Sonochemicky nanostrukturované implantáty zlepšující oseointegraci

Implantáty, ortopedické protézy a zubní implantáty se vyrábějí převážně z titanu a slitin. Sonikace se používá k vytváření nanostrukturovaných povrchů na kovových implantátech. Ultrazvuková nanostrukturace umožňuje modifikovat kovové povrchy a vytvářet na povrchu implantátů rovnoměrně rozložené vzory nanometrové velikosti. Tyto nanostrukturované kovové implantáty vykazují výrazně lepší růst tkáně a oseointegraci, což vede k vyšší míře klinické úspěšnosti.

Ultrazvukově nanostrukturované implantáty pro lepší oseointegraci

Kovy, včetně titanu a slitin, se při výrobě ortopedických a zubních implantátů hojně využívají díky svým příznivým povrchovým vlastnostem, které umožňují vytvoření biokompatibilního rozhraní s periimplantátovými tkáněmi. Pro optimalizaci výkonu těchto implantátů byly vyvinuty strategie, které mění povahu tohoto rozhraní zaváděním změn povrchu v nanoměřítku. Tyto modifikace mají významný vliv na kritické aspekty, včetně adsorpce proteinů, interakcí mezi buňkami a povrchem implantátu (interakce buňka-substrát) a následného vývoje okolní tkáně. Přesným řízením těchto změn na nanometrové úrovni se vědci snaží zlepšit biointegraci a celkovou účinnost implantátů, což vede k lepším klinickým výsledkům v oblasti implantologie.

Protokol ultrazvukové nanostrukturace titanových implantátů

Několik výzkumných studií prokázalo jednoduchou, a přesto vysoce účinnou nanostrukturaci povrchů titanu a slitin pomocí vysoce intenzivního ultrazvuku. Sonochemické zpracování (tj. ošetření ultrazvukem) vede k vytvoření drsné vrstvy oxidu titaničitého s houbovitou strukturou, která výrazně podporuje proliferaci buněk.
Strukturování titanového povrchu sonochemickým zpracováním: Titanové vzorky o rozměrech 20 × 20 × 0,5 mm byly předem vyleštěny a postupně omyty deionizovanou vodou, acetonem a ethanolem, aby se odstranily veškeré nečistoty. Poté byly titanové vzorky ošetřeny ultrazvukem v roztoku 5 m NaOH pomocí ultrazvukového přístroje Hielscher UIP1000hd pracujícího při 20 kHz (viz obrázek vlevo). Sonikátor byl vybaven sonotrodou BS2d22 (plocha špičky 3,8 cm2) a boosterem B4-1.4, který zvětšuje pracovní amplitudu 1,4krát. Mechanická amplituda byla ≈81 μm. Generovaná intenzita činila 200 W cm−2. Maximální příkon 760 W vyplýval z vynásobení intenzity čelní plochou (3,8 cm2) použité sonotrody BS2d22. Titanové vzorky byly upevněny v podomácku vyrobeném teflonovém držáku a ošetřovány po dobu 5 min.
(srov. Ulasevich et al., 2020)

Morfologie původního titanového povrchu (a), sonochemicky vytvořený mezoporézní povrch oxidu titaničitého (TMS) – pohled shora a příčný řez (b) a pohled shora a příčný řez nanotrubicemi oxidu titaničitého (TNT) získanými elektrochemickou oxidací (c). Vložené obrázky znázorňují schémata nanostrukturace povrchu. Schéma znázorňující ukládání hydroxyapatitu (HA) do pórů matrice oxidu titaničitého (d–f). SEM snímky sonochemicky nanostrukturovaného titanu (TMS) a povrchů TNT s chemicky naneseným HA: TMS-HA (g) a TNT-HA (h), v uvedeném pořadí.
(studie a snímky: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mechanismus ultrazvukové nanostrukturace kovových povrchů

Ultrazvukové zpracování kovových povrchů vede k mechanickému leptání titanových povrchů, což způsobuje vznik mezoporézní struktury na titanu.
Mechanismus ultrazvukového působení je založen na akustické kavitaci, ke které dochází, když jsou do kapaliny přenášeny nízkofrekvenční vysoce intenzivní ultrazvukové vlny. Když vysoce výkonný ultrazvuk prochází kapalinou, vznikají střídavé cykly vysokého a nízkého tlaku. Během cyklů nízkého tlaku vznikají v kapalině drobné vakuové bublinky, tzv. kavitační bubliny. Tyto kavitační bubliny rostou v průběhu několika tlakových cyklů, dokud nemohou absorbovat žádnou další energii. V tomto bodě maximálního růstu kavitační bublina prudce imploduje a vytváří mikroprostředí s velmi vysokou hustotou energie. Energeticky husté pole akustické/ultrazvukové kavitace se vyznačuje vysokými tlakovými a teplotními rozdíly s tlaky až 2 000atm a teplotami přibližně 5000 K, vysokorychlostními proudy kapaliny o rychlostech až 280m/sec a rázovými vlnami. Když k takové kavitaci dochází v blízkosti kovového povrchu, působí nejen mechanické síly, ale probíhají i chemické reakce.
Za těchto podmínek probíhají redoxní reakce, které vedou k oxidačním reakcím a tvorbě vrstvy oxidu titaničitého. Kromě vzniku reaktivních forem kyslíku (ROS), které oxidovaly titanový povrch, zajišťují ultrazvukem vyvolané oxidačně-redukční reakce účinné leptání povrchu, jehož výsledkem je vrstva oxidu titaničitého o tloušťce 1 μm. To znamená, že se oxid titaničitý v alkalickém roztoku částečně rozpouští a vytváří neuspořádaně rozmístěné póry.
Sonochemická metoda nabízí rychlý a všestranný způsob výroby nanostrukturovaných materiálů, anorganických i organických, které jsou konvenčními metodami často nedosažitelné. Hlavní výhodou této techniky je, že šíření kavitace vytváří v pevných látkách velké lokální teplotní gradienty, což vede k materiálům s porézní vrstvou a neuspořádanými nanostrukturami za pokojových podmínek. Navíc lze vnější ultrazvukové ozařování využít ke spuštění uvolňování enkapsulovaných biomolekul přes póry v nanostrukturovaném povlaku.

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

Vysoce výkonné sonikátory pro nanostrukturaci povrchů kovových implantátů

Hielscher Ultrasonics nabízí kompletní řadu sonikátorů pro nanoaplikace, jako je nanostrukturace kovových povrchů (např. titanu a slitin). V závislosti na materiálu, ploše povrchu a výrobní kapacitě implantátů vám Hielscher nabídne ideální sonikátor a sonotrodu (sondu) pro vaši aplikaci nanostrukturace.
Jednou z hlavních výhod sonikátorů Hielscher je přesné řízení amplitudy a schopnost dodávat velmi vysoké amplitudy v nepřetržitém provozu 24/7. Amplituda, což je výchylka ultrazvukové sondy, určuje intenzitu sonikace) a je proto zásadním parametrem spolehlivého a účinného ultrazvukového zpracování.

Konstrukce, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou proslulé nejvyššími standardy kvality a konstrukce. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových provozů. Ultrazvukové přístroje Hielscher snadno zvládají drsné podmínky i náročná prostředí.

Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje se špičkovou technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher samozřejmě vyhovují požadavkům CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

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