Implantáty, ortopedické protézy a zubní implantáty jsou vyráběny převážně z titanu a slitin. Sonikace se používá k vytvoření nanostrukturovaných povrchů na kovových implantátech. Ultrazvukové nanostrukturování umožňuje modifikovat kovové povrchy generující rovnoměrně rozložené nano-velké vzory na povrchu implantátů. Tyto nanostrukturované kovové implantáty vykazují výrazně zlepšený růst tkání a oseointegraci, což vede ke zlepšení klinické úspěšnosti.

Ultrazvukem nanostrukturované implantáty pro lepší oseointegraci

Využití kovů, včetně titanu a slitin, převládá při výrobě ortopedických a zubních implantátů díky jejich příznivým povrchovým vlastnostem, které umožňují vytvoření biokompatibilního rozhraní s periimplantačními tkáněmi. Pro optimalizaci výkonu těchto implantátů byly vyvinuty strategie pro změnu povahy tohoto rozhraní implementací změn v nanoměřítku na povrchu. Tyto modifikace mají významný vliv na kritické aspekty, včetně adsorpce proteinů, interakcí mezi buňkami a povrchem implantátu (interakce mezi buňkou a substrátem) a následného vývoje okolní tkáně. Přesným inženýrstvím těchto změn na úrovni nanometrů se vědci snaží zlepšit biointegraci a celkovou účinnost implantátů, což vede ke zlepšení klinických výsledků v oblasti implantologie.
 

Protokol pro ultrazvukové nanostrukturování titanových implantátů

Několik výzkumných studií prokázalo jednoduché, ale vysoce účinné nanostrukturování povrchů titanu a slitin pomocí ultrazvuku s vysokou intenzitou. Sonochemická léčba (tj. ultrazvuková léčba) vede k tvorbě hrubé titanové vrstvy houbovité struktury, která výrazně zvyšuje proliferaci buněk.
Strukturování titanového povrchu sonochemickým ošetřením: Vzorky titanu o velikosti 20 × 20 × 0,5 mm byly předem vyleštěny a promyty deionizovanou vodou, acetonem a ethanolem, aby se odstranily veškeré kontaminanty. Poté byly vzorky titanu ultrazvukem ošetřeny v roztoku 5 m NaOH pomocí Hielscher ultrasonicator UIP1000hd provozovaného při 20 kHz (viz obrázek vlevo). Sonikátor byl vybaven sonotrodou BS2d22 (povrch špičky 3,8 cm2) a posilovačem B4-1,4, který zvětšuje pracovní amplitudu 1,4krát. Mechanická amplituda byla ≈81 μm. Generovaná intenzita byla 200 W cm−2. Maximální příkon byl 760 W vyplývající z vynásobení intenzity čelní plochou (s 3,8 cm2) použité sonotrody BS2d22. Vzorky titanu byly fixovány v domácím teflonovém držáku a ošetřeny po dobu 5 minut.
(srov. Ulasevič et al., 2020)
 

Morfologie původního titanového povrchu (a), sonochemicky vyrobeného titanového mezoporézního povrchu (TMS) shora a průřezu (b) a pohledu shora a průřezu titanových nanotrubic (TNT) získaných elektrochemickou oxidací (c). Vložky ukazují schémata povrchové nanostrukturace. Schéma znázorňující ukládání hydroxyapatitu (HA) do pórů titanové matrice (d-f). SEM snímky sonochemických nanostrukturovaných titanů (TMS) a TNT povrchů s chemicky uloženým HA: TMS-HA (g) a TNT-HA (h).
(studie a obrázky: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mechanismus ultrazvukové nanostrukturování kovových povrchů

Ultrazvuková úprava kovových povrchů vede k mechanickému leptání titanových povrchů, což způsobuje tvorbu mezoporózní struktury na titanu.
Mechanismus ultrazvukového mechanismu je založen na akustické kavitaci, ke které dochází, když jsou nízkofrekvenční ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou spojeny do kapaliny. Když ultrazvuk s vysokým výkonem prochází kapalinou, generují se střídavé vysokotlaké / nízkotlaké cykly. Během nízkotlakých cyklů vznikají v kapalině minutové vakuové bubliny, tzv. Kavitační bubliny. Tyto kavitační bubliny rostou v několika tlakových cyklech, dokud nemohou absorbovat žádnou další energii. V tomto bodě maximálního růstu bubliny se kavitační bublina imploduje s násilným výbuchem a vytváří vysoce energeticky husté mikroprostředí. Energeticky husté pole akustické / ultrazvukové kavitace je charakterizováno vysokými tlakovými a teplotními rozdíly, které vykazují tlaky až 2 000 atm a teplotami cca. 5000 K, vysokorychlostními kapalnými tryskami s rychlostmi až 280 m / s a rázovými vlnami. Když se taková kavitace vyskytuje v blízkosti kovového povrchu, dochází nejen k mechanickým silám, ale také k chemickým reakcím.
Za těchto podmínek probíhají redoxní reakce, které vedou k oxidačním reakcím a tvorbě titanové vrstvy. Kromě generování reaktivních forem kyslíku (ROS), které oxidovaly povrch titanu, ultrazvukem generované oxidačně-redukční reakce poskytují účinné leptání povrchu, které vedou k získání vrstvy oxidu titaničitého o tloušťce 1 μm. To znamená, že oxid titaničitý se částečně rozpouští v alkalickém roztoku, čímž vytváří póry distribuované neuspořádaně.
Sonochemická metoda nabízí rychlou a všestrannou výrobu nanostrukturovaných materiálů, anorganických i organických, které jsou často nedosažitelné konvenčními metodami. Hlavní výhodou této techniky je, že šíření kavitace vytváří velké lokální teplotní gradienty v pevných látkách, což vede k materiálům s porézní vrstvou a neuspořádanými nanostrukturami v pokojových podmínkách. Kromě toho může být externí ultrazvukové ozařování použito ke spuštění uvolňování zapouzdřených biomolekul póry v nanostrukturovaném povlaku.
 

schematické znázornění sonikační buňky (a), Schematické znázornění procesu strukturování povrchu probíhajícího během ultrazvukového ošetření titanového povrchu ve vodném alkalickém roztoku(b) a tvarovaném povrchu (c), fotografie titanových implantátů (d): nazelenalý (levý vzorek v ruce) je implantát po ultrazvukovém ošetření, nažloutlý (vzorek je umístěn vpravo) je nemodifikovaný implantát.
(studie a obrázky: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Vysoce výkonné sonikátory pro nanostrukturování kovových povrchů implantátů

Hielscher Ultrasonics nabízí celou řadu sonicators pro nano-aplikace, jako je nanostrukturování kovových povrchů (např. titan a slitiny). V závislosti na materiálu, ploše povrchu a výrobní propustnosti implantátů vám Hielscher nabízí ideální sonikátor a sonotrodu (sondu) pro aplikaci nanostrukturování.
Jednou z hlavních výhod Hielscher sonicators je přesné řízení amplitudy a schopnost dodávat velmi vysoké amplitudy v nepřetržitém provozu 24/7. Amplituda, která je posunem ultrazvukové sondy, je zodpovědná za intenzitu sonikace), a proto je rozhodujícím parametrem spolehlivého a účinného ultrazvukového ošetření.

Návrh, výroba a poradenství – Kvalita Vyrobeno v Německu

Hielscher ultrasonicators jsou dobře známé pro jejich nejvyšší kvalitu a designové standardy. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrasonicators do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators představovat state-of-the-art technologie a uživatelská přívětivost. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou CE kompatibilní a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

XRD vzory titanového povlaku vyrobeného tepelným zpracováním leštěného titanu (a) a sonochemicky ošetřeného leštěného titanu (b); SEM snímky leštěného titanového povrchu (c) a sonochemicky generovaného mezoporézního povrchu oxidu titaničitého (d). Sonikace byla provedena pomocí sonikátoru UIP1000hdT.
(studie a obrázky: ©Kuvyrkov et al., 2018)