Sonohemijski nanostrukturirani implantati koji poboljšavaju oseointegraciju

Implantati, ortopedske proteze i zubni implantati izrađuju se uglavnom od titana i legura. Sonikacija se koristi za stvaranje nanostrukturiranih površina na metalnim implantatima. Ultrazvučno nanostrukturiranje omogućava modificiranje metalnih površina generiranjem ravnomjerno raspoređenih uzoraka nano veličine na površinama implantata. Ovi nanostrukturirani metalni implantati pokazuju značajno poboljšan rast tkiva i oseointegraciju što dovodi do poboljšanih stopa kliničkog uspjeha.

Ultrazvučno nanostrukturirani implantati za poboljšanu osteointegraciju

Korištenje metala, uključujući titan i legure, preovlađuje u proizvodnji ortopedskih i dentalnih implantata zbog njihovih povoljnih površinskih svojstava, omogućavajući uspostavljanje biokompatibilnog interfejsa s periimplantacijskim tkivima. Kako bi se optimizirale performanse ovih implantata, razvijene su strategije za modifikaciju prirode ovog interfejsa implementacijom nanosmjernih promjena na površini. Takve modifikacije imaju značajan uticaj na kritične aspekte, uključujući adsorpciju proteina, interakcije između ćelija i površine implantata (interakcije ćelija-supstrat), i kasniji razvoj okolnog tkiva. Preciznim projektovanjem ovih promena na nanometarskom nivou, naučnici imaju za cilj da poboljšaju biointegraciju i ukupnu efikasnost implantata, što dovodi do poboljšanih kliničkih rezultata u oblasti implantologije.
 

Protokol za ultrazvučno nanostrukturiranje titanijskih implantata

Nekoliko istraživačkih studija pokazalo je jednostavnu, ali visoko efikasnu nanostrukturu površina titanijuma i legura pomoću ultrazvuka visokog intenziteta. Sonohemijski tretman (tj. ultrazvučni tretman) dovodi do formiranja grubog titanovog sloja spužvaste strukture, što pokazuje da značajno pojačava proliferaciju ćelija.
Strukturiranje površine titanijuma sonohemijskom obradom: Uzorci titanijuma od 20 × 20 × 0,5 mm su prethodno polirani i isprani dejonizovanom vodom, acetonom i etanolom uzastopno kako bi se eliminisali kontaminanti. Nakon toga, titanijumski uzorci su ultrazvučno obrađeni u 5 m rastvoru NaOH koristeći Hielscher ultrasonicator UIP1000hd koji radi na 20 kHz (vidi sliku lijevo). Sonikator je opremljen sonotrodom BS2d22 (površina vrha 3,8 cm2) i pojačivačem B4-1,4, povećavajući radnu amplitudu 1,4 puta. Mehanička amplituda bila je ≈81 μm. Generisani intenzitet je bio 200 W cm−2. Maksimalna ulazna snaga bila je 760 W kao rezultat množenja intenziteta sa prednjom površinom (sa 3,8 cm2) korištene sonotrode BS2d22. Uzorci titanijuma su fiksirani u domaći teflonski držač i tretirani 5 min.
(up. Ulasevich et al., 2020.)
 

Morfologija netaknute površine titanijuma (a), sonohemijski proizvedena titanijum mezoporozna površina (TMS), pogled odozgo i presek (b), i pogled odozgo i poprečni presek titanijumovih nanocevi (TNT) dobijenih elektrohemijskom oksidacijom (c). Na umetcima su prikazane šeme površinskog nanostrukturiranja. Shema koja prikazuje taloženje hidroksiapatita (HA) u pore titanijevog matriksa (df). SEM slike sonohemijskog nanostrukturiranog titanijuma (TMS) i TNT površina sa hemijski deponovanim HA: TMS-HA (g) i TNT-HA (h), respektivno.
(studija i slike: ©Kuvyrkov et al., 2020.)

Mehanizam ultrazvučnog nanostrukturiranja metalnih površina

Ultrazvučna obrada metalnih površina dovodi do mehaničkog jetkanja titanijumskih površina što uzrokuje stvaranje mezoporozne strukture na titanijumu.
Mehanizam ultrazvučnog mehanizma zasniva se na akustičnoj kavitaciji, koja nastaje kada se ultrazvučni talasi niske frekvencije, visokog intenziteta spoje u tečnost. Kada ultrazvuk velike snage putuje kroz tekućinu, generiraju se naizmjenični ciklusi visokog/niskog pritiska. Tokom ciklusa niskog pritiska u tečnosti nastaju sitni vakuumski mehurići, takozvani kavitacioni mehurići. Ovi kavitacijski mjehurići rastu tokom nekoliko ciklusa pritiska sve dok ne mogu apsorbirati daljnju energiju. U ovoj tački maksimalnog rasta mjehurića, kavitacijski mjehur implodira sa nasilnim praskom i stvara mikro-okruženje visoke energije. Energetski gusto polje akustične/ultrazvučne kavitacije karakteriziraju visoki tlakovi i temperaturne razlike koje pokazuju pritiske do 2.000 atm i temperature od cca. 5000 K, brzi mlazovi tečnosti sa brzinama do 280m/sec i udarni talasi. Kada se takva kavitacija dogodi u blizini metalne površine ne javljaju se samo mehaničke sile već i kemijske reakcije.
U tim uvjetima odvijaju se redoks reakcije koje dovode do oksidativnih reakcija i stvaranja sloja titanije. Osim stvaranja reaktivnih vrsta kiseonika (ROS) koje su oksidirale površinu titanijuma, ultrazvučno generisane oksidaciono-redukcione reakcije obezbeđuju efikasno površinsko jetkanje koje rezultira dobijanjem sloja titanijum dioksida debljine 1 μm. To znači da se titan dioksid djelomično otapa u alkalnoj otopini stvarajući pore raspoređene neuredno.
Sonohemijska metoda nudi brzu i svestranu proizvodnju nanostrukturiranih materijala, kako neorganskih tako i organskih, koji su često neostvarivi konvencionalnim metodama. Glavna prednost ove tehnike je da širenje kavitacije stvara velike lokalne temperaturne gradijente u čvrstim materijama, što rezultira materijalima sa poroznim slojem i neuređenim nanostrukturama u sobnim uslovima. Dodatno, vanjsko ultrazvučno zračenje može se koristiti za pokretanje oslobađanja inkapsuliranih biomolekula kroz pore u nanostrukturiranom premazu.
 

Šematski prikaz ćelije za sonikaciju (a), Šematski prikaz procesa strukturiranja površine koji se odvija tokom ultrazvučnog tretmana površine titanijuma u vodenom alkalnom rastvoru (b) i formirane površine (c), fotografija titanijumskih implantata (d): zelenkasti (lijevi uzorak u ruci) je implantat nakon ultrazvučnog tretmana, žućkasti (uzorak se nalazi desno) je nemodificirani implantat.
(studija i slike: ©Kuvyrkov et al., 2020.)

Sonikatori visokih performansi za nanostrukturiranje metalnih površina implantata

Hielscher Ultrasonics nudi čitav niz sonikatora za nano-aplikacije kao što je nanostrukturiranje metalnih površina (npr. titanijum i legure). Ovisno o materijalu, površini i proizvodnom kapacitetu implantata, Hielscher vam nudi idealan sonikator i sonotrodu (sondu) za vašu primjenu nano-strukturiranja.
Jedna od glavnih prednosti Hielscher sonikatora je precizna kontrola amplitude i sposobnost da se isporuče vrlo visoke amplitude u kontinuiranom radu 24/7. Amplituda, koja predstavlja pomak ultrazvučne sonde, odgovorna je za intenzitet ultrazvučne obrade) i stoga je ključni parametar pouzdanog i efikasnog ultrazvučnog tretmana.

Dizajn, proizvodnja i konsalting – Kvaliteta Made in Germany

Hielscher ultrasonicatori su poznati po najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih aparata u industrijske objekte. Hielscher ultrasonikatori lako se nose sa teškim uslovima i zahtevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics je ISO sertifikovana kompanija i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne aparate visokih performansi koji se odlikuju najsavremenijom tehnologijom i lakoćom korišćenja. Naravno, Hielscher ultrasonikatori su usklađeni sa CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoH.

XRD uzorci prevlake od titanije proizvedene termičkom obradom poliranog titanijuma (a) i sonohemijski obrađenog poliranog titanijuma (b); SEM slike polirane površine titanijuma (c) i sonohemijski generisane mezoporozne površine titanijum dioksida (d). Sonikacija je izvedena pomoću sonikatora UIP1000hdT.
(studija i slike: ©Kuvyrkov et al., 2018)