Sonohemijski nanostrukturirani implantati koji poboljšavaju osteointegraciju

Implantati, ortopedske proteze i zubni implantati izrađuju se uglavnom od titanija i legura. Ultrazvučna obrada (sonikacija) koristi se za stvaranje nanostrukturiranih površina na metalnim implantatima. Ultrazvučno nanostrukturiranje omogućava modifikaciju metalnih površina stvaranjem ravnomjerno raspoređenih uzoraka nanometarskih dimenzija na površinama implantata. Ovi nanostrukturirani metalni implantati pokazuju znatno poboljšan rast tkiva i osteointegraciju, što dovodi do poboljšanih stopa kliničkog uspjeha.

Ultrazvučno nanostrukturirani implantati za poboljšanu osteointegraciju

Upotreba metala, uključujući titanij i legure, uobičajena je u izradi ortopedskih i dentalnih implantata zbog njihovih povoljnih površinskih svojstava, koja omogućavaju uspostavljanje biokompatibilne granice s periimplantnim tkivima. Kako bi se optimizirale performanse ovih implantata, razvijene su strategije za izmjenu prirode te granice uvođenjem promjena na nanoskali na površini. Takve modifikacije značajno utječu na ključne aspekte, uključujući adsorpciju proteina, interakcije između ćelija i površine implantata (interakcije ćelija i supstrata) te naknadni razvoj okolnog tkiva. Preciznim oblikovanjem ovih promjena na nanometarskom nivou, naučnici nastoje poboljšati biointegraciju i ukupnu učinkovitost implantata, što vodi boljim kliničkim ishodima u području implantologije.

Protokol za ultrazvučno nanostrukturiranje titanijskih implantata

Nekoliko istraživačkih studija pokazalo je jednostavno, a ipak vrlo učinkovito nanostrukturiranje površina titanija i legura korištenjem ultrazvuka visokog intenziteta. Sonohemijska obrada (tj. obrada ultrazvukom) dovodi do stvaranja hrapavog sloja titanijevog oksida spužvaste strukture, koji pokazuje značajno pojačanu proliferaciju ćelija.
Strukturiranje površine titanija sonohemijskom obradom: Uzorci titanija dimenzija 20 × 20 × 0,5 mm prethodno su polirani i redom oprani deioniziranom vodom, acetonom i etanolom radi uklanjanja svih kontaminanata. Nakon toga, uzorci titanija ultrazvučno su obrađeni u 5 m rastvoru NaOH pomoću Hielscher ultrazvučnog uređaja UIP1000hd koji radi na 20 kHz (vidi sliku lijevo). Sonikator je bio opremljen sonotrodom BS2d22 (površina vrha 3,8 cm2) i bustером B4-1.4, koji povećava radnu amplitudu 1,4 puta. Mehanička amplituda iznosila je ≈81 μm. Generirani intenzitet iznosio je 200 W cm−2. Maksimalna ulazna snaga iznosila je 760 W, što proizlazi iz množenja intenziteta s čeonom površinom (od 3,8 cm2) korištene sonotrode BS2d22. Uzorci titanija bili su učvršćeni u domaćem teflonskom držaču i obrađivani 5 min.
(usp. Ulasevich et al., 2020)

Morfologija netaknute površine titanija (a), sonohemijski izrađena mezoporozna površina titanijevog oksida (TMS), pogled odozgo i poprečni presjek (b), te pogled odozgo i poprečni presjek nanocijevi titanijevog oksida (TNT) dobijenih elektrohemijskom oksidacijom (c). Umetci prikazuju sheme nanostrukturiranja površine. Shema prikazuje taloženje hidroksiapatita (HA) u pore matrice titanijevog oksida (d–f). SEM snimci sonohemijski nanostrukturiranog titanija (TMS) i površina TNT s hemijski deponiranim 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 nagrizanja površina titanija, što uzrokuje stvaranje mezoporozne strukture na titaniju.
Mehanizam ultrazvučne obrade zasniva se na akustičnoj kavitaciji, koja nastaje kada se ultrazvučni talasi niske frekvencije i visokog intenziteta unose u tečnost. Kada ultrazvuk velike snage prolazi kroz tečnost, stvaraju se naizmjenični ciklusi visokog i niskog pritiska. Tokom ciklusa niskog pritiska u tečnosti nastaju sitni vakuumski mjehurići, tzv. kavitacijski mjehurići. Ovi kavitacijski mjehurići rastu kroz nekoliko ciklusa pritiska sve dok ne mogu apsorbirati dodatnu energiju. U toj tački maksimalnog rasta mjehurića, kavitacijski mjehurić implodira snažnim praskom i stvara mikrookruženje velike gustoće energije. Polje akustične/ultrazvučne kavitacije bogato energijom karakteriziraju visoke razlike pritiska i temperature, s pritiscima do 2.000atm i temperaturama od približno 5000 K, mlazevi tečnosti velike brzine s brzinama do 280m/sec te udarni talasi. Kada se takva kavitacija javi u blizini metalne površine, nastaju ne samo mehaničke sile nego i hemijske reakcije.
U tim uvjetima odvijaju se redoks reakcije koje dovode do oksidativnih reakcija i stvaranja sloja titanijevog oksida. Pored stvaranja reaktivnih vrsta kisika (ROS) koje su oksidirale površinu titanija, ultrazvučno generirane oksido-redukcijske reakcije omogućavaju učinkovito nagrizanje površine, čime se dobija sloj titanijevog dioksida debljine 1 μm. To znači da se titanijev dioksid djelimično rastvara u alkalnom rastvoru, stvarajući neuredno raspoređene pore.
Sonohemijska metoda nudi brz i svestran postupak za izradu nanostrukturiranih materijala, i neorganskih i organskih, koji su često nedostižni konvencionalnim metodama. Glavna prednost ove tehnike jest to što širenje kavitacije stvara velike lokalne temperaturne gradijente u čvrstim tvarima, što rezultira materijalima s poroznim slojem i neuređenim nanostrukturama pri sobnim uvjetima. Pored toga, vanjsko ultrazvučno zračenje može se koristiti za pokretanje oslobađanja inkapsuliranih biomolekula kroz pore u nanostrukturiranom premazu.

Shematski prikaz sonikacijske ćelije (a), shematski prikaz procesa strukturiranja površine koji se odvija tokom ultrazvučne obrade površine titanija u vodenom alkalnom rastvoru (b) i formirana površina (c), fotografija titanijskih implantata (d): zelenkasti (lijevi uzorak u ruci) je implantat nakon ultrazvučne obrade, a žućkasti (uzorak desno) je nemodificirani implantat.
(studija i slike: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Visokoučinkoviti sonikatori za nanostrukturiranje površina metalnih implantata

Hielscher Ultrasonics nudi cijeli asortiman sonikatora za nanoprimjene, kao što je nanostrukturiranje metalnih površina (npr. titanija i legura). Ovisno o materijalu, površini i proizvodnom kapacitetu implantata, Hielscher vam nudi idealan sonikator i sonotrodu (sondu) za vašu primjenu nanostrukturiranja.
Jedna od glavnih prednosti Hielscher sonikatora jest precizna kontrola amplitude i mogućnost postizanja vrlo visokih amplituda u neprekidnom radu 24/7. Amplituda, koja predstavlja pomak ultrazvučne sonde, odgovorna je za intenzitet ultrazvučne obrade) i stoga je ključni parametar pouzdane i učinkovite ultrazvučne obrade.

Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvalitet proizveden u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po svom najvišem kvalitetu i standardima dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućavaju neometanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako se nose s teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana kompanija i posebnu pažnju posvećuje visokoučinkovitim ultrazvučnim uređajima s najsavremenijom tehnologijom i jednostavnošću korištenja. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji su u skladu s CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

XRD uzorci premaza titanijevog oksida izrađenog toplinskom obradom poliranog titanija (a) i sonohemijski obrađenog poliranog titanija (b); SEM snimci površine poliranog titanija (c) i sonohemijski stvorene mezoporozne površine titanijevog dioksida (d). Ultrazvučna obrada izvedena je pomoću sonikatora UIP1000hdT.
(studija i slike: ©Kuvyrkov et al., 2018)