karşı gelmektedir. 2362 ve 2366 cm -1 de görülen pik ortamdaki CO 2 den kaynaklanmaktadır. 158 ve 113 cm -1 de görülen pikler, kristal kafes yapısında 3 pozisyonunun yerinde CO 3 2 olduğunu göstermektedir. 1636 da görülen pik de H 2 O dan kaynaklanmaktadır [13-15]. Tüm numunelerin FTIR spektrumlarında OH ve 3 iyonlarına rastlanmaktadır. (b) CO 2 3 CO 2 3 OH OH (a) Şekil 3. 1B numunesinin FTIR spektrumu: (a) 1B-100, (b) 1B-1000 Sentezlenen HA tozlarının mikroyapısal karakteristikleri SEM ile incelenmiş; boyutları, şekilleri, boyut dağılımları belirlenmiştir. Şekil deki 2A-100 kodlu kalsine edilmemiş tozların, boyutsal olarak benzer, yaklaşık 50 nm boyutlarında, ve nodüler şekilde olduğu görülmektedir. 1000 C de 1 saat kalsine edilmiş 2A-1000 kodlu numunede ise toz boyutlarında büyüme olduğu, 2A-100 e göre geniş bir boyut dağılımına (100-800 nm) sahip olmasına rağmen, parçacık boyutlarının genellikle 300 nm civarında olduğu görülmektedir. Elde edilen HA tozları topaklanma eğiliminde olup, SEM görüntüleri Şekil 5 de verilmektedir. 2A-100 2A-1000 Şekil. HA tozlarının (2A-100, 2A-1000) SEM görüntüleri, 50 KX - 722 -
2A-100 2 KX 2A-1000 1 KX Şekil 5. HA tozlarının (2A-100 ve 2A-1000) SEM görüntüsü, Elde edilen numunelerden süspansiyon hazırlanarak, parçacık boyut dağılımı analizi yapılmış, 2A-100 ve 2A-1000 kodlu numunelerin sonuçları Şekil 6 da verilmiştir. Şekil 6 daki 2A-100 ve 2A-1000 kodlu numunelerin ortalama parçacık boyutları sırasıyla 336 nm ve 570 nm dir. Bu veriler Şekil deki SEM den elde edilen veriler ile karşılaştırılınca, kalsine edilmemiş numunede nispeten büyük ölçüde topaklanmanın olduğu görülmektedir. 2A-100 2A-1000 Şekil 6. HA tozlarının (2A-100, 2A-1000) parçacık boyut dağılımı analizi Şekil 5 daki SEM görüntülerinden, kalsinasyon öncesi ve sonrasında tozların büyük ölçüde topaklanmış durumda bulunduğu görülmektedir. Parçacık boyut dağılımı analizinden elde edilen veriler, kalsine edilmiş numunelerdeki topaklanmanın kalsine edilmemiş numuneye göre nispeten giderildiğini göstermektedir. Elde edilen sonuçlar özetlenecek olursa: Elde edilen numunelerin, kalsinasyon öncesi XRD grafiklerindeki pikler HA (ICDD Dosya Kart No. 8-1998) ile tamamen ile uyum göstermektedir. Kalsinasyon sonrasındaki grafiklerde ise, HA ana-fazının yanında A kodlu numunelerde TCP (ICDD Dosya Kart No. 09-0169), B kodlu numunelerde ise CaO (ICDD Dosya Kart No. 8-167) piklerine rastlanmıştır. Kalsinasyon öncesi ve sonrası elde edilen tüm FTIR spektrumlarında OH ve 3 iyonlarına rastlanmaktadır. 100 C de 12 saat kurutulan numunelerde yaklaşık 50 nm olan parçacık boyutları, kalsine edildikten sonra ortalama 300 nm boyutlarına çıkmaktadır. Kalsine edilmemiş numunelerde parçacık boyutları birbirlerine benzer (yaklaşık 50 nm) olmasına karşın, kalsine edilen numunelerde parçacık boyut dağılımı geniş bir aralık (100-800 nm) göstermektedir. - 723 -
Kalsinasyon işleminden önce ve sonra numunelerde topaklanma görülmesine karşın, kalsine edilmeyen numunelerdeki topaklanma eğilimi nispeten daha fazla olup, topaklanmanın giderilmesi zorlaşmaktadır. Teşekkür Bu çalışma Boğaziçi Üniversitesi (B.Ü.) Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP-05A601D kodlu proje kapsamında) ve Devlet Planlama Teşkilatı (DPT-03K120250 kodlu proje kapsamında) tarafından desteklenmiştir. Katkılarından dolayı, B.Ü. Makina Mühendisliği Bölümünden Araştırma Görevlisi Nazım MAHMUTYAZICIOĞLU na, Koç Üniversitesi Kimya Bölümünden Doç. Dr. Adem Levent DEMİREL e, Sabancı Üniversitesi Malzeme Bilimleri ve Mühendisliği Bölümünden Doç. Dr. Mehmet Ali GÜLGÜN e, Civelek Porselen den Osman CİVELEK ve Barış CİVELEK e, B.Ü. öğrencisi Işıl ULUÇ a, İTÜ Fizik Bölümünden Prof. Dr. Nurfer GÜNGÖR ve araştırma görevlisi Ebru GÜNİSTER e teşekkür ederiz. KAYNAKLAR 1. N.Y. Mostafa, Characterization, thermal stability and sintering of hydroxyapatite powders prepared by different routes, Materials Chemistry and Physics, 9, (2005), 333-31 2. Z. Yang et. al., Preparation and thermal stability analysis of hydroxyapatite derived from the precipitation process and microwave irradiation method, Materials Letters, 58, (200), 3586-3590 3. Y.M. Sung et. al., Crystallization and sintering characteristics of chemically precipitated hydroxyapatite nanopowder, Journal of Crystal Growth, 262, (200), 67-72. S. Jalota, C. Tas and S.B. Bhaduri, Microwave-assisted synthesis of calcium phosphate nanowhiskers, J. Mater. Res., Vol. 19, No. 6, (200), 1876-1881 5. L.B. Kong et al., Nanosized hydroxyapatite powders derived from coprecipitation process, Journal of Materials Science, 37, (2002), 1131-113] 6. S.W.K. Kweh, K.A. Khor and P.Cheang, The production and characterization of hydroxyapatite (HA) powders, Journal of Materials Processing Technology, 89-90, (1999), 373-377 7. P.N. Kumta et.al., Nanostructured calcium phosphates for biomedical applications: novel synthesis and characterization, Acta Biomaterialia, 1, (2005), 65-83 8. Nagai H, Nishimura Y, Hydroxyapatite, ceramic material and process for preparing thereof, US Patent 33051, 1980. 9. A. Afshar et. al., Some important factors in the wet precipitation process of hydroxyapatite, Materials and Design, 2, (2003), 197-202 10. M.R. Saeri et. al., The wet precipitation process of hydroxyapatite, Materials Letters, 57, (2003), 06-069 11. M. Wei, Electrophoresis of hydroxyapatite on metal substrates, PhD thesis, University of New South Wales, (1997) 12. M. Wei et.al., Precipitation of hydroxyzpztite nanoparticls: Effects of precipitation method on electrophoretic deposition, Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 16, (2005), 319-32 13. Ş. Gören, Production of hydroxylapatite from animal bone, Yüksek lisans tezi, Boğaziçi Üniversitesi, Biyo-Medikal Mühendisliği Enstitüsü, (2003) 1. Ş. Gören, H. Gökbayrak ve S. Altıntaş, Production of hydroxylapatite from animal bone, Key Engineering Materials, Volumes 26-268, (200), 199-1952 15. A. Rapacz-Kmita et.al., FTIR and XRD investigations on the thermal stability of hydroxyapatite during hot pressing and pressureless sintering processes, Journal of Molecular Structure, 7-77, (2005), 653-656 - 72 -