Implantes nanoestructurados sonoquímicamente que mejoran la osteointegración

Los implantes, las prótesis ortopédicas y los implantes dentales se fabrican principalmente con titanio y aleaciones. La sonicación se utiliza para crear superficies nanoestructuradas en implantes metálicos. La nanoestructuración ultrasónica permite modificar las superficies metálicas generando patrones de tamaño nanométrico distribuidos uniformemente sobre las superficies de los implantes. Estos implantes metálicos nanoestructurados muestran una mejora significativa del crecimiento tisular y de la osteointegración, lo que aumenta las tasas de éxito clínico.

Implantes nanoestructurados por ultrasonidos para mejorar la osteointegración

El uso de metales, incluidos el titanio y las aleaciones, es habitual en la fabricación de implantes ortopédicos y dentales debido a sus propiedades superficiales favorables, que permiten establecer una interfaz biocompatible con los tejidos periimplantarios. Para optimizar el rendimiento de estos implantes, se han desarrollado estrategias que modifican la naturaleza de esta interfaz mediante alteraciones de la superficie a escala nanométrica. Estas modificaciones influyen considerablemente en aspectos fundamentales, como la adsorción de proteínas, las interacciones entre las células y la superficie del implante (interacciones célula-sustrato) y el desarrollo posterior del tejido circundante. Mediante el diseño preciso de estos cambios a escala nanométrica, los científicos buscan mejorar la biointegración y la eficacia global de los implantes, con la consiguiente mejora de los resultados clínicos en implantología.
 

Protocolo de nanoestructuración ultrasónica de implantes de titanio

Diversos estudios de investigación han demostrado que la nanoestructuración de superficies de titanio y aleaciones mediante ultrasonidos de alta intensidad es sencilla y muy eficaz. El tratamiento sonoquímico (es decir, el tratamiento por ultrasonidos) provoca la formación de una capa rugosa de dióxido de titanio con una estructura esponjosa que mejora significativamente la proliferación celular.
Estructuración de la superficie de titanio mediante tratamiento sonoquímico: las muestras de titanio de 20 × 20 × 0,5 mm se pulieron previamente y se lavaron sucesivamente con agua desionizada, acetona y etanol para eliminar cualquier contaminante. A continuación, las muestras de titanio se trataron por ultrasonidos en una solución de NaOH de 5 m utilizando el ultrasonicador UIP1000hd de Hielscher, que funcionaba a 20 kHz (véase la imagen de la izquierda). El sonicador estaba equipado con el sonotrodo BS2d22 (superficie de la punta de 3,8 cm2) y el amplificador de amplitud B4-1.4, que multiplicaba la amplitud de trabajo por 1,4. La amplitud mecánica era de ≈81 μm. La intensidad generada era de 200 W cm−2. La potencia máxima aportada era de 760 W, resultado de multiplicar la intensidad por el área frontal (de 3,8 cm2) del sonotrodo BS2d22 utilizado. Las muestras de titanio se fijaron en un soporte de Teflon de fabricación propia y se trataron durante 5 min.
(véase Ulasevich et al., 2020)
 

Morfología de la superficie de titanio sin tratar (a), vista superior y sección transversal de la superficie mesoporosa de dióxido de titanio (TMS) fabricada sonoquímicamente (b), y vista superior y sección transversal de los nanotubos de dióxido de titanio (TNT) obtenidos mediante oxidación electroquímica (c). Los recuadros muestran los esquemas de la nanoestructuración superficial. Esquema que muestra la deposición de hidroxiapatita (HA) en los poros de la matriz de dióxido de titanio (d–f). Imágenes SEM de las superficies de titanio nanoestructurado sonoquímicamente (TMS) y de TNT con HA depositada químicamente: TMS-HA (g) y TNT-HA (h), respectivamente.
(estudio e imágenes: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mecanismo de nanoestructuración ultrasónica de superficies metálicas

El tratamiento por ultrasonidos de superficies metálicas provoca el grabado mecánico de las superficies de titanio, lo que da lugar a la formación de una estructura mesoporosa sobre el titanio.
El mecanismo del tratamiento ultrasónico se basa en la cavitación acústica, que se produce cuando se acoplan ondas ultrasónicas de baja frecuencia y alta intensidad a un líquido. Cuando los ultrasonidos de alta potencia se propagan por un líquido, se generan ciclos alternos de alta presión / baja presión. Durante los ciclos de baja presión, surgen en el líquido diminutas burbujas de vacío, denominadas burbujas de cavitación. Estas burbujas de cavitación crecen a lo largo de varios ciclos de presión hasta que ya no pueden absorber más energía. En este punto de crecimiento máximo, la burbuja de cavitación implosiona violentamente y crea un microentorno con una densidad energética muy elevada. El campo de alta densidad energética de la cavitación acústica/ultrasónica se caracteriza por grandes diferencias de presión y temperatura, con presiones de hasta 2.000atm y temperaturas de aproximadamente 5000 K, chorros de líquido de alta velocidad que alcanzan hasta 280 m/sec y ondas de choque. Cuando esta cavitación se produce cerca de una superficie metálica, se generan tanto fuerzas mecánicas como reacciones químicas.
En estas condiciones se producen reacciones redox que dan lugar a reacciones de oxidación y a la formación de una capa de dióxido de titanio. Además de generar las especies reactivas de oxígeno (ROS) que oxidan la superficie de titanio, las reacciones de oxidación-reducción generadas por ultrasonidos proporcionan un grabado superficial eficaz que permite obtener una capa de dióxido de titanio de 1 μm de espesor. Esto significa que el dióxido de titanio se disuelve parcialmente en la solución alcalina, generando poros distribuidos de forma desordenada.
El método sonoquímico ofrece una vía rápida y versátil para fabricar materiales nanoestructurados, tanto inorgánicos como orgánicos, que a menudo no pueden obtenerse mediante métodos convencionales. La principal ventaja de esta técnica es que la propagación de la cavitación genera grandes gradientes locales de temperatura en los sólidos, lo que da lugar a materiales con una capa porosa y nanoestructuras desordenadas en condiciones ambientales. Además, la irradiación ultrasónica externa puede utilizarse para desencadenar la liberación de biomoléculas encapsuladas a través de los poros del recubrimiento nanoestructurado.
 

Ilustración esquemática de la celda de sonicación (a), ilustración esquemática del proceso de estructuración superficial que tiene lugar durante el tratamiento por ultrasonidos de una superficie de titanio en una solución alcalina acuosa (b) y de la superficie formada (c), fotografía de implantes de titanio (d): el verdoso (la muestra de la izquierda en la mano) es el implante después del tratamiento por ultrasonidos; el amarillento (la muestra situada a la derecha) es el implante sin modificar.
(estudio e imágenes: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Sonicadores de alto rendimiento para nanoestructurar las superficies de implantes metálicos

Hielscher Ultrasonics ofrece una gama completa de sonicadores para aplicaciones a escala nanométrica, como la nanoestructuración de superficies metálicas (por ejemplo, de titanio y aleaciones). En función del material, de la superficie y de la capacidad de producción de implantes, Hielscher le ofrece el sonicador y el sonotrodo (sonda) ideales para su aplicación de nanoestructuración.
Una de las principales ventajas de los sonicadores de Hielscher es el control preciso de la amplitud y la capacidad de proporcionar amplitudes muy elevadas en funcionamiento continuo 24/7. La amplitud, que es el desplazamiento de la sonda ultrasónica, determina la intensidad de la sonicación y, por tanto, es un parámetro crucial para un tratamiento por ultrasonidos fiable y eficaz.

Diseño, fabricación y asesoramiento – Calidad fabricada en Alemania

Los ultrasonicadores de Hielscher son reconocidos por sus máximos estándares de calidad y diseño. Su robustez y facilidad de manejo permiten integrar nuestros ultrasonicadores sin dificultades en instalaciones industriales. Los ultrasonicadores de Hielscher soportan fácilmente condiciones adversas y entornos exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y hace especial hincapié en los ultrasonicadores de alto rendimiento que incorporan tecnología de última generación y son fáciles de usar. Por supuesto, los ultrasonicadores de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.

Patrones XRD del recubrimiento de dióxido de titanio fabricado mediante tratamiento térmico de titanio pulido (a) y de titanio pulido tratado sonoquímicamente (b); imágenes SEM de la superficie de titanio pulido (c) y de la superficie mesoporosa de dióxido de titanio generada sonoquímicamente (d). La sonicación se realizó utilizando el sonicador UIP1000hdT.
(estudio e imágenes: ©Kuvyrkov et al., 2018)