Sonokemisk nanostrukturerede implantater, der forbedrer osseointegrationen

Implantater, ortopædiske proteser og tandimplantater fremstilles hovedsageligt af titan og legeringer. Sonikering bruges til at skabe nanostrukturerede overflader på metalliske implantater. Nanostrukturering med ultralyd gør det muligt at modificere metalliske overflader ved at danne ensartet fordelte mønstre i nanostørrelse på implantatoverflader. Disse nanostrukturerede metalliske implantater udviser betydeligt forbedret vævsvækst og osseointegration, hvilket fører til højere kliniske succesrater.

Ultralydsnanostrukturerede implantater til forbedret osseointegration

Metaller, herunder titan og legeringer, anvendes i vid udstrækning til fremstilling af ortopædiske implantater og tandimplantater på grund af deres gunstige overfladeegenskaber, som muliggør etablering af en biokompatibel grænseflade med vævet omkring implantatet. For at optimere disse implantaters ydeevne er der udviklet strategier til at modificere denne grænseflades karakter ved at foretage ændringer på overfladen i nanoskala. Sådanne modifikationer har en mærkbar indflydelse på kritiske aspekter, herunder proteinadsorption, interaktioner mellem celler og implantatoverfladen (celle-substrat-interaktioner) og den efterfølgende udvikling af det omgivende væv. Ved præcist at udforme disse ændringer på nanometerniveau sigter forskere mod at forbedre implantaternes biointegration og samlede effektivitet, hvilket fører til bedre kliniske resultater inden for implantologi.
 

Protokol for nanostrukturering af titanimplantater med ultralyd

Flere forskningsstudier har demonstreret den enkle, men yderst effektive nanostrukturering af overflader af titan og legeringer ved hjælp af ultralyd med høj intensitet. Den sonokemiske behandling (dvs. ultralydsbehandling) fører til dannelsen af et ru titandioxidlag med en svampelignende struktur, som forbedrer celleproliferationen betydeligt.
Strukturering af en titanoverflade ved sonokemisk behandling: Titanprøverne på 20 × 20 × 0,5 mm blev forinden poleret og vasket med deioniseret vand, acetone og ethanol i denne rækkefølge for at fjerne eventuelle forureninger. Derefter blev titanprøverne ultralydsbehandlet i en opløsning af NaOH på 5 m ved hjælp af ultralydsapparatet UIP1000hd fra Hielscher, der blev drevet ved 20 kHz (se billedet til venstre). Sonikatoren var udstyret med sonotroden BS2d22 (spidsens overfladeareal 3,8 cm2) og boosteren B4-1.4, som forstærkede arbejdsamplituden 1,4 gange. Den mekaniske amplitude var ≈81 μm. Den genererede intensitet var 200 W cm−2. Den maksimale tilførte effekt var 760 W, beregnet ved at multiplicere intensiteten med frontarealet (på 3,8 cm2) af den anvendte sonotrode BS2d22. Titanprøverne blev fastgjort i en hjemmelavet holder af Teflon og behandlet i 5 min.
(jf. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologi af den oprindelige titanoverflade (a), den sonokemisk fremstillede mesoporøse titandioxidoverflade (TMS) set ovenfra og i tværsnit (b) samt titandioxidnanorør (TNT) fremstillet ved elektrokemisk oxidation, set ovenfra og i tværsnit (c). De indsatte figurer viser skematiske fremstillinger af overfladens nanostrukturering. Skematisk fremstilling af aflejringen af hydroxyapatit (HA) i titandioxidmatrixens porer (d–f). SEM-billeder af de sonokemisk nanostrukturerede titanoverflader (TMS) og TNT-overflader med kemisk aflejret HA: henholdsvis TMS-HA (g) og TNT-HA (h).
(studie og billeder: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mekanismen bag nanostrukturering af metaloverflader med ultralyd

Ultralydsbehandlingen af metaloverflader fører til mekanisk ætsning af titanoverflader, hvilket medfører dannelsen af en mesoporøs struktur på titan.
Mekanismen bag ultralydsbehandlingen er baseret på akustisk kavitation, som opstår, når lavfrekvente ultralydsbølger med høj intensitet kobles ind i en væske. Når ultralyd med høj effekt bevæger sig gennem en væske, dannes skiftende højtryks- / lavtrykscyklusser. Under lavtrykscyklusserne opstår meget små vakuumbobler, såkaldte kavitationsbobler, i væsken. Disse kavitationsbobler vokser over flere trykcyklusser, indtil de ikke kan absorbere mere energi. På dette tidspunkt, hvor boblen har nået sin maksimale størrelse, imploderer kavitationsboblen med et voldsomt kollaps og skaber et mikromiljø med meget høj energitæthed. Det energitætte felt fra akustisk kavitation/ultralydskavitation er karakteriseret ved store tryk- og temperaturforskelle med tryk på op til 2.000atm og temperaturer på ca. 5000 K, hurtige væskestråler med hastigheder på op til 280m/sec samt chokbølger. Når sådan kavitation opstår nær en metallisk overflade, forekommer både mekaniske kræfter og kemiske reaktioner.
Under disse betingelser finder redoxreaktioner sted, som fører til oxidative reaktioner og dannelse af et titandioxidlag. Ud over at danne de reaktive iltforbindelser (ROS), der oxiderede titanoverfladen, giver ultralydsgenererede oxidations-reduktionsreaktioner en effektiv overfladeætsning, som resulterer i et titandioxidlag med en tykkelse på 1 μm. Dette betyder, at titandioxid delvist opløses i alkalisk opløsning, hvorved der dannes uordnet fordelte porer.
Den sonokemiske metode tilbyder en hurtig og alsidig fremgangsmåde til fremstilling af nanostrukturerede materialer, både uorganiske og organiske, som ofte ikke kan fremstilles med konventionelle metoder. Den største fordel ved denne teknik er, at udbredelsen af kavitation skaber store lokale temperaturgradienter i faste stoffer, hvilket resulterer i materialer med et porøst lag og uordnede nanostrukturer under rumforhold. Desuden kan ekstern ultralydsbestråling bruges til at udløse frigivelsen af indkapslede biomolekyler gennem porer i en nanostruktureret belægning.
 

Skematisk illustration af sonikeringscellen (a), skematisk illustration af den overfladestruktureringsproces, der finder sted under ultralydsbehandling af en titanoverflade i vandig alkalisk opløsning (b), og den dannede overflade (c), foto af titanimplantater (d): Det grønlige (prøven til venstre i hånden) er et implantat efter ultralydsbehandling, og det gullige (prøven til højre) er et umodificeret implantat.
(studie og billeder: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Højtydende sonikatorer til nanostrukturering af metalliske implantatoverflader

Hielscher Ultrasonics tilbyder det fulde udvalg af sonikatorer til nanoanvendelser såsom nanostrukturering af metalliske overflader (f.eks. titan og legeringer). Afhængigt af implantaternes materiale, overfladeareal og produktionskapacitet tilbyder Hielscher dig den ideelle sonikator og sonotrode (probe) til din nanostruktureringsopgave.
En af de vigtigste fordele ved sonikatorer fra Hielscher er den præcise amplituderegulering og evnen til at levere meget høje amplituder ved kontinuerlig drift 24/7. Amplituden, som er ultralydsprobens forskydning, bestemmer sonikeringsintensiteten) og er derfor en afgørende parameter for pålidelig og effektiv ultralydsbehandling.

Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Ultralydsapparater fra Hielscher er kendt for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør problemfri integration af vores ultralydsapparater i industrielle anlæg. Ultralydsapparater fra Hielscher håndterer uden problemer barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en virksomhed certificeret efter ISO og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Ultralydsapparater fra Hielscher overholder naturligvis CE-kravene og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

XRD-mønstrene for en titandioxidbelægning fremstillet ved termisk behandling af poleret titan (a) og sonokemisk behandlet poleret titan (b); SEM-billeder af en poleret titanoverflade (c) og en sonokemisk fremstillet mesoporøs titandioxidoverflade (d). Sonikeringen blev udført ved hjælp af sonikatoren UIP1000hdT.
(studie og billeder: ©Kuvyrkov et al., 2018)