Εμφυτεύματα με νανοδομή διαμορφωμένη με ηχοχημική κατεργασία για βελτιωμένη οστεοενσωμάτωση

Τα εμφυτεύματα, οι ορθοπαιδικές προθέσεις και τα οδοντικά εμφυτεύματα κατασκευάζονται κυρίως από τιτάνιο και κράματα. Η κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται για τη δημιουργία νανοδομημένων επιφανειών σε μεταλλικά εμφυτεύματα. Η νανοδόμηση με υπερήχους επιτρέπει την τροποποίηση των μεταλλικών επιφανειών, δημιουργώντας ομοιόμορφα κατανεμημένα μοτίβα νανομετρικών διαστάσεων στις επιφάνειες των εμφυτευμάτων. Αυτά τα νανοδομημένα μεταλλικά εμφυτεύματα παρουσιάζουν σημαντικά βελτιωμένη ανάπτυξη ιστού και οστεοενσωμάτωση, οδηγώντας σε βελτιωμένα ποσοστά κλινικής επιτυχίας.

Νανοδομημένα εμφυτεύματα με υπερήχους για βελτιωμένη οστεοενσωμάτωση

Η χρήση μετάλλων, συμπεριλαμβανομένου του τιτανίου και των κραμάτων, είναι ευρέως διαδεδομένη στην κατασκευή ορθοπαιδικών και οδοντικών εμφυτευμάτων λόγω των ευνοϊκών επιφανειακών ιδιοτήτων τους, οι οποίες επιτρέπουν τη δημιουργία μιας βιοσυμβατής διεπιφάνειας με τους περιεμφυτευματικούς ιστούς. Για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης αυτών των εμφυτευμάτων, έχουν αναπτυχθεί στρατηγικές τροποποίησης της φύσης αυτής της διεπιφάνειας μέσω αλλαγών στην επιφάνεια σε νανοκλίμακα. Τέτοιες τροποποιήσεις επηρεάζουν σημαντικά κρίσιμες πτυχές, όπως η προσρόφηση πρωτεϊνών, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κυττάρων και της επιφάνειας του εμφυτεύματος (αλληλεπιδράσεις κυττάρου–υποστρώματος) και η επακόλουθη ανάπτυξη του περιβάλλοντος ιστού. Σχεδιάζοντας με ακρίβεια αυτές τις αλλαγές σε επίπεδο νανομέτρων, οι επιστήμονες επιδιώκουν να ενισχύσουν τη βιοενσωμάτωση και τη συνολική αποτελεσματικότητα των εμφυτευμάτων, οδηγώντας σε βελτιωμένα κλινικά αποτελέσματα στον τομέα της εμφυτευματολογίας.
 

Πρωτόκολλο νανοδόμησης εμφυτευμάτων τιτανίου με υπερήχους

Αρκετές ερευνητικές μελέτες έχουν καταδείξει την απλή, αλλά εξαιρετικά αποτελεσματική νανοδόμηση επιφανειών τιτανίου και κραμάτων με τη χρήση υπερήχων υψηλής έντασης. Η ηχοχημική κατεργασία (δηλαδή η κατεργασία με υπερήχους) οδηγεί στον σχηματισμό μιας τραχιάς στιβάδας διοξειδίου του τιτανίου με σπογγώδη δομή, η οποία ενισχύει σημαντικά τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό.
Δόμηση της επιφάνειας του τιτανίου μέσω ηχοχημικής κατεργασίας: Τα δείγματα τιτανίου διαστάσεων 20 × 20 × 0,5 mm είχαν προηγουμένως στιλβωθεί και πλυθεί διαδοχικά με απιονισμένο νερό, ακετόνη και αιθανόλη για την απομάκρυνση τυχόν προσμείξεων. Στη συνέχεια, τα δείγματα τιτανίου υποβλήθηκαν σε κατεργασία με υπερήχους σε διάλυμα NaOH 5 m, χρησιμοποιώντας τον ομογενοποιητή υπερήχων UIP1000hd της Hielscher σε συχνότητα λειτουργίας 20 kHz (βλ. εικόνα αριστερά). Η συσκευή υπερήχων ήταν εξοπλισμένη με το ηχοτρόδιο BS2d22 (εμβαδόν επιφάνειας του άκρου 3,8 cm2) και τον ενισχυτή πλάτους B4-1.4, ο οποίος αύξανε το πλάτος λειτουργίας κατά 1,4 φορές. Το μηχανικό πλάτος ήταν ≈81 μm. Η παραγόμενη ένταση ήταν 200 W cm−2. Η μέγιστη εισαγόμενη ισχύς ήταν 760 W και προέκυπτε από τον πολλαπλασιασμό της έντασης επί το εμβαδόν της μετωπικής επιφάνειας (3,8 cm2) του χρησιμοποιούμενου ηχοτροδίου BS2d22. Τα δείγματα τιτανίου στερεώθηκαν σε μια ιδιοκατασκευασμένη βάση συγκράτησης από Teflon και υποβλήθηκαν σε κατεργασία για 5 min.
(πρβλ. Ulasevich et al., 2020)
 

Μορφολογία της αρχικής επιφάνειας τιτανίου (a), κάτοψη και εγκάρσια τομή της μεσοπορώδους επιφάνειας διοξειδίου του τιτανίου (TMS) που παρασκευάστηκε ηχοχημικά (b), καθώς και κάτοψη και εγκάρσια τομή των νανοσωλήνων διοξειδίου του τιτανίου (TNT) που ελήφθησαν με ηλεκτροχημική οξείδωση (c). Τα ένθετα παρουσιάζουν σχηματικές απεικονίσεις της νανοδόμησης της επιφάνειας. Σχηματική απεικόνιση της εναπόθεσης υδροξυαπατίτη (HA) στους πόρους της μήτρας διοξειδίου του τιτανίου (d–f). Εικόνες SEM των ηχοχημικά νανοδομημένων επιφανειών τιτανίου (TMS) και των επιφανειών TNT με χημικά εναποτεθειμένο HA: TMS-HA (g) και TNT-HA (h), αντίστοιχα.
(μελέτη και εικόνες: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Μηχανισμός νανοδόμησης μεταλλικών επιφανειών με υπερήχους

Η κατεργασία μεταλλικών επιφανειών με υπερήχους οδηγεί σε μηχανική χάραξη των επιφανειών τιτανίου, η οποία προκαλεί τον σχηματισμό μεσοπορώδους δομής στο τιτάνιο.
Ο μηχανισμός της κατεργασίας με υπερήχους βασίζεται στην ακουστική σπηλαίωση, η οποία εμφανίζεται όταν υπερηχητικά κύματα χαμηλής συχνότητας και υψηλής έντασης συζεύγνυνται σε ένα υγρό. Όταν υπέρηχοι υψηλής ισχύος διαδίδονται μέσα σε ένα υγρό, δημιουργούνται εναλλασσόμενοι κύκλοι υψηλής πίεσης / χαμηλής πίεσης. Κατά τους κύκλους χαμηλής πίεσης, εμφανίζονται στο υγρό μικροσκοπικές φυσαλίδες κενού, οι λεγόμενες φυσαλίδες σπηλαίωσης. Αυτές οι φυσαλίδες σπηλαίωσης μεγαλώνουν κατά τη διάρκεια αρκετών κύκλων πίεσης, μέχρι να μην μπορούν να απορροφήσουν επιπλέον ενέργεια. Σε αυτό το σημείο μέγιστης ανάπτυξης, η φυσαλίδα σπηλαίωσης καταρρέει βίαια προς το εσωτερικό της και δημιουργεί ένα μικροπεριβάλλον πολύ υψηλής ενεργειακής πυκνότητας. Το πεδίο υψηλής ενεργειακής πυκνότητας της ακουστικής/υπερηχητικής σπηλαίωσης χαρακτηρίζεται από μεγάλες διαφορές πίεσης και θερμοκρασίας, με πιέσεις έως 2.000atm και θερμοκρασίες περίπου 5000 K, πίδακες υγρού υψηλής ταχύτητας με ταχύτητες έως 280m/sec και κρουστικά κύματα. Όταν τέτοια σπηλαίωση εμφανίζεται κοντά σε μια μεταλλική επιφάνεια, εκτός από μηχανικές δυνάμεις εμφανίζονται και χημικές αντιδράσεις.
Υπό αυτές τις συνθήκες, λαμβάνουν χώρα αντιδράσεις οξειδοαναγωγής που οδηγούν σε οξειδωτικές αντιδράσεις και στον σχηματισμό στρώματος διοξειδίου του τιτανίου. Εκτός από τη δημιουργία δραστικών μορφών οξυγόνου (ROS) που οξείδωσαν την επιφάνεια του τιτανίου, οι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής που προκαλούνται από τους υπερήχους εξασφαλίζουν αποτελεσματική χάραξη της επιφάνειας, με αποτέλεσμα την παραγωγή στρώματος διοξειδίου του τιτανίου πάχους 1 μm. Αυτό σημαίνει ότι το διοξείδιο του τιτανίου διαλύεται εν μέρει σε αλκαλικό διάλυμα, δημιουργώντας πόρους με άτακτη κατανομή.
Η ηχοχημική μέθοδος προσφέρει έναν γρήγορο και ευέλικτο τρόπο παρασκευής νανοδομημένων υλικών, τόσο ανόργανων όσο και οργανικών, τα οποία συχνά δεν μπορούν να παραχθούν με συμβατικές μεθόδους. 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 άτακτες νανοδομές σε συνθήκες δωματίου. Επιπλέον, η εξωτερική ακτινοβόληση με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόκληση της απελευθέρωσης εγκλεισμένων βιομορίων μέσω πόρων στη νανοδομημένη επίστρωση.
 

Σχηματική απεικόνιση της κυψελίδας κατεργασίας με υπερήχους (a), σχηματική απεικόνιση της διαδικασίας διαμόρφωσης της επιφανειακής δομής που λαμβάνει χώρα κατά την κατεργασία μιας επιφάνειας τιτανίου με υπερήχους σε υδατικό αλκαλικό διάλυμα (b) και της επιφάνειας που σχηματίζεται (c), φωτογραφία εμφυτευμάτων τιτανίου (d): το πρασινωπό εμφύτευμα (το αριστερό δείγμα στο χέρι) είναι εμφύτευμα μετά από κατεργασία με υπερήχους, ενώ το κιτρινωπό (το δείγμα που βρίσκεται δεξιά) είναι μη τροποποιημένο εμφύτευμα.
(μελέτη και εικόνες: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για τη νανοδόμηση μεταλλικών επιφανειών εμφυτευμάτων

Η Hielscher Ultrasonics προσφέρει την πλήρη γκάμα συσκευών υπερήχων για εφαρμογές νανοτεχνολογίας, όπως η νανοδόμηση μεταλλικών επιφανειών (π.χ. τιτανίου και κραμάτων). Ανάλογα με το υλικό, το εμβαδόν της επιφάνειας και τον ρυθμό παραγωγής εμφυτευμάτων, η Hielscher σάς προσφέρει την ιδανική συσκευή υπερήχων και το ιδανικό ηχοτρόδιο (ακροδέκτη) για την εφαρμογή νανοδόμησής σας.
Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα των συσκευών υπερήχων της Hielscher είναι ο ακριβής έλεγχος του πλάτους ταλάντωσης και η δυνατότητα παροχής πολύ υψηλών πλατών ταλάντωσης σε συνεχή λειτουργία 24/7. Το πλάτος ταλάντωσης, το οποίο είναι η μετατόπιση του ακροδέκτη υπερήχων, καθορίζει την ένταση της κατεργασίας με υπερήχους) και επομένως αποτελεί κρίσιμη παράμετρο για την αξιόπιστη και αποτελεσματική κατεργασία με υπερήχους.

Σχεδιασμός, κατασκευή και συμβουλευτική – Ποιότητα κατασκευής από τη Γερμανία

Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher είναι γνωστές για τα υψηλότερα πρότυπα ποιότητας και σχεδιασμού τους. Η ανθεκτικότητα και η ευκολία χειρισμού επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των συσκευών υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher ανταποκρίνονται εύκολα σε αντίξοες συνθήκες και απαιτητικά περιβάλλοντα.

Η Hielscher Ultrasonics είναι εταιρεία πιστοποιημένη κατά ISO και δίνει ιδιαίτερη έμφαση σε συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων που διαθέτουν τεχνολογία αιχμής και είναι φιλικές προς τον χρήστη. Φυσικά, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher συμμορφώνονται με τις προδιαγραφές CE και πληρούν τις απαιτήσεις των UL, CSA και RoHs.

Τα διαγράμματα περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) της επικάλυψης διοξειδίου του τιτανίου που παρασκευάστηκε με θερμική κατεργασία στιλβωμένου τιτανίου (a) και στιλβωμένου τιτανίου που υποβλήθηκε σε ηχοχημική κατεργασία (b)· εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) της επιφάνειας στιλβωμένου τιτανίου (c) και της μεσοπορώδους επιφάνειας διοξειδίου του τιτανίου που δημιουργήθηκε ηχοχημικά (d). Η κατεργασία με υπερήχους πραγματοποιήθηκε με τη συσκευή κατεργασίας με υπερήχους UIP1000hdT.
(μελέτη και εικόνες: ©Kuvyrkov et al., 2018)