Sonokemisk nanostrukturerede implantater, der forbedrer osseointegration

Implantater, ortopædiske proteser og tandimplantater er hovedsageligt fremstillet af titanium og legeringer. Sonikering bruges til at skabe nanostrukturerede overflader på metalliske implantater. Ultralyd nanostrukturering gør det muligt at modificere metalliske overflader, der genererer ensartet fordelte mønstre i nanostørrelse 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 fremherskende i fremstillingen af ortopædiske og dentale implantater på grund af deres gunstige overfladeegenskaber, der muliggør etablering af en biokompatibel grænseflade med peri-implantatvæv. For at optimere ydeevnen af disse implantater er der udviklet strategier til at ændre arten af denne grænseflade ved at implementere ændringer i nanoskala på overfladen. Sådanne modifikationer udøver en bemærkelsesværdig 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 biointegrationen og den overordnede effektivitet af implantater, hvilket fører til forbedrede kliniske resultater inden for implantologi.
 

Protokol til ultralydsnanostrukturering af titaniumimplantater

Flere forskningsundersøgelser har demonstreret den enkle, men højeffektive nanostrukturering af titanium- og legeringsoverflader ved hjælp af ultralyd med høj intensitet. Den sonokemiske behandling (dvs. ultralydsbehandling) fører til dannelsen af et groft titani-lag af svampelignende struktur, som viser signifikant forbedrer celleproliferation.
Strukturering af titanoverflade via sonokemisk behandling: Titaniumprøverne på 20 × 20 × 0,5 mm blev tidligere poleret og vasket med deioniseret vand, acetone og ethanol fortløbende for at eliminere eventuelle forurenende stoffer. Bagefter blev titaniumprøver ultralydsbehandlet i 5 m NaOH-opløsning ved hjælp af Hielscher ultralydsapparat UIP1000hd opereret ved 20 kHz (se billedet til venstre). Sonikeren var udstyret med sonotroden BS2d22 (spidsens overfladeareal 3,8 cm2) og boosteren B4-1,4, der forstørrede arbejdsamplituden 1,4 gange. Den mekaniske amplitude var ≈81 μm. Den genererede intensitet var på 200 W cm−2. Den maksimale effekttilførsel var 760 W som følge af multiplikationen af intensiteten med frontarealet (med 3,8 cm2) af den anvendte sonotrode BS2d22.Titanprøverne blev fikseret i en hjemmelavet teflonholder og behandlet i 5 minutter.
(jf. Ulasevich et al., 2020)
 

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

Mekanisme til ultralyd nanostrukturering af metaloverflader

Ultralydsbehandlingen af metaloverflader fører til mekanisk ætsning af titaniumoverflader, hvilket forårsager dannelsen af en mesoporøs struktur på titanium.
Ultralydsmekanismens mekanisme 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 skiftevis højtryks- / lavtrykscyklusser. Under lavtrykscyklusserne små vakuumbobler, såkaldte kavitationsbobler opstår i væsken. Disse kavitationsbobler vokser over flere trykcyklusser, indtil de ikke kan absorbere yderligere energi. På dette tidspunkt med maksimal boblevækst imploderer kavitationsboblen med et voldsomt udbrud og skaber et meget energitæt mikromiljø. Det energitætte felt af akustisk/ultralydskavitation er kendetegnet ved høje tryk- og temperaturforskelle med tryk på op til 2.000 atm og temperaturer på ca. 5000 K, højhastighedsvæsker med hastigheder på op til 280 m / 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 titanilag. Udover at generere de reaktive iltarter (ROS), der oxiderede titanoverfladen, giver ultralydsgenererede oxidationsreduktionsreaktioner effektiv overfladeætsning, der resulterer i opnåelse af titandioxidlaget på 1 μm tykt. Det betyder, at titandioxid opløses delvist i alkalisk opløsning, hvilket genererer porerne fordelt uordnet.
Den sonokemiske metode tilbyder en hurtig og alsidig fremstilling af nanostrukturerede materialer, både uorganiske og organiske, som 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 frigivelse 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 dannet overflade (c), foto af titaniumimplantater (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 sonikere til nanostrukturering af metalliske implantatoverflader

Hielscher Ultrasonics tilbyder hele spektret af sonikere til nano-applikationer såsom nanostrukturering af metalliske overflader (f.eks. Titanium og legeringer). Afhængig af materialet, overfladearealet og produktionsgennemstrømningen af implantater tilbyder Hielscher dig den ideelle soniker og sonotrode (sonde) til din nano-strukturerende applikation.
En af de største fordele ved Hielscher sonikerapparater er den præcise amplitudekontrol 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, produktion og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

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

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

XRD-mønstrene af titania-belægning 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 sonikeren UIP1000hdT.
(studie og billeder: ©Kuvyrkov et al., 2018)