Сонохимично наноструктурирани импланти, подобряващи остеоинтеграцията

Имплантите, ортопедичните протези и денталните импланти се изработват главно от титан и сплави. Ултразвуковата обработка се използва за създаване на наноструктурирани повърхности върху метални импланти. Ултразвуковото наноструктуриране позволява модифициране на метални повърхности чрез създаване на равномерно разпределени структури с наноразмери върху повърхностите на имплантите. Тези наноструктурирани метални импланти показват значително подобрен растеж на тъканите и остеоинтеграция, което води до по-висока честота на клиничен успех.

Ултразвуково наноструктурирани импланти за подобрена остеоинтеграция

Използването на метали, включително титан и сплави, е широко разпространено при изработването на ортопедични и дентални импланти поради благоприятните им повърхностни свойства, позволяващи създаването на биосъвместима контактна граница с периимплантните тъкани. За оптимизиране на функционирането на тези импланти са разработени стратегии за модифициране на характера на тази контактна граница чрез изменения на повърхността в наномащаб. Такива модификации оказват съществено влияние върху ключови аспекти, включително адсорбцията на протеини, взаимодействията между клетките и повърхността на импланта (взаимодействия клетка–субстрат) и последващото развитие на околната тъкан. Чрез прецизно проектиране на тези изменения на нанометрово ниво учените се стремят да подобрят биоинтеграцията и общата ефективност на имплантите, което води до по-добри клинични резултати в областта на имплантологията.
 

Протокол за ултразвуково наноструктуриране на титанови импланти

Няколко научни изследвания демонстрират простото, но високоефективно наноструктуриране на повърхности от титан и сплави с помощта на ултразвук с висок интензитет. Сонохимичната обработка (т.е. ултразвуковата обработка) води до образуване на грапав слой от титанов диоксид с гъбоподобна структура, който значително подобрява клетъчната пролиферация.
Структуриране на титанова повърхност чрез сонохимична обработка: титановите проби с размери 20 × 20 × 0,5 mm предварително са полирани и последователно измити с дейонизирана вода, ацетон и етанол за отстраняване на всякакви замърсители. След това титановите проби са обработени ултразвуково в разтвор на NaOH с концентрация 5 m с помощта на ултразвуковия апарат Hielscher UIP1000hd, работещ при 20 kHz (вижте снимката вляво). Ултразвуковият апарат е оборудван със сонотрод BS2d22 (площ на повърхността на върха 3,8 cm2) и усилвател B4-1.4, увеличаващ работната амплитуда 1,4 пъти. Механичната амплитуда е ≈81 μm. Генерираният интензитет е 200 W cm−2. Максималната входяща мощност е 760 W, получена чрез умножаване на интензитета по челната площ (3,8 cm2) на използвания сонотрод BS2d22. Титановите проби са закрепени в самоделно изработен тефлонов държач и обработени в продължение на 5 min.
(срв. Ulasevich et al., 2020)
 

Морфология на първоначалната титанова повърхност (a), изглед отгоре и напречно сечение на сонохимично получена мезопореста повърхност от титанов диоксид (TMS) (b) и изглед отгоре и напречно сечение на нанотръбички от титанов диоксид (TNT), получени чрез електрохимично окисление (c). Вмъкнатите изображения показват схемите на наноструктуриране на повърхността. Схема, показваща отлагането на хидроксиапатит (HA) в порите на матрицата от титанов диоксид (d–f). SEM изображения на сонохимично наноструктурираната титанова повърхност (TMS) и повърхността с TNT с химично отложен HA: съответно TMS-HA (g) и TNT-HA (h).
(изследване и изображения: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Механизъм на ултразвуковото наноструктуриране на метални повърхности

Ултразвуковата обработка на метални повърхности води до механично ецване на титановите повърхности, което предизвиква образуването на мезопореста структура върху титана.
Механизмът на ултразвуковата обработка се основава на акустична кавитация, която възниква при предаване на нискочестотни ултразвукови вълни с висок интензитет в течност. Когато ултразвук с висока мощност се разпространява през течност, се генерират редуващи се цикли на високо / ниско налягане. По време на циклите с ниско налягане в течността възникват миниатюрни вакуумни мехурчета, наречени кавитационни мехурчета. Тези кавитационни мехурчета нарастват в продължение на няколко цикъла на налягане, докато повече не могат да поглъщат енергия. В този момент на максимално нарастване кавитационното мехурче имплодира бурно и създава микросреда с много висока енергийна плътност. Полето на акустичната/ултразвуковата кавитация с висока енергийна плътност се характеризира с големи разлики в налягането и температурата, като достига налягания до 2 000atm и температури приблизително 5000 K, високоскоростни течни струи със скорости до 280m/sec и ударни вълни. Когато такава кавитация възникне в близост до метална повърхност, действат не само механични сили, но протичат и химични реакции.
При тези условия протичат окислително-редукционни реакции, водещи до окислителни реакции и образуване на слой от титанов диоксид. Освен че генерират реактивни кислородни видове (ROS), които окисляват титановата повърхност, ултразвуково предизвиканите окислително-редукционни реакции осигуряват ефективно ецване на повърхността, в резултат на което се получава слой от титанов диоксид с дебелина 1 μm. Това означава, че титановият диоксид се разтваря частично в алкален разтвор, като се образуват безпорядъчно разпределени пори.
Сонохимичният метод предлага бърз и универсален подход за получаване на наноструктурирани материали, както неорганични, така и органични, които често не могат да бъдат получени чрез конвенционални методи. Основното предимство на тази техника е, че разпространението на кавитацията генерира големи локални температурни градиенти в твърдите вещества, в резултат на което при стайни условия се получават материали с порест слой и неподредени наноструктури. Освен това външното ултразвуково облъчване може да се използва за предизвикване на освобождаването на капсулирани биомолекули през порите в наноструктурираното покритие.
 

Схематично изображение на клетката за ултразвукова обработка (a), схематично изображение на процеса на структуриране на повърхността, протичащ при ултразвуковата обработка на титанова повърхност във воден алкален разтвор (b), и на образуваната повърхност (c), снимка на титанови импланти (d): зеленикавият (лявата проба в ръката) е имплант след ултразвукова обработка, а жълтеникавият (пробата вдясно) е немодифициран имплант.
(изследване и изображения: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Високопроизводителни ултразвукови апарати за наноструктуриране на повърхности на метални импланти

Hielscher Ultrasonics предлага пълната гама ултразвукови апарати за наноприложения, като наноструктуриране на метални повърхности (напр. титан и сплави). В зависимост от материала, площта на повърхността и производствения капацитет за импланти Hielscher ви предлага идеалния ултразвуков апарат и сонотрод (сонда) за вашето приложение за наноструктуриране.
Едно от основните предимства на ултразвуковите апарати Hielscher е прецизният контрол на амплитудата и способността да осигуряват много високи амплитуди при непрекъсната работа 24/7. Амплитудата, която представлява преместването на ултразвуковата сонда, определя интензитета на ултразвуковата обработка) и следователно е ключов параметър за надеждна и ефективна ултразвукова обработка.

Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни с най-високите си стандарти за качество и проектиране. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Ултразвуковите апарати Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни работни среди.

Hielscher Ultrasonics е компания, сертифицирана по ISO, и поставя специален акцент върху високопроизводителни ултразвукови апарати с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати Hielscher съответстват на CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Рентгенови дифрактограми (XRD) на покритие от титанов диоксид, получено чрез термична обработка на полиран титан (a) и на сонохимично обработен полиран титан (b); SEM изображения на полирана титанова повърхност (c) и на сонохимично получена мезопореста повърхност от титанов диоксид (d). Ултразвуковата обработка е извършена с помощта на ултразвуковия апарат UIP1000hdT.
(изследване и изображения: ©Kuvyrkov et al., 2018)