Sonochemisch nanostrukturierte Implantate verbessern die Osseointegration

Implantate, orthopädische Prothesen und Zahnimplantate werden hauptsächlich aus Titan und Legierungen hergestellt. Die Beschallung wird zur Erzeugung nanostrukturierter Oberflächen auf metallischen Implantaten eingesetzt. Mit Hilfe der Ultraschall-Nanostrukturierung lassen sich metallische Oberflächen so verändern, dass auf den Implantatoberflächen gleichmäßig verteilte Muster in Nanogröße entstehen. Diese nanostrukturierten Metallimplantate zeigen ein deutlich verbessertes Gewebewachstum und eine bessere Osseointegration, was zu höheren klinischen Erfolgsraten führt.

Ultraschallnanostrukturierte Implantate zur Verbesserung der Osseointegration

Die Verwendung von Metallen, einschließlich Titan und Legierungen, ist bei der Herstellung von orthopädischen und zahnmedizinischen Implantaten aufgrund ihrer günstigen Oberflächeneigenschaften weit verbreitet und ermöglicht die Schaffung einer biokompatiblen Schnittstelle mit dem periimplantären Gewebe. Um die Leistung dieser Implantate zu optimieren, wurden Strategien entwickelt, um die Beschaffenheit dieser Schnittstelle durch nanoskalige Veränderungen der Oberfläche zu modifizieren. Solche Veränderungen haben einen erheblichen Einfluss auf kritische Aspekte wie die Proteinadsorption, die Wechselwirkungen zwischen Zellen und der Implantatoberfläche (Zell-Substrat-Wechselwirkungen) und die anschließende Entwicklung des umgebenden Gewebes. Durch die präzise Steuerung dieser Veränderungen im Nanometerbereich wollen die Wissenschaftler die Biointegration und die Gesamtwirksamkeit von Implantaten verbessern, was zu besseren klinischen Ergebnissen in der Implantologie führen soll.
 

Protokoll für die Nanostrukturierung von Titanimplantaten mit Ultraschall

Mehrere Forschungsstudien haben die einfache, aber hochwirksame Nanostrukturierung von Titan- und Legierungsoberflächen mit hochintensivem Ultraschall gezeigt. 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 20 × 20 × 0,5 mm großen Titanproben wurden zuvor poliert und nacheinander mit deionisiertem Wasser, Aceton und Ethanol gewaschen, um Verunreinigungen zu entfernen. Anschließend wurden die Titanproben in einer 5 m NaOH-Lösung mit einem Hielscher-Ultraschallgerät UIP1000hd bei 20 kHz mit Ultraschall behandelt (siehe Abbildung links). Der Sonicator war mit der Sonotrode BS2d22 (Oberfläche der Spitze 3,8 cm2) und dem Booster B4-1.4 ausgestattet, der die Arbeitsamplitude um das 1,4-fache vergrößerte. Die mechanische Amplitude betrug ≈81 μm. Die erzeugte Intensität lag bei 200 W cm-2. Die maximale Eingangsleistung betrug 760 W, die sich aus der Multiplikation der Intensität mit der Frontalfläche (3,8 cm2) der verwendeten Sonotrode BS2d22 ergab. Die Titanproben wurden in einem selbstgefertigten Teflonhalter fixiert und 5 Minuten lang behandelt.
(vgl. Ulasevich et al., 2020)
 

Morphologie der ursprünglichen Titanoberfläche (a), sonochemisch hergestellte mesoporöse Titandioxid-Oberfläche (TMS) von oben und im Querschnitt (b) sowie Titandioxid-Nanoröhrchen (TNT) von oben und im Querschnitt, die durch elektrochemische Oxidation erhalten wurden (c). Die Einschübe zeigen die Schemata der Oberflächen-Nanostrukturierung. Schema der Ablagerung von Hydroxylapatit (HA) in den Poren der Titandioxidmatrix (d-f). REM-Bilder der sonochemisch nanostrukturierten Titan- (TMS) und TNT-Oberflächen mit chemisch abgeschiedenem HA: TMS-HA (g) bzw. TNT-HA (h).(Studie und Bilder: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mechanismus der Nanostrukturierung von Metalloberflächen mit Ultraschall

Die Ultraschallbehandlung von Metalloberflächen führt zu einer mechanischen Ätzung von Titanoberflächen, die die Bildung einer mesoporösen Struktur auf Titan bewirkt.
Der Mechanismus des Ultraschallverfahrens beruht auf akustischer Kavitation, die auftritt, wenn niederfrequente Ultraschallwellen hoher Intensität in eine Flüssigkeit eingekoppelt werden. Wenn Hochleistungs-Ultraschall eine Flüssigkeit durchdringt, werden abwechselnde Hoch- und Niederdruckzyklen erzeugt. Während der Niederdruckzyklen entstehen in der Flüssigkeit winzige Vakuumbläschen, so genannte Kavitationsblasen. Diese Kavitationsblasen wachsen über mehrere Druckzyklen, bis sie keine weitere Energie mehr aufnehmen können. An diesem Punkt des maximalen Blasenwachstums implodiert die Kavitationsblase mit einem heftigen Zerplatzen und erzeugt eine hoch energiedichte Mikroumgebung. Das energiedichte Feld der akustischen/Ultraschall-Kavitation ist gekennzeichnet durch hohe Druck- und Temperaturunterschiede mit Drücken von bis zu 2.000atm und Temperaturen von ca. 5000 K, Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 280m/sec und Schockwellen. Wenn solche Kavitation in der Nähe einer metallischen Oberfläche auftritt, treten nicht nur mechanische Kräfte, sondern auch chemische Reaktionen auf.
Unter diesen Bedingungen finden Redoxreaktionen statt, die zu oxidativen Reaktionen und zur Bildung einer Titandioxidschicht führen. Neben der Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), die die Titanoberfläche oxidieren, sorgen die mit Ultraschall erzeugten Oxidations-Reduktions-Reaktionen für eine wirksame Oberflächenätzung, die zu einer Titandioxidschicht von 1 μm Dicke führt. Das bedeutet, dass sich das Titandioxid teilweise in der alkalischen Lösung auflöst und die Poren ungeordnet verteilt werden.
Die sonochemische Methode bietet eine schnelle und vielseitige Möglichkeit zur Herstellung nanostrukturierter Materialien, sowohl anorganischer als auch organischer Art, die mit herkömmlichen Methoden oft nicht erreicht werden können. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass die Ausbreitung der Kavitation große lokale Temperaturgradienten in Festkörpern erzeugt, was zu Materialien mit einer porösen Schicht und ungeordneten Nanostrukturen bei Raumbedingungen führt. Darüber hinaus kann die externe Ultraschallbestrahlung genutzt werden, um die Freisetzung von eingekapselten Biomolekülen durch Poren in nanostrukturierten Beschichtungen auszulösen.
 

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

Hochleistungssonicatoren für die Nanostrukturierung metallischer Implantatoberflächen

Hielscher Ultrasonics bietet das gesamte Spektrum an Schallköpfen für Nano-Anwendungen wie die Nanostrukturierung von metallischen Oberflächen (z.B. Titan und Legierungen). Je nach Material, Oberfläche und Produktionsdurchsatz der Implantate bietet Ihnen Hielscher den idealen Sonicator und Sonotrode (Sonde) für Ihre Nanostrukturierungsanwendung.
Einer der Hauptvorteile der Hielscher-Schallköpfe ist die präzise Amplitudensteuerung und die Fähigkeit, sehr hohe Amplituden im 24/7-Dauerbetrieb zu liefern. Die Amplitude, also die Auslenkung des Ultraschallkopfes, ist verantwortlich für die Beschallungsintensität und damit ein entscheidender Parameter für eine zuverlässige und effektive Ultraschallbehandlung.

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

XRD-Muster der Titandioxid-Beschichtung, die durch thermische Behandlung von poliertem Titan (a) und sonochemisch behandeltem poliertem Titan (b) hergestellt wurde; REM-Bilder der polierten Titanoberfläche (c) und der sonochemisch erzeugten mesoporösen Titandioxidoberfläche (d). Die Beschallung wurde mit dem Sonicator UIP1000hdT durchgeführt.(Studie und Bilder: ©Kuvyrkov et al., 2018)