Liquid-Solid-Solution Synthese von biomedizinischen Hydroxylapatit Nanostäbchen Xun Wang, Jing Thuang, Qing Peng and Yadong Li Department of Chemistry, Tsinghua University (2006)

Inhalt Nanotechnologie Grundlagen der LSS Anwendung der LSS Hydroxylapatit im menschlichen Körper Synthese von Hydroxylapatit Nanostäbchen Hydrophobe Nanostäbchen Hydrophile Nanostäbchen Zusammenfassung

Nanotechnologie 1 nm = 10-9 m Menschliches Haar 0,12 mm (120.000 nm) ZnO Nanodraht

Nanotechnologie Ziele der Nanotechnologie: Miniaturisierung bekannter, Erzeugung neuartiger Werkstoffe Kohlenstoff-Nanoröhre Anwendungsmöglichkeiten in der Halbleiterelektronik, Oberfächenbeschichtung (Lotus-Effekt), Medizin...

Grundlagen der LSS Phasentransfer –und Separationsmechanismus über drei Phasen

Wirkung des Tensids Linolsäure C18H32O2 Statistisch sind Kristalle durch monomolekulare Schicht Tensid geschützt Dynamische Solvatation erlaubt Wachstum der Kristalle

Anwendung der LSS am Beispiel von Ag Nanokristallen 0.5 g AgNO3 in 20 mL Wasser, 1.6 g Natriumlinolat, 10 mL Ethanol und 2 mL Linolsäure in einem Autoklaven unter Rühren zusammengeben System verschliessen und 10 h bei der gewünschtenTemperatur halten (für Ag 80 – 200 °C) Auf Raumtemperatur abkühlen lassen Die Nanokristalle setzen sich am Boden des Gefäßes ab

Ag-Nanokristalle CoFe2O4 Nanokristalle separiert durch Magneten

Vorteile der LSS Erzeugung von Nanokristallen verschiedenster Eigenschaften (halbleitend, fluoreszierend, magnetisch, dielektrisch), fast aller Haupt –und Übergansmetalle Leichte Extraktion der Kristalle Hohe Gleichartigkeit der Kristalle Größe der Kristalle lässt sich leicht durch Änderung der Reaktionsbedingungen variieren (Temperatur; Molverhältnis der Fettsäure, der Metallionen und des Lösungsmittels; Kettenlänge der Fettsäure) Sehr kleine Nanokristalle (Ir 1,7 nm)

Hydroxylapatit (HAp) im menschlichen Körper Knochen Zähne, Knorpel

Überlegungen zur LSS und HAp Nanostäbchen Abstand der polaren Köpfe von Ca-Stearat entspricht dem der Ca2+ Kationen im HAp (~0,5 nm) Über die Länge der Alkylkette der verwendeten Fettsäure lässt sich die Wechselwirkung des Tensids mit der HAp Oberfläche anpassen Aufgrund der Symmetrie des HAp wird dieser wahrscheinlich entlang der c-Achse wachsen Anionisches Tensid Linolsäure (komplexiert Ca2+), kationisches Tensid Octadecylamin mit Linolsäure (komplexiert [PO4]3-)

Schematische Darstellung der Synthese von HAp Nanostäbchen

Hydrophile und Hydrophobe HAp Nanostäbchen Zwei Modifikationen der Nanostäbchen 1) Alkylketten nach aussen (hydrophob) 2) Carboxylgruppen nach aussen (hydrophil) Höhere Temperaturen erhöhen die Wachstumsgeschwindigkeit Längere Kristallisationszeiten als 8-10 h haben keinen Einfluss auf das Seitenverhältnis

Hydrophobe HAp Nanostäbchen Kontrolle des Seitenverhältnisses über die Reaktionstemperatur (90 – 180 °C) und das Verhältnis der Reaktanden Morphologie bleibt bei den verschiedenen Temperaturen erhalten Können in unpolaren Lösungsmitteln dispergiert werden und bilden stabile Kolloid Lösungen Zusatz von Octadecylamin grenzt die Größenverteilung weiter ein Abstand der Nanostäbchen ~4 nm was der Länge der Alkylkette der Linolsäure entspricht

TEM und HRTEM Aufnahmen Linolsäure : Ethanol 1:1, Octadecylamin, 120° C, Seitenverhältnis >50 Linolsäure : Ethanol 1:4, Octadecylamin, 120° C, Seitenverhältnis 15 - 20 Linolsäure : Ethanol 1:4, Octadecylamin, 180° C, Seitenverhältnis >100 Linolsäure : Ethanol 1:4, Octadecylamin, 90° C, Seitenverhältnis 8-10 Linolsäure : Ethanol 1:4, 120° C, Seitenverhältnis ~5 HRTEM Aufnahmen von C

Hydrophile HAp Nanostäbchen Kein Zusatz von Octadecylamin Niedrigere Temperaturen (80 – 120 °C), ab 180 °C hydrophobe Nanofasern Kann in polaren Lösungsmitteln dispergiert werden und bildet stabile Kolloid Lösungen Zwei Moleküle Linolsäure adsorbieren an der Oberfläche der Nanofasern Schwanz an Schwanz

TEM Aufnahmen hydrophiler Nanostäbchen Linolsäure : Ethanol 1:4, 90° C Linolsäure : Ethanol 1:4, 120° C

IR -und XRD Spektrum a) Hydrophobe Nanostäbchen b) Hydrophile Nanostäbchen

Zusammenfassung Die LSS ermöglicht einen einfachen Zugriff auf eine Vielzahl von funktionalisierten, wohldefinierten Nanokristallen Die Eigenschaften der Nanokristalle lassen sich über die Reaktionsbedingungen weiter modifizieren Über LSS synthetisierte HAp Nanostäbchen könnten zukünftig bei der Herstellung von Knochenersatzmaterial zum Einsatz kommen

Quellenangaben Y. D. Yin, A. P. Alivisatos, “Colloidal nanocrystal synthesis and the organic–inorganic interface“, Nature 2005, 437, 664 X. Wang, j. Zhuang, Q. Peng, Y. D. Li, “A general strategy for nanocrystal synthesis“,Nature 2005, 437, 121 P. D. Yang, “Wires on water“, Nature 2003, 425, 243 A. Tiselius, S. Hjerten, O. Levin, “Protein Chromatography on Calcium Phosphate Columns“, Arch. Biochem. Biophys. 1956, 65, 132 S. V. Dorozhkin, M. Epple, "Biological and medical significance of calcium phosphates", Angewandte Chemie International Edition Englisch 41 (2002) 3130-3146. (Review)