Sonokeemiliselt nanostruktureeritud implantaadid parandavad osseointegratsiooni

Implantaadid, ortopeedilised proteesid ja hambaimplantaadid valmistatakse peamiselt titaanist ja sulamitest. Ultraheli töötlust (sonikeerimist) kasutatakse metallimplantaatide nanostruktureeritud pindade loomiseks. Ultraheli abil nanostruktureerimine võimaldab metallpindu modifitseerida, tekitades implantaatide pindadele ühtlaselt jaotunud nanomõõtmelisi mustreid. Need nanostruktureeritud metallimplantaadid näitavad oluliselt paremat koekasvu ja osseointegratsiooni, mis toob kaasa paremad kliinilise edukuse määrad.

Ultrahelil nanostruktureeritud implantaadid parema osseointegratsiooni jaoks

Metalle, sealhulgas titaani ja sulameid, kasutatakse laialdaselt ortopeediliste ja hambaimplantaatide valmistamisel nende soodsate pinnaomaduste tõttu, mis võimaldavad luua bioühilduva liidese implantaadi ümbritsevate kudedega. Nende implantaatide toimivuse optimeerimiseks on välja töötatud strateegiad selle liidese olemuse muutmiseks, viies pinnal läbi nanomõõtmelisi muutusi. Sellised muudatused avaldavad märkimisväärset mõju olulistele aspektidele, sealhulgas valkude adsorptsioonile, rakkude ja implantaadi pinna vastastikmõjudele (raku–substraadi vastastikmõjud) ning ümbritseva koe sellele järgnevale arengule. Neid nanomeetrilisi muutusi täpselt kavandades püüavad teadlased parandada implantaatide biointegratsiooni ja üldist tõhusust, mis viib paremate kliiniliste tulemusteni implantoloogia valdkonnas.

Titaanimplantaatide ultraheli abil nanostruktureerimise protokoll

Mitmed uuringud on näidanud titaani- ja sulamipindade lihtsat, kuid väga tõhusat nanostruktureerimist suure intensiivsusega ultraheli abil. Sonokeemiline töötlus (st ultraheli töötlus) viib karedakoelise, käsnataolise struktuuriga titaandioksiidikihi tekkeni, mis oluliselt soodustab rakkude proliferatsiooni.
Titaanipinna struktureerimine sonokeemilise töötluse abil: Mõõtmetega 20 × 20 × 0,5 mm titaanproovid poleeriti eelnevalt ning pesti järjestikku deioniseeritud vee, atsetooni ja etanooliga, et eemaldada kõik saasteained. Seejärel töödeldi titaanproove ultraheliga 5 m NaOH lahuses, kasutades Hielscheri ultraheli homogenisaatorit UIP1000hd, mis töötas sagedusel 20 kHz (vt pilti vasakul). Sonikaator oli varustatud sonotroodiga BS2d22 (otsa pindala 3,8 cm2) ja võimendiga B4-1.4, mis suurendab töö amplituudi 1,4 korda. Mehaaniline amplituud oli ≈81 μm. Tekitatud intensiivsus oli 200 W cm−2. Maksimaalne sisendvõimsus oli 760 W, mis saadi intensiivsuse korrutamisel kasutatud sonotroodi BS2d22 otsapinnaga (3,8 cm2). Titaanproovid kinnitati isetehtud teflonhoidikusse ja neid töödeldi 5 min.
(vrd Ulasevich et al., 2020)

Puhta titaanpinna morfoloogia (a), sonokeemiliselt valmistatud mesopoorse titaandioksiidipinna (TMS) pealtvaade ja ristlõige (b) ning elektrokeemilise oksüdeerimisega saadud titaandioksiidi nanotorukeste (TNT) pealtvaade ja ristlõige (c). Lisapildid näitavad pinna nanostruktureerimise skeeme. Skeem, mis näitab hüdroksüapatiidi (HA) sadestumist titaandioksiidimaatriksi pooridesse (d-f). Sonokeemiliselt nanostruktureeritud titaani (TMS) ja TNT pindade SEM-kujutised keemiliselt sadestatud HA-ga: vastavalt TMS-HA (g) ja TNT-HA (h).
(uuring ja pildid: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Metallpindade ultraheli abil nanostruktureerimise mehhanism

Metallpindade ultraheli töötlus põhjustab titaanpindade mehaanilist söövitamist, mis kutsub titaanil esile mesopoorse struktuuri teket.
Ultraheli mehhanismi aluseks on akustiline kavitatsioon, mis tekib siis, kui madalsageduslikud ja suure intensiivsusega ultrahelilained juhitakse vedelikku. Kui suure võimsusega ultraheli levib läbi vedeliku, tekivad vahelduvad kõrgsurve- ja madalsurvetsüklid. Madalsurvetsüklite ajal tekivad vedelikus väikesed vaakumimullid, nn kavitatsioonimullid. Need kavitatsioonimullid kasvavad mitme survetsükli jooksul, kuni nad ei suuda enam energiat juurde neelata. Mulli maksimaalse kasvu hetkel kavitatsioonimull implodeerib vägivaldse purskega ja tekitab väga suure energiatihedusega mikrokeskkonna. Akustilise/ultraheli kavitatsiooni suure energiatihedusega välja iseloomustavad suured rõhu- ja temperatuurierinevused: rõhk kuni 2 000 atm ja temperatuur ligikaudu 5000 K, suure kiirusega vedelikujoad kiirusega kuni 280 m/sec ning lööklained. Kui selline kavitatsioon toimub metallpinna lähedal, esinevad lisaks mehaanilistele jõududele ka keemilised reaktsioonid.
Sellistes tingimustes toimuvad redoksreaktsioonid, mis viivad oksüdatsioonireaktsioonideni ja titaandioksiidikihi tekkeni. Lisaks reaktiivsete hapnikuühendite (ROS) tekitamisele, mis oksüdeerisid titaanpinda, tagavad ultrahelil tekitatud oksüdeerumis-redutseerumisreaktsioonid tõhusa pinna söövitamise, mille tulemusena saadakse 1 μm paksune titaandioksiidi kiht. See tähendab, et titaandioksiid lahustub leeliselises lahuses osaliselt, tekitades korratult jaotunud poore.
Sonokeemiline meetod pakub kiiret ja mitmekülgset lahendust nanostruktureeritud materjalide, nii anorgaaniliste kui ka orgaaniliste, valmistamiseks, mida tavameetoditega sageli ei õnnestu saavutada. Selle tehnika peamine eelis on see, et kavitatsiooni levik tekitab tahkistes suuri lokaalseid temperatuurigradiente, mille tulemusena saadakse poorse kihi ja korratute nanostruktuuridega materjalid toatingimustes. Lisaks saab välist ultrahelikiiritust kasutada kapseldatud biomolekulide vabanemise käivitamiseks läbi nanostruktureeritud katte pooride.

Ultraheli töötluse kambri skemaatiline joonis (a), titaanpinna ultraheli töötlusel vesilahuses leeliselises keskkonnas toimuva pinna struktureerimise protsessi skemaatiline joonis (b) ja tekkinud pind (c), titaanimplantaatide foto (d): rohekas implantaat (vasakpoolne proov käes) on pärast ultraheli töötlust, kollakas implantaat (parempoolne proov) on modifitseerimata implantaat.
(uuring ja pildid: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Suure jõudlusega sonikaatorid metallist implantaatide pindade nanostruktureerimiseks

Hielscher Ultrasonics pakub täielikku valikut sonikaatoreid nanorakenduste jaoks, näiteks metallpindade (nt titaan ja sulamid) nanostruktureerimiseks. Sõltuvalt implantaatide materjalist, pindalast ja tootmise läbilaskevõimest pakub Hielscher teile sobivaimat sonikaatorit ja sonotroodi (sondi) teie nanostruktureerimisrakenduse jaoks.
Üks Hielscheri sonikaatorite peamisi eeliseid on täpne amplituudi reguleerimine ja võime tagada väga suuri amplituude pidevas 24/7 töörežiimis. Amplituud, mis on ultrahelisondi nihe, määrab ultraheli töötluse intensiivsuse) ja on seega usaldusväärse ja tõhusa ultraheli töötluse otsustav parameeter.

Disain, tootmine ja konsulteerimine – Quality Made in Germany

Hielscheri ultraheli seadmed on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultraheli seadmed sujuvalt integreerida tööstusrajatistesse. Hielscheri ultraheli seadmed saavad hõlpsasti hakkama rasketes tingimustes ja nõudlikes keskkondades.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ja pöörab erilist tähelepanu suure jõudlusega ultraheli seadmetele, mis kasutavad tipptehnoloogiat ja on kasutajasõbralikud. Loomulikult vastavad Hielscheri ultraheli seadmed CE nõuetele ning täidavad UL-i, CSA ja RoHs-i nõudeid.

Termilise töötlusega poleeritud titaanil valmistatud titaanoksiidkatte (a) ja sonokeemiliselt töödeldud poleeritud titaani (b) XRD-mustrid; poleeritud titaanpinna (c) ja sonokeemiliselt loodud mesopoorse titaandioksiidpinna (d) SEM-kujutised. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) tehti sonikaatoriga UIP1000hdT.
(uuring ja kujutised: ©Kuvyrkov et al., 2018)