Implantater, ortopædiske proteser og tandimplantater fremstilles hovedsageligt af titanium og legeringer. Sonikering bruges til at skabe nanostrukturerede overflader på metalliske implantater. Ultralyd nanostrukturering gør det muligt at ændre metalliske overflader, der genererer ensartet fordelte nanostørrelsesmønstre på implantatoverflader. Disse nanostrukturerede metalliske implantater viser en signifikant forbedret vævsvækst og osseointegration, hvilket fører til forbedrede kliniske succesrater.

Ultralyd nanostrukturerede implantater til forbedret osseointegration

Anvendelsen af metaller, herunder titanium og legeringer, er udbredt i fremstillingen af ortopædiske og dentale implantater på grund af deres gunstige overfladeegenskaber, hvilket muliggør etablering af en biokompatibel grænseflade med periimplantatvæv. For at optimere ydeevnen af disse implantater er der udviklet strategier til at ændre arten af denne grænseflade ved at implementere nanoskalaændringer på overfladen. Sådanne ændringer udøver en betydelig indflydelse på kritiske aspekter, herunder proteinadsorption, interaktioner mellem celler og implantatoverfladen (celle-substrat-interaktioner) og den efterfølgende udvikling af omgivende væv. Ved præcist at konstruere disse ændringer på nanometerniveau sigter forskere mod at forbedre implantaternes biointegration og samlede effektivitet, hvilket fører til forbedrede kliniske resultater inden for implantologi.
 

Protokol til ultralyd nanostrukturering af titaniumimplantater

Flere forskningsundersøgelser har vist den enkle, men højeffektive nanostrukturering af titanium og legeringsoverflader ved hjælp af ultralyd med høj intensitet. Den sonokemiske behandling (dvs. ultralydbehandling) fører til dannelsen af et groft titanialag af svampelignende struktur, hvilket viser signifikant forbedrer celleproliferationen.
Strukturering af titaniumoverflade via sonokemisk behandling: Titanprøverne på 20 × 20 × 0,5 mm blev tidligere poleret og vasket med deioniseret vand, acetone og ethanol fortløbende for at fjerne forurenende stoffer. Derefter blev titaniumprøver ultralydbehandlet i 5 m NaOH-opløsning ved hjælp af Hielscher ultralydator UIP1000hd opereret ved 20 kHz (se billedet til venstre). Sonikatoren var udstyret med sonotroden BS2d22 (overfladeareal af spidsen 3,8 cm2) og booster B4-1,4, hvilket forstørrer arbejdsamplituden 1,4 gange. Den mekaniske amplitude var ≈81 μm. Den genererede intensitet var på 200 W cm-2. Den maksimale effektindgang var 760 W som følge af multiplikationen af intensiteten med frontarealet (med 3,8 cm2) af den anvendte sonotrode BS2d22. Titaniumprøver blev fikseret i en hjemmelavet teflonholder og behandlet i 5 min.
(jf. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologi af den uberørte titaniumoverflade (a), sonokemisk fremstillet titania mesoporous overflade (TMS) top-view og tværsnit (b) og top-view og tværsnit af titania nanorør (TNT) opnået ved elektrokemisk oxidation (c). Indsatser viser skemaerne for overfladen nanostrukturering. Skema, der viser aflejringen af hydroxyapatit (HA) i porerne i titaniamatrixen (d-f). SEM-billeder af de sonokemiske nanostrukturerede titanium- (TMS) og TNT-overflader med kemisk deponeret HA: TMS-HA (g) og TNT-HA (h).
(undersøgelse og billeder: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mekanisme for ultralyd nanostrukturering af metaloverflader

Ultralydsbehandlingen af metaloverflader fører til mekanisk ætsning af titanoverflader, hvilket forårsager dannelsen af en mesoporøs struktur på titanium.
Mekanismen for ultralydsmekanismen er baseret på akustisk kavitation, som opstår, når lavfrekvente ultralydbølger med høj intensitet kobles til en væske. Når ultralyd med høj effekt bevæger sig gennem en væske, genereres vekslende højtryks- / lavtrykscyklusser. Under lavtrykscyklusserne opstår der små vakuumbobler, såkaldte kavitationsbobler i væsken. Disse kavitationsbobler vokser over flere trykcyklusser, indtil de ikke kan absorbere yderligere energi. På dette tidspunkt med maksimal boblevækst imploderer kavitationsboblen med en voldsom burst og skaber et meget energitæt mikromiljø. Det energitætte felt af akustisk / ultralydkavitation er kendetegnet ved højt tryk og temperaturforskelle, der udviser tryk på op til 2.000atm og temperaturer på ca. 5000 K, højhastighedsvæskestråler med hastigheder på op til 280m / sek og chokbølger. Når en sådan kavitation forekommer nær en metallisk overflade, forekommer ikke kun mekaniske kræfter, men også kemiske reaktioner.
Under disse forhold finder redoxreaktioner sted, hvilket fører til oxidative reaktioner og dannelse af titanialag. Udover at generere de reaktive iltarter (ROS), der oxiderede titanoverfladen, giver ultralydgenererede oxidationsreduktionsreaktioner effektiv overfladeætsning, der resulterer i opnåelse af titandioxidlaget på 1 μm tykt. Dette betyder, at titandioxid opløses delvist i alkalisk opløsning, hvilket genererer porerne fordelt uordnet.
Den sonokemiske metode tilbyder en hurtig og alsidig til fremstilling af nanostrukturerede materialer, både uorganiske og organiske, der ofte er uopnåelige via konventionelle metoder. Den største fordel ved denne teknik er, at udbredelsen af kavitation genererer store lokale temperaturgradienter i faste stoffer, hvilket resulterer i materialer med et porøst lag og uordnede nanostrukturer ved rumforhold. Derudover kan den eksterne ultralydsbestråling bruges til at udløse frigivelsen af indkapslede biomolekyler gennem porer i nanostruktureret belægning.
 

Den skematiske illustration af sonikeringscellen (a), Skematisk illustration af overfladestruktureringsprocessen, der finder sted under ultralydsbehandlingen af en titaniumoverflade i vandig alkalisk opløsning (b) og formet overflade (c), foto af titanimplantater (d): den grønlige (den venstre prøve i hånden) er implantat efter ultralydsbehandling, den gullige (prøven er placeret til højre) er ikke-modificeret implantat.
(undersøgelse og billeder: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Højtydende sonikatorer til nanostrukturering af metalliske implantatoverflader

Hielscher Ultrasonics tilbyder hele spektret af sonikatorer til nano-applikationer såsom nanostrukturering af metalliske overflader (fx titanium og legeringer). Afhængigt af materialet, overfladearealet og produktionsgennemstrømningen af implantater tilbyder Hielscher dig den ideelle sonikator og sonotrode (sonde) til din nanostrukturerende applikation.
En af de største fordele ved Hielscher sonikatorer er den præcise amplitude kontrol og evnen til at levere meget høje amplituder i kontinuerlig 24/7 drift. Amplituden, som er forskydningen af ultralydssonden, er ansvarlig for sonikeringsintensiteten) og derfor en afgørende parameter for pålidelig og effektiv ultralydsbehandling.

Design, fremstilling og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og design standarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydapparater.

Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med state-of-the-art teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

XRD-mønstrene af titaniabelægning fremstillet ved termisk behandling af poleret titanium (a) og sonokemisk behandlet poleret titanium (b); SEM-billeder af poleret titaniumoverflade (c) og sonokemisk genereret mesoporøs titandioxidoverflade (d). Sonikering blev udført ved hjælp af sonikatoren UIP1000hdT.
(undersøgelse og billeder: ©Kuvyrkov et al., 2018)