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

Ултразвуково наноструктурирани импланти за подобрена остеоинтеграция

Използването на метали, включително титан и сплави, е преобладаващо при производството на ортопедични и зъбни импланти поради техните благоприятни повърхностни свойства, което позволява създаването 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 наномащабни промени на повърхността. Такива модификации оказват значително влияние върху критичните аспекти, включително адсорбцията на протеини, взаимодействията между клетките и повърхността на импланта (взаимодействия клетка-субстрат) и последващото развитие на околните тъкани. Чрез прецизно проектиране на тези промени на ниво нанометър, 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 титанови импланти

Няколко научни изследвания са показали просто, но високо ефективно наноструктуриране на титанови и алуминиеви повърхности, използвайки ултразвук с висока интензивност. Сонохимичната обработка (т.е. ултразвуково лечение) води до образуването на груб титанов слой от гъба-подобна структура, който показва значително повишаване на клетъчната пролиферация.
Структуриране на титанова повърхност чрез сонохимична обработка: Титановите проби от 20 × 20 × 0,5 мм са предварително полирани и измити с дейонизирана вода, ацетон и етанол последователно, за да се елиминират всякакви замърсители. След това, титанов проби са ултразвуково обработени в 5 m NaOH разтвор с помощта на Hielscher ultrasonicator UIP1000hd работи при 20 kHz (виж снимката вляво). Соникаторът е оборудван с издатина BS2d22 (повърхност на върха 3.8 cm2) и бустер B4-1.4, увеличаване на 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 умножението на интензитета с фронталната площ (с 3,8 cm2) на използвания издатина BS2d22. Титановите проби бяха фиксирани в домашен тефлонов държач и обработени за 5 минути.
(срв. Ulasevich et al., 2020)
 

Морфология на девствената титанова повърхност (а), сонохимично произведена мезопореста повърхност на титания (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 титановата матрица (d-f). SEM изображения на сонохимичните наноструктурирани титанови (TMS) и TNT повърхности 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 мезопореста структура върху титан.
Механизмът на ултразвуковия механизъм се основава на акустична кавитация, която се случва, когато нискочестотните ултразвукови вълни с висока интензивност са свързани в течност. Когато ултразвукът с висока мощност пътува през течност, се генерират редуващи се цикли с високо налягане / ниско налягане. По време на циклите с ниско налягане минутни вакуумни мехурчета, така наречените кавитационни мехурчета възникват в течността. Тези кавитационни мехурчета растат в продължение на няколко цикъла на налягане, докато не могат да абсорбират допълнителна енергия. В този момент на максимален растеж на балона, кавитационния балон се разпада с насилствен взрив и създава силно енергийно плътна микросреда. Енергийно плътното поле на акустична / ултразвукова кавитация се характеризира с високи разлики в налягането и температурата, проявяващи налягания до 2000atm и температури от около 5000 K, високоскоростни течности струи със скорости до 280m / sec и ударни вълни. Когато такава кавитация се случва 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 титанов слой. Освен генериране на реактивни кислородни видове (ROS), които окисляват титановата повърхност, ултразвуково генерирани окислително-редукционни реакции осигуряват ефективно повърхностно ецване, което води до получаване на слой от титанов диоксид с дебелина 1 μm. Това означава, че титановият диоксид се разтваря частично в алкален разтвор, генерирайки порите, разпределени безредно.
Сонохимичният метод предлага бърз и гъвкав метод за 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 кавитация генерира големи локални температурни градиенти в твърди вещества, 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 клетката за ултразвук (а), Схематична илюстрация на процеса на структуриране на повърхността, който се извършва по време на ултразвуковата обработка на титанова повърхност във воден алкален разтвор (б) и оформена повърхност (в), снимка на титанови импланти (г): зеленикавият (лявата проба в ръката) се имплантира след ултразвукова обработка, жълтеникавият (пробата се намира вдясно) е немодифициран имплант.
(проучване и изображения: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Високопроизводителни соникатори за наноструктуриране на метални имплантни повърхности

Hielscher Ultrasonics предлага пълната гама от соникатори за нано-приложения като наноструктуриране на метални повърхности (например титан и сплави). В зависимост от материала, повърхността и производителността на производството на импланти, Hielscher ви предлага идеалния ултразвук и издатина (сонда) за вас наноструктуриращо приложение.
Едно от основните предимства на Hielscher соникатори е прецизен контрол на амплитудата и способността да достави много високи амплитуди в непрекъсната 24/7 операция. Амплитудата, която е изместването на ултразвуковата сонда, е отговорна за интензивността на ултразвука) и следователно решаващ параметър на надеждна и ефективна ултразвукова обработка.

Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия

Hielscher ultrasonicators са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват гладкото интегриране на нашите ultrasonicators в промишлени съоръжения. Груби условия и взискателни среди се обработват лесно от Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и постави специален акцент върху високопроизводителни ultrasonicators с участието на най-съвременните технологии и удобство за потребителя. Разбира се, Hielscher ultrasonicators са CE съвместими и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

XRD модели на титаниево покритие, произведени чрез термична обработка на полиран титан (а) и сонохимично обработен полиран титан (б); SEM изображения на полирана титанова повърхност (c) и сонохимично генерирана мезопореста повърхност от титанов диоксид (d). Sonication се извършва с помощта на соникатор UIP1000hdT.
(проучване и изображения: ©Kuvyrkov et al., 2018)