Implantati, ortopedske proteze i zubni implanti napravljeni su uglavnom od titana i legura. Sonikacija se koristi za stvaranje nanostruktuiranih površina na metalnim implantatima. Ultrazvučno nanostrukturiranje omogućava modifikovanje metalnih površina koje generišu ravnomerno raspoređene uzorke nano-veličine na površinama implantata. Ovi nanostrukturni metalni implantati pokazuju značajno poboljšan rast tkiva i oseointegraciju što dovodi do poboljšane stope kliničkog uspjeha.

Ultrazvučni nanostrukturni implantati za poboljšanu oseointegraciju

Upotreba metala, uključujući titanijum i legure, preovlađuje u proizvodnji ortopedskih i zubnih implantata zbog njihovih povoljnih površinskih svojstava, omogućavajući uspostavljanje biokompatibilnog interfejsa sa periimplantnim tkivima. Da bi se optimizovale performanse ovih implantata, razvijene su strategije za modifikovanje prirode ovog interfejsa primenom nanoskalnih promena na površini. Takve modifikacije vrše značajan uticaj na kritične aspekte, uključujući adsorpciju proteina, interakcije između ćelija i površine implantata (interakcije ćelijsko-supstrata) i kasniji razvoj okolnog tkiva. Preciznim inženjeringom ovih promena na nivou nanometara, naučnici imaju za cilj da poboljšaju biointegraciju i ukupnu efikasnost implantata, što dovodi do poboljšanih kliničkih ishoda u oblasti implantologije.
 

Protokol za ultrazvučno nanostrukturiranje titanijumskih implantata

Nekoliko istraživačkih studija pokazalo je jednostavno, ali visoko efikasno nanostrukturiranje površina titana i legure pomoću ultrazvuka visokog intenziteta. Sonohemijski tretman (tj. ultrazvučni tretman) dovodi do formiranja grubog sloja titanije strukture slične sunđeru, što pokazuje značajno povećanje proliferacije ćelija.
Struktura površine titanija putem sonohemijskog tretmana: Uzorci titanija od 20 × 20 × 0,5 mm prethodno su polirani i oprani dejonizovanom vodom, acetonom i etanolom uzastopno kako bi se eliminisali svi zagađivači. Nakon toga, uzorci titanija su ultrazvučno tretirani u 5 m NaOH rastvoru koristeći Hielscher ultrasonicator UIP1000hd koji radi na 20 kHz (vidi sliku lijevo). Sonicator je bio opremljen sonotrodom BS2d22 (površina vrha 3,8 cm2) i busterom B4-1.4, povećavajući radnu amplitudu 1,4 puta. Mehanička amplituda je bila ≈81 μm. Generirani intenzitet bio je 200 W cm−2. Maksimalni unos snage bio je 760 W što je rezultat množenja intenziteta sa frontalnim područjem (sa 3,8 cm2) korištene sonotrode BS2d22.
(cf. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologija netaknute površine titanija (a), sonohemijski proizvedene titanijske mezoporozne površine (TMS) gornjeg pogleda i presjeka (b), te gornjeg pogleda i presjeka titanijskih nanocijevi (TNT) dobijenih elektrohemijskom oksidacijom (c). Insetovi prikazuju sheme površinskog nanostrukturiranja. Shema koja pokazuje taloženje hidroksiapatita (HA) u pore matrice titanije (d-f). SEM slike sonohemijskih nanostruktuiranih titanijumskih (TMS) i TNT površina sa hemijski deponovanim HA: TMS-HA (g) i TNT-HA (h), respektivno.
(studije i slike: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mehanizam ultrazvučnog nanostrukturiranja metalnih površina

Ultrazvučni tretman metalnih površina dovodi do mehaničkog urezivanja površina titanija, što uzrokuje formiranje mezoporozne strukture na titanijumu.
Mehanizam ultrazvučnog mehanizma zasniva se na akustičnoj kavitaciji, koja se javlja kada su ultrazvučni talasi niskog intenziteta spregnuti u tečnost. Kada ultrazvuk velike snage putuje kroz tečnost, nastaju naizmenični ciklusi visokog pritiska / niskog pritiska. Tokom ciklusa niskog pritiska u tečnosti nastaju mali vakuumski mehurići, takozvani kavitacioni mehurići. Ovi mjehurići kavitacije rastu tokom nekoliko ciklusa pritiska sve dok ne mogu apsorbirati daljnju energiju. U ovom trenutku maksimalnog rasta mjehurića, mjehurić kavitacije implodira nasilnim rafalom i stvara visoko energetski gusto mikro okruženje. Energetski gusto polje akustične/ultrazvučne kavitacije karakterišu visoki pritisak i temperaturni diferencijali koji pokazuju pritisak do 2.000 atm i temperature od oko 5.000 K, mlazovi tečnosti velike brzine sa brzinama do 280m/s i udarnim talasima. Kada se takva kavitacija dogodi u blizini metalne površine javljaju se ne samo mehaničke sile, već i hemijske reakcije.
U ovim uvjetima, odvijaju se redoks reakcije koje dovode do oksidativnih reakcija i formiranja sloja titanije. Osim što generiraju reaktivne vrste kisika (ROS) koje su oksidirale površinu titanija, ultrazvučno generirane oksidacijsko-redukcijske reakcije pružaju efikasno graviranje površine koje rezultira dobijanjem sloja titanij-dioksida debljine 1 μm. To znači da se titanij-dioksid djelomično rastvara u alkalnim rastvorima, stvarajući neuredno distribuirane pore.
Sonohemijska metoda nudi brzu i svestranu proizvodnju nanostruktuiranih materijala, kako neorganskih tako i organskih, koji su često nedostižni konvencionalnim metodama. Glavna prednost ove tehnike je u tome što širenje kavitacije generiše velike lokalne temperaturne gradijente u čvrstim materijama, što rezultira materijalima sa poroznim slojem i neuređenim nanostrukturama u sobnim uslovima. Osim toga, vanjsko ultrazvučno zračenje može se koristiti za pokretanje oslobađanja kapsuliranih biomolekula kroz pore u nanostruktuiranom premazu.
 

shematska ilustracija sonične ćelije (a), Shematska ilustracija procesa površinskog strukturiranja koji se odvija tokom ultrazvučnog tretmana površine titanija u vodenom alkalnom rastvoru(b) i formiranoj površini (c), fotografiji titanijumskih implantata (d): zelenkasti (levi uzorak u ruci) se implantira nakon ultrazvučnog tretmana, žućkasti (uzorak se nalazi desno) je nemodifikovan implantat.
(studije i slike: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Sonikatori visokih performansi za nanostruktuiranje metalnih implantata

Hielscher Ultrasonics nudi čitav asortiman zvučnika za nano-aplikacije, kao što je nanostrukturiranje metalnih površina (npr. titanijum i legure). U zavisnosti od materijala, površine i proizvodne propusnosti implantata, Hielscher vam nudi idealan sonicator i sonotrodu (sondu) za nano-strukturnu primenu.
Jedna od glavnih prednosti Hielscher sonicatora je precizna kontrola amplitude i sposobnost isporuke vrlo visokih amplituda u kontinuiranom 24/7 radu. Amplituda, koja je pomak ultrazvučne sonde, odgovorna je za intenzitet sonike) i stoga ključni parametar pouzdanog i efikasnog ultrazvučnog tretmana.

Dizajn, proizvodnja i konsalting – Kvalitet proizveden u Nemačkoj

Hielscher ultrazvučni sistemi su poznati po svojim najvišim standardima kvaliteta i dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnika u industrijske objekte. Teškim uslovima i zahtevnim okruženjima lako upravljaju Hielscher ultrazvučnici.

Hielscher Ultrasonics je ISO sertifikovana kompanija i stavlja poseban naglasak na ultrazvučnike visokih performansi sa najsavremenijom tehnologijom i jednostavnošću upotrebe. Naravno, Hielscher ultrazvučnici su usklađeni sa CE i ispunjavaju zahteve UL, CSA i RoHs.

XRD obrasci premaza titanije proizvedeni termičkom obradom poliranog titanija (a) i sonohemijski obrađenog poliranog titanija (b); SEM slike polirane površine titanija (c) i sonohemijski generirane mezoporozne površine titanij-dioksida (d). Sonication je izveden pomoću sonicatora UIP1000hdT.
(Studija i slike: ©Kuvyrkov et al., 2018)