Ηχοχημικά νανοδομημένα εμφυτεύματα που βελτιώνουν την οστεοενσωμάτωση

Τα εμφυτεύματα, οι ορθοπεδικές προθέσεις και τα οδοντικά εμφυτεύματα κατασκευάζονται κυρίως από τιτάνιο και κράματα. Κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται για τη δημιουργία νανοδομημένων επιφανειών σε μεταλλικά εμφυτεύματα. Υπερήχων νανοδόμηση επιτρέπει την τροποποίηση μεταλλικών επιφανειών δημιουργώντας ομοιόμορφα κατανεμημένα νανο-μεγέθους μοτίβα στις επιφάνειες εμφυτεύματος. Αυτά τα νανοδομημένα μεταλλικά εμφυτεύματα παρουσιάζουν σημαντικά βελτιωμένη ανάπτυξη ιστού και οστεοενσωμάτωση που οδηγεί σε βελτιωμένα ποσοστά κλινικής επιτυχίας.

Υπερηχητικά νανοδομημένα εμφυτεύματα για βελτιωμένη οστεοενσωμάτωση

Η χρήση μετάλλων, συμπεριλαμβανομένου του τιτανίου και των κραμάτων, είναι διαδεδομένη στην κατασκευή ορθοπεδικών και οδοντικών εμφυτευμάτων λόγω των ευνοϊκών επιφανειακών ιδιοτήτων τους, επιτρέποντας τη δημιουργία μιας βιοσυμβατής διεπαφής με περιεμφυτευματικούς ιστούς. Για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης αυτών των εμφυτευμάτων, έχουν αναπτυχθεί στρατηγικές για την τροποποίηση της φύσης αυτής της διεπαφής με την εφαρμογή αλλαγών νανοκλίμακας στην επιφάνεια. Τέτοιες τροποποιήσεις ασκούν αξιοσημείωτη επίδραση σε κρίσιμες πτυχές, συμπεριλαμβανομένης της προσρόφησης πρωτεϊνών, των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των κυττάρων και της επιφάνειας του εμφυτεύματος (αλληλεπιδράσεις κυττάρου-υποστρώματος) και της επακόλουθης ανάπτυξης του περιβάλλοντος ιστού. Με την ακριβή μηχανική αυτών των αλλαγών στο επίπεδο των νανομέτρων, οι επιστήμονες στοχεύουν στην ενίσχυση της βιοολοκλήρωσης και της συνολικής αποτελεσματικότητας των εμφυτευμάτων, οδηγώντας σε βελτιωμένα κλινικά αποτελέσματα στον τομέα της εμφυτευματολογίας.
 

Πρωτόκολλο για υπερηχητική νανοδόμηση εμφυτευμάτων τιτανίου

Αρκετές ερευνητικές μελέτες έχουν αποδείξει την απλή, αλλά υψηλή αποτελεσματική νανοδόμηση επιφανειών τιτανίου και κραμάτων χρησιμοποιώντας υπερήχους υψηλής έντασης. Η sonochemical επεξεργασία (δηλαδή η θεραπεία με υπερήχους) οδηγεί στο σχηματισμό ενός τραχιού στρώματος τιτανίας με δομή που μοιάζει με σφουγγάρι, το οποίο δείχνει ότι ενισχύει σημαντικά τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων.
Δόμηση της επιφάνειας τιτανίου μέσω ηχοχημικής επεξεργασίας: Τα δείγματα τιτανίου 20 × 20 × 0,5 mm είχαν προηγουμένως γυαλιστεί και πλυθεί με απιονισμένο νερό, ακετόνη και αιθανόλη διαδοχικά για την εξάλειψη τυχόν ρύπων. Στη συνέχεια, τα δείγματα τιτανίου υποβλήθηκαν σε υπερηχητική επεξεργασία σε διάλυμα NaOH 5 m χρησιμοποιώντας Hielscher ultrasonicator UIP1000hd που λειτουργεί στα 20 kHz (βλ. εικόνα αριστερά). Ο υπερηχητής ήταν εξοπλισμένος με το sonotrode BS2d22 (επιφάνεια του άκρου 3,8 cm2) και τον ενισχυτή B4-1,4, μεγεθύνοντας το πλάτος εργασίας 1,4 φορές. Το μηχανικό πλάτος ήταν ≈81 μm. Η παραγόμενη ένταση ήταν 200 W cm−2. Η μέγιστη ισχύς εισόδου ήταν 760 W που προέκυψε από τον πολλαπλασιασμό της έντασης με την μετωπική περιοχή (με 3,8 cm2) του χρησιμοποιημένου sonotrode BS2d22. Δείγματα τιτανίου στερεώθηκαν σε αυτοσχέδιο στήριγμα τεφλόν και υποβλήθηκαν σε επεξεργασία για 5 λεπτά.
(πρβλ. Ulasevich et al., 2020)
 

Μορφολογία της παρθένας επιφάνειας τιτανίου (α), υπεροχόψη και διατομή μεσοπορώδους τιτανίας (TMS) (β) και κάτοψη και διατομή νανοσωλήνων τιτανίας (TNT) που λαμβάνονται με ηλεκτροχημική οξείδωση (γ). Τα ένθετα δείχνουν τα σχήματα της επιφανειακής νανοδομής. Σχήμα που δείχνει την εναπόθεση υδροξυαπατίτη (HA) στους πόρους της μήτρας τιτανίας (d-f). Εικόνες SEM των υπερηχοχημικών νανοδομημένων επιφανειών τιτανίου (TMS) και TNT με χημικά εναποτιθέμενα HA: TMS-HA (g) και TNT-HA (h), αντίστοιχα.(μελέτη και εικόνες: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Μηχανισμός υπερήχων νανοδόμηση μεταλλικών επιφανειών

Η υπερηχητική επεξεργασία μεταλλικών επιφανειών οδηγεί σε μηχανική χάραξη επιφανειών τιτανίου, η οποία προκαλεί το σχηματισμό μεσοπορώδους δομής στο τιτάνιο.
Ο μηχανισμός του μηχανισμού υπερήχων βασίζεται στην ακουστική σπηλαίωση, η οποία συμβαίνει όταν τα κύματα υπερήχων χαμηλής συχνότητας, υψηλής έντασης συνδυάζονται σε ένα υγρό. Όταν ο υπέρηχος υψηλής ισχύος ταξιδεύει μέσω ενός υγρού, δημιουργούνται εναλλασσόμενοι κύκλοι υψηλής πίεσης? χαμηλής πίεσης. Κατά τη διάρκεια των κύκλων χαμηλής πίεσης λεπτές φυσαλίδες κενού, οι λεγόμενες φυσαλίδες σπηλαίωσης προκύπτουν στο υγρό. Αυτές οι φυσαλίδες σπηλαίωσης αναπτύσσονται σε αρκετούς κύκλους πίεσης μέχρι να μην μπορούν να απορροφήσουν περαιτέρω ενέργεια. Σε αυτό το σημείο της μέγιστης ανάπτυξης φυσαλίδων, η φυσαλίδα σπηλαίωσης εκρήγνυται με μια βίαιη έκρηξη και δημιουργεί ένα εξαιρετικά ενεργειακά πυκνό μικροπεριβάλλον. Το ενεργειακά πυκνό πεδίο ακουστικής? υπερηχητικής σπηλαίωσης χαρακτηρίζεται από διαφορές υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας που παρουσιάζουν πιέσεις έως 2.000atm και θερμοκρασίες περίπου 5000 K, πίδακες υγρών υψηλής ταχύτητας με ταχύτητες έως 280m? sec και κρουστικά κύματα. Όταν μια τέτοια σπηλαίωση συμβαίνει κοντά σε μια μεταλλική επιφάνεια, δεν συμβαίνουν μόνο μηχανικές δυνάμεις αλλά και χημικές αντιδράσεις.
Σε αυτές τις συνθήκες, λαμβάνουν χώρα οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις που οδηγούν σε οξειδωτικές αντιδράσεις και σχηματισμό στιβάδας τιτανίας. Εκτός από τη δημιουργία των αντιδραστικών ειδών οξυγόνου (ROS) που οξειδώνουν την επιφάνεια του τιτανίου, οι αντιδράσεις οξείδωσης-μείωσης που δημιουργούνται με υπερήχους παρέχουν αποτελεσματική επιφανειακή χάραξη που έχει ως αποτέλεσμα την απόκτηση του στρώματος διοξειδίου του τιτανίου πάχους 1 μm. Αυτό σημαίνει ότι το διοξείδιο του τιτανίου διαλύεται εν μέρει σε αλκαλικό διάλυμα δημιουργώντας τους πόρους που κατανέμονται άτακτα.
Η ηχοχημική μέθοδος προσφέρει μια γρήγορη και ευέλικτη για την κατασκευή νανοδομημένων υλικών, τόσο ανόργανων όσο και οργανικών, που συχνά είναι ανέφικτα μέσω συμβατικών μεθόδων. Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της τεχνικής είναι ότι η διάδοση της σπηλαίωσης δημιουργεί μεγάλες τοπικές βαθμίδες θερμοκρασίας στα στερεά, με αποτέλεσμα υλικά με πορώδες στρώμα και διαταραγμένες νανοδομές σε συνθήκες δωματίου. Επιπλέον, η εξωτερική ακτινοβολία υπερήχων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προκαλέσει την απελευθέρωση ενθυλακωμένων βιομορίων μέσω πόρων σε νανοδομημένη επικάλυψη.
 

Η σχηματική απεικόνιση του κυττάρου υπερήχων (α), Σχηματική απεικόνιση της διαδικασίας δομής επιφάνειας που λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια της υπερηχητικής επεξεργασίας μιας επιφάνειας τιτανίου σε υδατικό αλκαλικό διάλυμα (β) και σχηματισμένη επιφάνεια (γ), φωτογραφία εμφυτευμάτων τιτανίου (δ): το πρασινωπό (το αριστερό δείγμα στο χέρι) εμφυτεύεται μετά από υπερηχητική θεραπεία, το κιτρινωπό (το δείγμα βρίσκεται στα δεξιά) είναι μη τροποποιημένο εμφύτευμα.(μελέτη και εικόνες: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Υπερήχων υψηλής απόδοσης για νανοδόμηση μεταλλικών επιφανειών εμφυτευμάτων

Hielscher Υπέρηχοι προσφέρει το πλήρες φάσμα των υπερήχων για νανο-εφαρμογές, όπως η νανοδομή των μεταλλικών επιφανειών (π.χ. τιτάνιο και κράματα). Ανάλογα με το υλικό, την επιφάνεια και την απόδοση παραγωγής των εμφυτευμάτων, Hielscher σας προσφέρει το ιδανικό υπερήχων και sonotrode (καθετήρα) για σας νανο-δόμηση εφαρμογή.
Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα των υπερήχων Hielscher είναι ο ακριβής έλεγχος πλάτους και η ικανότητα παροχής πολύ υψηλών πλάτους σε συνεχή λειτουργία 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα. Το πλάτος, το οποίο είναι η μετατόπιση του υπερηχητικού καθετήρα, είναι υπεύθυνη για την ένταση υπερήχων) και ως εκ τούτου μια κρίσιμη παράμετρος αξιόπιστης και αποτελεσματικής θεραπείας με υπερήχους.

Σχεδιασμός, Κατασκευή και Συμβουλευτική – Ποιότητα Made in Germany

Hielscher υπερήχων είναι γνωστή για την υψηλότερη ποιότητα και τα πρότυπα σχεδιασμού τους. Η ευρωστία και η εύκολη λειτουργία επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι σκληρές συνθήκες και τα απαιτητικά περιβάλλοντα αντιμετωπίζονται εύκολα από τους υπερήχους Hielscher.

Hielscher Υπέρηχοι είναι μια πιστοποιημένη εταιρεία ISO και δίνουν ιδιαίτερη έμφαση σε υψηλής απόδοσης υπερήχων που διαθέτουν state-of-the-art τεχνολογία και φιλικότητα προς το χρήστη. Φυσικά, Hielscher υπερήχων είναι CE συμβατό και πληρούν τις απαιτήσεις των UL, CSA και RoHs.

Τα σχέδια XRD της επίστρωσης τιτανίου που κατασκευάζονται με θερμική επεξεργασία στιλβωμένου τιτανίου (α) και ηχοχημικά επεξεργασμένου στιλβωμένου τιτανίου (β)· Εικόνες SEM γυαλισμένης επιφάνειας τιτανίου (c) και ηχοχημικά παραγόμενης μεσοπορώδους επιφάνειας διοξειδίου του τιτανίου (d). Κατεργασία με υπερήχους πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τον υπερηχητή UIP1000hdT.(μελέτη και εικόνες: ©Kuvyrkov et al., 2018)