Сонохимично наноструктурирани импланти, подобряващи остеоинтеграцията

Имплантите, ортопедичните протези и зъбните импланти се изработват предимно от титан и сплави. Соникацията се използва за създаване на наноструктурирани повърхности върху метални импланти. Ултразвуковото наноструктуриране позволява да се модифицират метални повърхности, генерирайки равномерно разпределени наноразмерни шарки върху повърхностите на имплантите. Тези наноструктурирани метални импланти показват значително подобрен растеж на тъканите и остеоинтеграция, което води до подобрен клиничен успех.

Ултразвукови наноструктурирани импланти за подобрена остеоинтеграция

Използването на метали, включително титан и сплави, е широко разпространено при производството на ортопедични и зъбни импланти поради благоприятните им повърхностни свойства, позволяващи установяването на биосъвместим интерфейс с периимплантните тъкани. За да се оптимизира работата на тези импланти, са разработени стратегии за промяна на естеството на този интерфейс чрез прилагане на наноразмерни промени на повърхността. Такива модификации оказват значително влияние върху критични аспекти, включително адсорбция на протеини, взаимодействия между клетките и повърхността на импланта (взаимодействия клетка-субстрат) и последващото развитие на околните тъкани. Чрез прецизно проектиране на тези промени на нанометрово ниво, учените се стремят да подобрят биоинтеграцията и цялостната ефикасност на имплантите, което води до подобрени клинични резултати в областта на имплантологията.
 

Протокол за ултразвуково наноструктуриране на титаниеви импланти

Няколко изследователски проучвания демонстрират простото, но високоефективно наноструктуриране на повърхности от титан и сплави с помощта на ултразвук с висока интензивност. Сонохимичното третиране (т.е. ултразвуково лечение) води до образуването на груб титанов слой с гъба, подобна на гъба, което значително подобрява клетъчната пролиферация.
Структуриране на титановата повърхност чрез сонохимична обработка: Титановите проби от 20 × 20 × 0,5 mm предварително са полирани и измити с дейонизирана вода, ацетон и етанол последователно, за да се елиминират всякакви замърсители. След това титановите проби бяха ултразвуково обработени в 5 m разтвор NaOH с помощта на ултразвуков уред Hielscher UIP1000hd, работещ на 20 kHz (вижте снимката вляво). Ултразвукораздвижителят е оборудван със сонотрод BS2d22 (повърхност на върха 3,8 cm2) и бустер 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 в резултат на умножаването на интензитета с челната площ (с 3,8 cm2) на използвания сонотрод BS2d22. Титановите проби се фиксират в самоделен тефлонов държач и се обработват за 5 минути.
(срв. Ulasevich et al., 2020)
 

Морфология на девствената титаниева повърхност (а), сонохимично произведена титаниева мезопориста повърхност (TMS) отгоре и напречно сечение (b) и изглед отгоре и напречно сечение на титанови нанотръби (TNT), получени чрез електрохимично окисление (c). Вложките показват схемите на повърхностното наноструктуриране. Схема, показваща отлагането на хидроксиапатит (HA) в порите на титаниевата матрица (d-f). SEM изображения на сонохимичните наноструктурирани повърхности на титан (TMS) и TNT с химически отложени HA: TMS-HA (g) и TNT-HA (h), съответно.
(проучване и изображения: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Механизъм на ултразвуково наноструктуриране на метални повърхности

Ултразвуковата обработка на метални повърхности води до механично ецване на титанови повърхности, което причинява образуването на мезопориста структура върху титан.
Механизмът на ултразвуковия механизъм се основава на акустична кавитация, която възниква, когато нискочестотни ултразвукови вълни с висок интензитет са свързани в течност. Когато ултразвукът с висока мощност преминава през течност, се генерират редуващи се цикли с високо / ниско налягане. По време на циклите с ниско налягане в течността възникват малки вакуумни мехурчета, така наречените кавитационни мехурчета. Тези кавитационни мехурчета растат в продължение на няколко цикъла на налягане, докато не могат да абсорбират повече енергия. В тази точка на максимален растеж на мехурчето, кавитационният мехур се взривява със силен спук и създава силно енергийно плътна микросреда. Енергийно плътното поле на акустичната/ултразвуковата кавитация се характеризира с високи разлики в налягането и температурите, показващи налягане до 2,000 атм и температури от около 5000 K, високоскоростни течни струи със скорост до 280 м/сек и ударни вълни. Когато такава кавитация настъпи в близост до метална повърхност, възникват не само механични сили, но и химични реакции.
При тези условия протичат окислително-редукционни реакции, водещи до окислителни реакции и образуване на титаниев слой. Освен генерирането на реактивните кислородни видове (ROS), които окисляват титаниевата повърхност, ултразвуково генерираните реакции на окисление-редукция осигуряват ефективно повърхностно ецване, което води до получаване на слой титанов диоксид с дебелина 1 μm. Това означава, че титановият диоксид се разтваря частично в алкален разтвор, генерирайки порите, разпределени безпорядъчно.
Сонохимичният метод предлага бързо и гъвкаво производство на наноструктурирани материали, както неорганични, така и органични, които често са непостижими чрез конвенционални методи. Основното предимство на тази техника е, че разпространението на кавитацията генерира големи локални температурни градиенти в твърдите тела, което води до материали с порест слой и неподредени наноструктури при стайни условия. Освен това външното ултразвуково облъчване може да се използва за задействане на освобождаването на капсулирани биомолекули през порите в наноструктурирано покритие.
 

Схематична илюстрация на ултразвуковата клетка (а), Схематична илюстрация на процеса на структуриране на повърхността, протичащ по време на ултразвуковата обработка на титаниева повърхност във воден алкален разтвор (б) и оформена повърхност (в), снимка на титанови импланти (г): зеленикавата (лявата проба в ръката) е имплантирана след ултразвукова обработка, жълтеникавата (пробата е разположена вдясно) е немодифициран имплант.
(проучване и изображения: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Високоефективни соникатори за наноструктуриране на метални имплантни повърхности

Hielscher Ultrasonics предлага пълната гама от ултразвукови уреди за наноприложения, като например наноструктуриране на метални повърхности (напр. титан и сплави). В зависимост от материала, повърхността и производствената производителност на имплантите, Hielscher ви предлага идеалния ултразвук и сонотрод (сонда) за вашето приложение за наноструктуриране.
Едно от основните предимства на ултразвуковите уреди Hielscher е прецизният контрол на амплитудата и възможността за осигуряване на много високи амплитуди при непрекъсната работа 24/7. Амплитудата, която е изместването на ултразвуковата сонда, е отговорна за интензивността на ултразвука) и следователно е решаващ параметър за надеждно и ефективно ултразвуково лечение.

Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.

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

XRD моделите на титаново покритие, произведени чрез термична обработка на полиран титан (a) и сонохимично обработен полиран титан (b); SEM изображения на полирана титаниева повърхност (c) и сонохимично генерирана мезопориста повърхност на титанов диоксид (d). Звукът се извършва с помощта на ултразвука UIP1000hdT.
(проучване и изображения: ©Kuvyrkov et al., 2018)