Sonochemisch nanostrukturierte Implantate zur Verbesserung der Osseointegration

Implantate, orthopädische Prothesen und Zahnimplantate werden hauptsächlich aus Titan und Legierungen hergestellt. Durch Ultraschallbehandlung werden nanostrukturierte Oberflächen auf metallischen Implantaten erzeugt. Die Nanostrukturierung mittels Ultraschall ermöglicht es, metallische Oberflächen zu modifizieren und dabei gleichmäßig verteilte Strukturen im Nanometerbereich auf Implantatoberflächen zu erzeugen. Diese nanostrukturierten metallischen Implantate zeigen ein deutlich verbessertes Gewebewachstum und eine bessere Osseointegration, was zu höheren klinischen Erfolgsraten führt.

Mittels Ultraschall nanostrukturierte Implantate für eine verbesserte Osseointegration

Metalle, darunter Titan und Legierungen, werden aufgrund ihrer günstigen Oberflächeneigenschaften häufig zur Herstellung orthopädischer und dentaler Implantate verwendet. Diese Eigenschaften ermöglichen die Ausbildung einer biokompatiblen Grenzfläche zum periimplantären Gewebe. Um die Leistungsfähigkeit dieser Implantate zu optimieren, wurden Strategien entwickelt, die Beschaffenheit dieser Grenzfläche durch Veränderungen der Oberfläche im Nanometerbereich zu modifizieren. Solche Modifikationen haben einen erheblichen Einfluss auf entscheidende Aspekte, darunter die Proteinadsorption, die Wechselwirkungen zwischen Zellen und der Implantatoberfläche (Zell-Substrat-Wechselwirkungen) sowie die anschließende Entwicklung des umgebenden Gewebes. Durch die präzise Gestaltung dieser Veränderungen im Nanometerbereich streben Wissenschaftler an, die Biointegration und die Gesamtwirksamkeit von Implantaten zu verbessern und dadurch bessere klinische Ergebnisse in der Implantologie zu erzielen.
 

Protokoll zur Nanostrukturierung von Titanimplantaten mittels Ultraschall

Mehrere Forschungsstudien haben die einfache und zugleich hochwirksame Nanostrukturierung von Titan- und Legierungsoberflächen mittels hochintensiven Ultraschalls nachgewiesen. Die sonochemische Behandlung (d. h. Ultraschallbehandlung) führt zur Bildung einer rauen Titandioxidschicht mit schwammartiger Struktur, die die Zellproliferation deutlich verbessert.
Strukturierung der Titanoberfläche durch sonochemische Behandlung: Die Titanproben mit den Abmessungen 20 × 20 × 0,5 mm wurden zuvor poliert und nacheinander mit deionisiertem Wasser, Aceton und Ethanol gewaschen, um sämtliche Verunreinigungen zu entfernen. Anschließend wurden die Titanproben in einer 5 m NaOH-Lösung mit dem Hielscher-Ultraschallgerät UIP1000hd bei 20 kHz behandelt (siehe Bild links). Das Ultraschallgerät war mit der Sonotrode BS2d22 (Fläche der Spitze: 3,8 cm2) und dem Booster B4-1.4 ausgestattet, der die Arbeitsamplitude um den Faktor 1,4 verstärkte. Die mechanische Amplitude betrug ≈81 μm. Die erzeugte Intensität betrug 200 W cm−2. Die maximale eingetragene Leistung betrug 760 W und ergab sich aus der Multiplikation der Intensität mit der Stirnfläche (3,8 cm2) der verwendeten Sonotrode BS2d22. Die Titanproben wurden in einem selbst angefertigten Teflonhalter fixiert und für 5 min behandelt.
(vgl. Ulasevich et al., 2020)
 

Morphologie der unbehandelten Titanoberfläche (a), Draufsicht und Querschnitt der sonochemisch hergestellten mesoporösen Titandioxidoberfläche (TMS) (b) sowie Draufsicht und Querschnitt der durch elektrochemische Oxidation erhaltenen Titandioxidnanoröhren (TNT) (c). Die eingefügten Abbildungen zeigen schematische Darstellungen der Nanostrukturierung der Oberfläche. Schematische Darstellung der Abscheidung von Hydroxylapatit (HA) in den Poren der Titandioxidmatrix (d–f). SEM-Aufnahmen der sonochemisch nanostrukturierten Titanoberfläche (TMS) und der TNT-Oberfläche mit chemisch abgeschiedenem HA: TMS-HA (g) beziehungsweise TNT-HA (h).
(Studie und Bilder: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mechanismus der Nanostrukturierung von Metalloberflächen mittels Ultraschall

Die Ultraschallbehandlung von Metalloberflächen führt zu einem mechanischen Ätzen der Titanoberflächen, wodurch sich eine mesoporöse Struktur auf dem Titan bildet.
Der Mechanismus der Ultraschallbehandlung beruht auf akustischer Kavitation, die entsteht, wenn niederfrequente Ultraschallwellen hoher Intensität in eine Flüssigkeit eingekoppelt werden. Wenn sich Hochleistungsultraschall durch eine Flüssigkeit ausbreitet, entstehen abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen. Während der Niederdruckzyklen bilden sich in der Flüssigkeit winzige Vakuumblasen, sogenannte Kavitationsblasen. Diese Kavitationsblasen wachsen über mehrere Druckzyklen hinweg, bis sie keine weitere Energie mehr aufnehmen können. An diesem Punkt maximalen Blasenwachstums implodiert die Kavitationsblase heftig und erzeugt eine Mikroumgebung mit sehr hoher Energiedichte. Das energiedichte Feld der akustischen beziehungsweise ultraschallinduzierten Kavitation ist durch hohe Druck- und Temperaturunterschiede mit Drücken von bis zu 2.000atm und Temperaturen von etwa 5000 K, Hochgeschwindigkeitsflüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 280m/sec sowie Stoßwellen gekennzeichnet. Wenn eine solche Kavitation in der Nähe einer metallischen Oberfläche auftritt, wirken nicht nur mechanische Kräfte, sondern es finden auch chemische Reaktionen statt.
Unter diesen Bedingungen laufen Redoxreaktionen ab, die zu oxidativen Reaktionen und zur Bildung einer Titandioxidschicht führen. Neben der Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), die die Titanoberfläche oxidieren, bewirken die durch Ultraschall erzeugten Oxidations-Reduktions-Reaktionen eine wirksame Oberflächenätzung, durch die eine 1 μm dicke Titandioxidschicht entsteht. Das bedeutet, dass sich Titandioxid teilweise in der alkalischen Lösung löst, wodurch unregelmäßig verteilte Poren entstehen.
Die sonochemische Methode bietet ein schnelles und vielseitiges Verfahren zur Herstellung nanostrukturierter Materialien, sowohl anorganischer als auch organischer, die mit konventionellen Methoden häufig nicht hergestellt werden können. Der wesentliche Vorteil dieser Technik besteht darin, dass die Ausbreitung der Kavitation große lokale Temperaturgradienten in Festkörpern erzeugt, wodurch unter Raumbedingungen Materialien mit einer porösen Schicht und ungeordneten Nanostrukturen entstehen. Zusätzlich kann die externe Ultraschallbestrahlung genutzt werden, um die Freisetzung eingekapselter Biomoleküle durch Poren in der nanostrukturierten Beschichtung auszulösen.
 

Schematische Darstellung der Beschallungszelle (a), schematische Darstellung des Oberflächenstrukturierungsprozesses während der Ultraschallbehandlung einer Titanoberfläche in wässriger alkalischer Lösung (b) und der entstandenen Oberfläche (c), Foto von Titanimplantaten (d): Das grünliche Implantat (die linke Probe in der Hand) ist das Implantat nach der Ultraschallbehandlung, das gelbliche Implantat (die rechts angeordnete Probe) ist das nicht modifizierte Implantat.
(Studie und Bilder: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Hochleistungsultraschallgeräte zur Nanostrukturierung metallischer Implantatoberflächen

Hielscher Ultrasonics bietet das gesamte Spektrum an Ultraschallgeräten für Nanoanwendungen wie die Nanostrukturierung metallischer Oberflächen (z. B. Titan und Legierungen). Abhängig vom Material, der Oberflächengröße und dem Produktionsdurchsatz der Implantate bietet Ihnen Hielscher das ideale Ultraschallgerät und die ideale Sonotrode für Ihre Nanostrukturierungsanwendung.
Zu den wesentlichen Vorteilen der Ultraschallgeräte von Hielscher gehören die präzise Amplitudenregelung und die Fähigkeit, sehr hohe Amplituden im kontinuierlichen 24/7-Betrieb bereitzustellen. Die Amplitude, also die Auslenkung der Sonotrode, ist für die Beschallungsintensität verantwortlich und damit ein entscheidender Parameter für eine zuverlässige und wirksame Ultraschallbehandlung.

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind für höchste Qualitäts- und Designstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen werden von den Ultraschallgeräten von Hielscher problemlos bewältigt.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf Hochleistungsultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind die Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

XRD-Diffraktogramme der Titandioxidbeschichtung, die durch thermische Behandlung von poliertem Titan (a) und sonochemisch behandeltem poliertem Titan (b) hergestellt wurde; SEM-Aufnahmen der polierten Titanoberfläche (c) und der sonochemisch erzeugten mesoporösen Titandioxidoberfläche (d). Die Ultraschallbehandlung wurde mit dem Ultraschallgerät UIP1000hdT durchgeführt.
(Studie und Bilder: ©Kuvyrkov et al., 2018)