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 en las superficies de los implantes. Estos implantes metálicos nanoestructurados muestran una mejora significativa del crecimiento tisular y la osteointegración, lo que se traduce en mejores tasas de éxito clínico.

Implantes nanoestructurados por ultrasonidos para mejorar la osteointegración

La utilización de metales, incluidos el titanio y las aleaciones, es frecuente en la fabricación de implantes ortopédicos y dentales debido a sus favorables propiedades superficiales, que permiten establecer una interfaz biocompatible con los tejidos periimplantarios. Para optimizar el rendimiento de estos implantes, se han desarrollado estrategias para modificar la naturaleza de esta interfaz mediante la aplicación de alteraciones a nanoescala en la superficie. Tales modificaciones ejercen una notable influencia en aspectos críticos, como la adsorción de proteínas, las interacciones entre las células y la superficie del implante (interacciones célula-sustrato) y el posterior desarrollo del tejido circundante. Mediante la ingeniería precisa de estos cambios a nivel nanométrico, los científicos pretenden mejorar la biointegración y la eficacia general de los implantes, con la consiguiente mejora de los resultados clínicos en el campo de la implantología.
 

Protocolo de nanoestructuración ultrasónica de implantes de titanio

Varios estudios de investigación han demostrado la sencilla pero muy eficaz nanoestructuración de superficies de titanio y aleaciones mediante ultrasonidos de alta intensidad. El tratamiento sonoquímico (es decir, el tratamiento con ultrasonidos) conduce a la formación de una capa rugosa de titanio de estructura esponjosa, que muestra una mejora significativa de 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 con agua desionizada, acetona y etanol consecutivamente para eliminar cualquier contaminante. A continuación, las muestras de titanio se trataron con 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 3,8 cm2) y el booster B4-1,4, que aumentaba la amplitud de trabajo 1,4 veces. La amplitud mecánica fue de ≈81 μm. La intensidad generada fue de 200 W cm-2. La potencia máxima de entrada fue de 760 W resultante de la multiplicación de la intensidad por el área frontal (con 3,8 cm2) del sonotrodo BS2d22 utilizado. Las muestras de titanio se fijaron en un soporte casero de teflón y se trataron durante 5 min.
(cf. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfología de la superficie de titanio prístina (a), vista superior y sección transversal de la superficie mesoporosa de titania (TMS) fabricada sonoquímicamente (b), y vista superior y sección transversal de los nanotubos de titania (TNT) obtenidos por 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 titania (d-f). Imágenes SEM de las superficies de titanio (TMS) y TNT nanoestructuradas por métodos sonoquímicos 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 ultrasónico de las superficies metálicas produce un grabado mecánico de las superficies de titanio que provoca la formación de una estructura mesoporosa en el titanio.
El mecanismo de los ultrasonidos se basa en la cavitación acústica, que se produce cuando ondas ultrasónicas de baja frecuencia y alta intensidad se acoplan en un líquido. Cuando los ultrasonidos de alta potencia atraviesan un líquido, se generan ciclos alternos de alta y baja presión. Durante los ciclos de baja presión surgen en el líquido diminutas burbujas de vacío, las llamadas 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 máximo crecimiento de la burbuja, la burbuja de cavitación implosiona con un estallido violento y crea un microentorno de alta densidad energética. El campo de alta densidad energética de la cavitación acústica/ultrasónica se caracteriza por elevados diferenciales de presión y temperatura, con presiones de hasta 2.000 atm y temperaturas de aproximadamente 5.000 K, chorros de líquido de alta velocidad con velocidades de hasta 280 m/s y ondas de choque. Cuando se produce este tipo de cavitación cerca de una superficie metálica, no sólo se producen fuerzas mecánicas, sino también reacciones químicas.
En estas condiciones, se producen reacciones redox que dan lugar a reacciones oxidativas y a la formación de la capa 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 da lugar a la obtención de la 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 los poros distribuidos desordenadamente.
El método sonoquímico ofrece una vía rápida y versátil para la fabricación de materiales nanoestructurados, tanto inorgánicos como orgánicos, que a menudo son inalcanzables por 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 externa de ultrasonidos puede utilizarse para desencadenar la liberación de biomoléculas encapsuladas a través de los poros del recubrimiento nanoestructurado.
 

Ilustración esquemática de la célula de sonicación (a), ilustración esquemática del proceso de estructuración de la superficie que tiene lugar durante el tratamiento ultrasónico de una superficie de titanio en solución alcalina acuosa (b) y superficie formada (c), foto de implantes de titanio (d): el verdoso (la muestra de la izquierda en la mano) es el implante después del tratamiento ultrasónico, el amarillento (la muestra está situada a la derecha) es el implante no modificado.
(estudio e imágenes: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Sonómetros de alto rendimiento para nanoestructurar superficies de implantes metálicos

Hielscher Ultrasonics ofrece la gama completa de sonicadores para nanoaplicaciones como la nanoestructuración de superficies metálicas (por ejemplo, titanio y aleaciones). En función del material, la superficie y el rendimiento de producción de los implantes, Hielscher le ofrece el sonicador y el sonotrodo (sonda) ideales para su aplicación de nanoestructuración.
Una de las principales ventajas de los sonicadores Hielscher es el control preciso de la amplitud y la capacidad de suministrar amplitudes muy elevadas en funcionamiento continuo 24 horas al día, 7 días a la semana. La amplitud, que es el desplazamiento de la sonda ultrasónica, es responsable de la intensidad de la sonicación) y, por tanto, un parámetro crucial de un tratamiento ultrasónico fiable y eficaz.

Diseño, fabricación y consultoría – Calidad Made in Germany

Los ultrasonidos de Hielscher son conocidos por sus elevados estándares de calidad y diseño. Su robustez y fácil manejo permiten una integración sin problemas de nuestros ultrasonidos en las instalaciones industriales. Los ultrasonidos de Hielscher soportan sin problemas las condiciones más duras y los entornos más exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonidos de alto rendimiento con tecnología punta y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonidos de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.

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