Sonochemicky nanostrukturované implantáty zlepšující osseointegraci

Implantáty, ortopedické náhrady a zubní implantáty se vyrábějí převážně z titanu a slitin. Sonikace se používá k vytvoření nanostrukturovaných povrchů na kovových implantátech. Ultrazvukové nanostrukturování umožňuje modifikovat kovové povrchy a vytvářet rovnoměrně rozložené vzory nanovelikosti na povrchu implantátů. Tyto nanostrukturované kovové implantáty vykazují významně zlepšený růst tkáně a osseointegraci, což vede ke zlepšení klinické úspěšnosti.

Ultrazvukově nanostrukturované implantáty pro zlepšenou osseointegraci

Při výrobě ortopedických a zubních implantátů převládá použití kovů, včetně titanu a slitin, a to díky jejich příznivým povrchovým vlastnostem, které umožňují vytvoření biokompatibilního rozhraní s periimplantátovými tkáněmi. Pro optimalizaci výkonu těchto implantátů byly vyvinuty strategie pro modifikaci povahy tohoto rozhraní implementací změn na povrchu v nanoměřítku. Takové 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 povede 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. Sonochemické ošetření (tj. ultrazvukové ošetření) vede k vytvoření hrubé vrstvy titanu houbovité struktury, která výrazně zvyšuje buněčnou proliferaci.
Strukturování titanového povrchu sonochemickou úpravou: Vzorky titanu o velikosti 20 × 20 × 0,5 mm byly předtím vyleštěny a následně promyty deionizovanou vodou, acetonem a ethanolem, aby se odstranily veškeré nečistoty. Poté byly vzorky titanu ultrazvukem ošetřeny v 5 m roztoku NaOH pomocí Hielscher ultrasonikátoru UIP1000hd provozovaného při 20 kHz (viz obrázek vlevo). Sonikátor byl vybaven sonotrodou BS2d22 (plocha hrotu 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, což vzniklo znásobením intenzity s čelní plochou (3,8 cm2) použité sonotrody BS2d22. Vzorky titanu byly fixovány v podomácku vyrobeném teflonovém držáku a upravovány po dobu 5 minut.
(srov. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologie nedotčeného titanového povrchu (a), sonochemicky vyrobený mezoporézní povrch titanu (TMS) shora a průřez (b) a pohled shora a průřez titanových nanotrubic (TNT) získaných elektrochemickou oxidací (c). Vložené materiály ukazují schémata povrchového nanostrukturování. Schéma znázorňující depozici hydroxyapatitu (HA) do pórů matrice titanu (d-f). SEM snímky sonochemických nanostrukturovaných povrchů titanu (TMS) a TNT s chemicky deponovaným HA: TMS-HA (g) a TNT-HA (h).
(studie a obrázky: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mechanismus ultrazvukového nanostrukturování kovových povrchů

Ultrazvukové ošetření kovových povrchů vede k mechanickému leptání titanových povrchů, což způsobuje tvorbu mezoporézní struktury na titanu.
Mechanismus ultrazvukového mechanismu je založen na akustické kavitaci, ke které dochází, když jsou ultrazvukové vlny s nízkou frekvencí a vysokou intenzitou spojeny do kapaliny. Když vysoce výkonný ultrazvuk prochází kapalinou, generují se střídavé vysokotlaké / nízkotlaké cykly. Během nízkotlakých cyklů vznikají v kapalině nepatrné vakuové bubliny, tzv. kavitační bubliny. Tyto kavitační bubliny rostou během několika tlakových cyklů, dokud nemohou absorbovat žádnou další energii. V tomto bodě maximálního růstu bublin kavitační bublina imploduje s prudkým výbuchem a vytváří mikroprostředí s vysokou energetickou hustotou. Energeticky husté pole akustické/ultrazvukové kavitace se vyznačuje vysokými tlakovými a teplotními rozdíly vykazujícími tlaky až 2 000 atm a teplotami přibližně 5000 K, vysokorychlostními kapalinovými tryskami s rychlostmi až 280 m/s a rázovými vlnami. Když k takové kavitaci dojde 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 vrstvy titanu. Kromě generování reaktivních forem kyslíku (ROS), které oxidovaly povrch titanu, poskytují ultrazvukem generované oxidačně-redukční reakce účinné leptání povrchu, které vede k získání vrstvy oxidu titaničitého o tloušťce 1 μm. To znamená, že oxid titaničitý se částečně rozpouští v alkalickém roztoku a vytváří neuspořádané póry.
Sonochemická metoda nabízí rychlou a všestrannou možnost pro výrobu nanostrukturovaných materiálů, a to jak anorganických, tak organických, které jsou často nedosažitelné konvenčními metodami. Hlavní výhodou této techniky je, že šíření kavitace generuje velké místní teplotní gradienty v pevných látkách, což vede k materiálům s porézní vrstvou a neuspořádaným nanostrukturám za pokojových podmínek. Kromě toho může být externí ultrazvukové ozáření použito ke spuštění uvolňování zapouzdřených biomolekul prostřednictvím pórů 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 vytvořeného 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 sonikátorů 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 vás nano-strukturování aplikace.
Jednou z hlavních výhod Hielscher sonikátorů je přesné řízení amplitudy a schopnost dodávat velmi vysoké amplitudy v nepřetržitém provozu 24/7. Amplituda, která je posunutím ultrazvukové sondy, je zodpovědná za intenzitu sonikace), a proto je klíčovým parametrem spolehlivé a účinné ultrazvukové léčby.

Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany

Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.

Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

XRD vzory titanového povlaku vyrobeného tepelným zpracováním leštěného titanu (a) a sonochemicky upraveného 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)