غرسات ذات بنية نانوية مُشكَّلة بالكيمياء الصوتية لتحسين الاندماج العظمي

تُصنع الغرسات والأطراف التعويضية العظمية وغرسات الأسنان أساسًا من التيتانيوم والسبائك. وتُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية لإنشاء أسطح ذات بنية نانوية على الغرسات المعدنية. ويتيح تشكيل البنية النانوية بالموجات فوق الصوتية تعديل الأسطح المعدنية، بحيث تتولد أنماط نانوية الحجم موزعة بانتظام على أسطح الغرسات. وتُظهر هذه الغرسات المعدنية ذات البنية النانوية تحسنًا ملحوظًا في نمو الأنسجة والاندماج العظمي، مما يؤدي إلى تحسين معدلات النجاح السريري.

غرسات ذات بنية نانوية مُشكَّلة بالموجات فوق الصوتية لتحسين الاندماج العظمي

يشيع استخدام المعادن، بما فيها التيتانيوم والسبائك، في تصنيع الغرسات العظمية وغرسات الأسنان نظرًا لخصائص أسطحها الملائمة، التي تتيح إنشاء سطح بيني متوافق حيويًا مع الأنسجة المحيطة بالغرسة. ولتحسين أداء هذه الغرسات، طُوِّرت استراتيجيات لتعديل طبيعة هذا السطح البيني بإحداث تغييرات نانوية المقياس على السطح. وتؤثر هذه التعديلات تأثيرًا ملحوظًا في جوانب أساسية، منها امتزاز البروتينات، والتفاعلات بين الخلايا وسطح الغرسة (تفاعلات الخلايا والركيزة)، والتطور اللاحق للأنسجة المحيطة. ومن خلال هندسة هذه التغييرات على مستوى النانومتر بدقة، يسعى العلماء إلى تعزيز الاندماج الحيوي والفعالية الإجمالية للغرسات، مما يؤدي إلى تحسين النتائج السريرية في مجال علم الغرسات.
 

بروتوكول تشكيل البنية النانوية لغرسات التيتانيوم بالموجات فوق الصوتية

أظهرت عدة دراسات بحثية إمكانية تشكيل بنية نانوية لأسطح التيتانيوم والسبائك بطريقة بسيطة، لكنها عالية الفعالية، باستخدام موجات فوق صوتية عالية الشدة. وتؤدي المعالجة بالكيمياء الصوتية (أي المعالجة بالموجات فوق الصوتية) إلى تكوّن طبقة خشنة من ثاني أكسيد التيتانيوم ذات بنية شبيهة بالإسفنج، تعزز تكاثر الخلايا بدرجة ملحوظة.
تشكيل بنية سطح التيتانيوم عبر المعالجة بالكيمياء الصوتية: صُقلت عينات التيتانيوم ذات الأبعاد 20 × 20 × 0.5 mm مسبقًا، وغُسلت بالماء منزوع الأيونات والأسيتون والإيثانول على التوالي لإزالة أي ملوثات. وبعد ذلك، عولجت عينات التيتانيوم بالموجات فوق الصوتية في محلول NaOH بتركيز 5 m باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hd من Hielscher، الذي شُغِّل عند 20 kHz (انظر الصورة إلى اليسار). وجُهِّز الجهاز بالسونوترود BS2d22 (مساحة سطح الطرف 3.8 cm2) ومعزز السعة B4-1.4، الذي يزيد سعة التشغيل بمقدار 1.4 مرة. وكانت السعة الميكانيكية ≈81 μm. وكانت الشدة المتولدة 200 W cm−2. وبلغت قدرة الإدخال القصوى 760 W، وهي ناتج ضرب الشدة في مساحة الوجه الأمامي (البالغة 3.8 cm2) للسونوترود BS2d22 المستخدم. وثُبِّتت عينات التيتانيوم في حامل من Teflon مُصنَّع محليًا، وعولجت لمدة 5 min.
(راجع Ulasevich et al., 2020)
 

مورفولوجيا سطح التيتانيوم الأصلي (a)، ومنظر علوي ومقطع عرضي لسطح ثاني أكسيد التيتانيوم متوسط المسام المُصنَّع بالكيمياء الصوتية (TMS) (b)، ومنظر علوي ومقطع عرضي للأنابيب النانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم (TNT) الناتجة عن الأكسدة الكهروكيميائية (c). وتُظهر الصور المُدرجة مخططات تشكيل البنية النانوية للسطح. مخطط يوضح ترسيب هيدروكسي أباتيت (HA) داخل مسام مصفوفة ثاني أكسيد التيتانيوم (d-f). صور SEM لسطحي التيتانيوم ذي البنية النانوية المُشكَّلة بالكيمياء الصوتية (TMS) وTNT، مع HA المترسب كيميائيًا: TMS-HA (g) وTNT-HA (h)، على التوالي.
(الدراسة والصور: ©Kuvyrkov et al., 2020)

آلية تشكيل البنية النانوية للأسطح المعدنية بالموجات فوق الصوتية

تؤدي المعالجة بالموجات فوق الصوتية للأسطح المعدنية إلى حفر ميكانيكي لأسطح التيتانيوم، مما يسبب تكوّن بنية متوسطة المسام على التيتانيوم.
تستند آلية المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى التجويف الصوتي، الذي يحدث عند اقتران موجات فوق صوتية منخفضة التردد وعالية الشدة بسائل. وعندما تنتقل موجات فوق صوتية عالية القدرة عبر سائل، تتولد دورات متناوبة من الضغط المرتفع / الضغط المنخفض. وخلال دورات الضغط المنخفض، تنشأ في السائل فقاعات فراغية دقيقة تُسمى فقاعات التجويف. وتنمو هذه الفقاعات على مدى عدة دورات ضغط، حتى تعجز عن امتصاص المزيد من الطاقة. وعند هذه النقطة من النمو الأقصى للفقاعة، تنهار فقاعة التجويف إلى الداخل بانفجار عنيف، وتُنشئ بيئة مجهرية عالية الكثافة الطاقية. ويتسم مجال التجويف الصوتي/فوق الصوتي عالي الكثافة الطاقية بفروق كبيرة في الضغط ودرجة الحرارة، إذ تصل الضغوط إلى 2,000atm ودرجات الحرارة إلى نحو 5000 K، مع نفاثات سائلة عالية السرعة تصل سرعتها إلى 280m/sec وموجات صدمية. وعندما يحدث هذا التجويف بالقرب من سطح معدني، تنشأ قوى ميكانيكية وتحدث كذلك تفاعلات كيميائية.
في هذه الظروف، تحدث تفاعلات أكسدة واختزال تؤدي إلى تفاعلات تأكسدية وتكوّن طبقة من ثاني أكسيد التيتانيوم. وإلى جانب توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) التي أكسدت سطح التيتانيوم، توفر تفاعلات الأكسدة والاختزال المتولدة بالموجات فوق الصوتية حفرًا فعالًا للسطح، ينتج عنه الحصول على طبقة من ثاني أكسيد التيتانيوم بسماكة 1 μm. وهذا يعني أن ثاني أكسيد التيتانيوم يذوب جزئيًا في المحلول القلوي، مولدًا مسامًا موزعة دون انتظام.
توفر طريقة الكيمياء الصوتية وسيلة سريعة ومتعددة الاستخدامات لتصنيع مواد ذات بنية نانوية، غير عضوية وعضوية على حد سواء، يتعذر غالبًا الحصول عليها بالطرق التقليدية. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية في أن انتشار التجويف يولد تدرجات محلية كبيرة في درجة الحرارة داخل المواد الصلبة، مما ينتج مواد ذات طبقة مسامية وبنى نانوية غير منتظمة في ظروف الغرفة. وإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام التشعيع الخارجي بالموجات فوق الصوتية لتحفيز إطلاق الجزيئات الحيوية المُغلَّفة عبر المسام الموجودة في الطلاء ذي البنية النانوية.
 

رسم تخطيطي لخلية المعالجة بالموجات فوق الصوتية (a)، ورسم تخطيطي لعملية تشكيل بنية السطح التي تحدث أثناء معالجة سطح التيتانيوم بالموجات فوق الصوتية في محلول قلوي مائي (b)، والسطح المتكوّن (c)، وصورة لغرسات التيتانيوم (d): الغرسة المائلة إلى الأخضر (العينة اليسرى في اليد) هي الغرسة بعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية، والغرسة المائلة إلى الأصفر (العينة الموجودة على اليمين) هي الغرسة غير المعدلة.
(الدراسة والصور: ©Kuvyrkov et al., 2020)

أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتشكيل البنية النانوية لأسطح الغرسات المعدنية

تقدم Hielscher Ultrasonics المجموعة الكاملة من أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية للتطبيقات النانوية، مثل تشكيل البنية النانوية للأسطح المعدنية (مثل التيتانيوم والسبائك). وبحسب المادة ومساحة السطح ومعدل إنتاج الغرسات، توفر لك Hielscher جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية والسونوترود (المسبار) المثاليين لتطبيقك الخاص بتشكيل البنية النانوية.
من المزايا الرئيسية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher التحكم الدقيق في السعة والقدرة على توفير سعات عالية جدًا أثناء التشغيل المستمر 24/7. والسعة، التي تمثل إزاحة المسبار فوق الصوتي، هي التي تحدد شدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية)، ولذلك تُعد معلمة أساسية لضمان معالجة موثوقة وفعالة بالموجات فوق الصوتية.

التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة مصنوعة في ألمانيا

تشتهر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بأعلى معايير الجودة والتصميم. وتتيح المتانة وسهولة التشغيل دمج أجهزتنا بسلاسة في المنشآت الصناعية. وتتعامل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات ذات المتطلبات العالية.

Hielscher Ultrasonics شركة حاصلة على شهادة ISO، وتولي اهتمامًا خاصًا لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. وبالطبع، تتوافق أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مع CE وتلبي متطلبات UL وCSA وRoHs.

أنماط XRD لطلاء ثاني أكسيد التيتانيوم المُصنَّع بالمعالجة الحرارية للتيتانيوم المصقول (a) والتيتانيوم المصقول المعالَج بالكيمياء الصوتية (b)؛ وصور SEM لسطح التيتانيوم المصقول (c) وسطح ثاني أكسيد التيتانيوم متوسط المسام المتولد بالكيمياء الصوتية (d). أُجريت المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hdT.
(الدراسة والصور: ©Kuvyrkov et al., 2018)