Sonokeemiliselt nanostruktuursed implantaadid, mis parandavad osseointegratsiooni

Implantaadid, ortopeedilised proteesid ja hambaimplantaadid on valmistatud peamiselt titaanist ja sulamitest. Sonikatsiooni kasutatakse nanostruktuursete pindade loomiseks metallist implantaatidel. Ultraheli nanostruktureerimine võimaldab muuta metallpindu, mis tekitavad implantaadi pindadel ühtlaselt jaotunud nanosuuruses mustreid. Need nanostruktuursed metallist implantaadid näitavad oluliselt paremat kudede kasvu ja osseointegratsiooni, mis toob kaasa parema kliinilise edukuse määra.

Ultraheli nanostruktuursed implantaadid paremaks osseointegratsiooniks

Metallide, sealhulgas titaani ja sulamite kasutamine on ortopeediliste ja hambaimplantaatide valmistamisel nende soodsate pinnaomaduste tõttu levinud, võimaldades luua bioühilduva liidese implantaadi peri-kudedega. Nende implantaatide jõudluse optimeerimiseks on välja töötatud strateegiad selle liidese olemuse muutmiseks, rakendades pinnal nanoskaala muudatusi. Sellised modifikatsioonid avaldavad märkimisväärset mõju kriitilistele aspektidele, sealhulgas valgu adsorptsioonile, rakkude ja implantaadi pinna vahelistele interaktsioonidele (raku-substraadi interaktsioonid) ning ümbritseva koe edasisele arengule. Nende nanomeetri taseme muutuste täpse kavandamisega püüavad teadlased suurendada implantaatide biointegratsiooni ja üldist efektiivsust, mis toob kaasa paremad kliinilised tulemused implantoloogia valdkonnas.
 

Titaanimplantaatide ultraheli nanostruktureerimise protokoll

Mitmed uuringud on näidanud titaani ja sulamite pindade lihtsat, kuid tõhusat nanostruktureerimist suure intensiivsusega ultraheli abil. Sonokeemiline ravi (st ultraheliravi) viib käsnataolise struktuuri töötlemata titania kihi moodustumiseni, mis näitab oluliselt rakkude proliferatsiooni.
Titaani pinna struktureerimine sonokeemilise töötlemise teel: Titaaniproovid 20 × 20 × 0,5 mm olid eelnevalt poleeritud ja pestud deioniseeritud vee, atsetooni ja etanooliga järjest, et kõrvaldada saasteained. Pärast seda töödeldi titaaniproove ultraheliga 5 m NaOH lahuses, kasutades Hielscheri ultrasonikaatorit UIP1000hd, mis töötas 20 kHz juures (vt pilti vasakul). Sonikaator oli varustatud sonotrode BS2d22-ga (otsa pindala 3,8 cm2) ja võimendiga B4-1,4, suurendades tööamplituudi 1,4 korda. Mehaaniline amplituud oli ≈81 μm. Genereeritud intensiivsus oli 200 W cm−2. Maksimaalne sisendvõimsus oli 760 W, mis tulenes kasutatud sonotrode BS2d22 intensiivsuse korrutamisest esiosaga (3,8 cm2). Titaaniproovid kinnitati omatehtud teflonhoidikusse ja neid töödeldi 5 minutit.
(vrd Ulasevich et al., 2020)
 

Põlise titaanipinna (a), sonokeemiliselt valmistatud titania mesopoorse pinna (TMS) üla- ja ristlõike (b) ning elektrokeemilise oksüdatsiooni teel saadud titania nanotorude (TNT) ülemise vaate ja ristlõike morfoloogia (c). Sisendid näitavad pinna nanostruktuuri skeeme. Skeem, mis näitab hüdroksüapatiidi (HA) sadestumist titania maatriksi (d-f) pooridesse. SEM-kujutised sonokeemilise nanostruktuurse titaani (TMS) ja TNT pindadest keemiliselt sadestatud HA-ga: vastavalt TMS-HA (g) ja TNT-HA (h).
(uuring ja pildid: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Metallpindade ultraheli nanostruktuuri mehhanism

Metallpindade ultraheli töötlemine viib titaanpindade mehaanilise söövitamiseni, mis põhjustab titaanil mesopoorse struktuuri moodustumist.
Ultraheli mehhanismi mehhanism põhineb akustilisel kavitatsioonil, mis tekib siis, kui madala sagedusega, suure intensiivsusega ultraheli lained on ühendatud vedelikuga. Kui suure võimsusega ultraheli liigub läbi vedeliku, tekivad vahelduvad kõrgsurve / madala rõhu tsüklid. Madala rõhu tsüklite ajal tekivad vedelikus minutilised vaakummullid, nn kavitatsioonimullid. Need kavitatsioonimullid kasvavad mitme rõhutsükli jooksul, kuni nad ei suuda täiendavat energiat absorbeerida. Selles mullide maksimaalse kasvu punktis implodeerub kavitatsioonimull vägivaldse lõhkemisega ja loob väga energiatiheda mikrokeskkonna. Akustilise / ultraheli kavitatsiooni energiatihedale väljale on iseloomulikud kõrgrõhu ja temperatuuri erinevused, mille rõhk on kuni 2,000atm ja temperatuur umbes 5000 K, kiired vedelikujoad kiirusega kuni 280 m / sek ja lööklained. Kui selline kavitatsioon toimub metallpinna lähedal, tekivad mitte ainult mehaanilised jõud, vaid ka keemilised reaktsioonid.
Nendes tingimustes toimuvad redoksreaktsioonid, mis põhjustavad oksüdatiivseid reaktsioone ja titania kihi moodustumist. Lisaks reaktiivsete hapnikuliikide (ROS) tekitamisele, mis oksüdeerisid titaani pinda, pakuvad ultraheli genereeritud oksüdatsiooni-redutseerimisreaktsioonid tõhusat pinna söövitamist, mille tulemuseks on 1 μm paksuse titaandioksiidikihi saamine. See tähendab, et titaandioksiid lahustub osaliselt leeliselises lahuses, tekitades poorid, mis jaotuvad ebakorrapäraselt.
Sonokeemiline meetod pakub kiiret ja mitmekülgset nanostruktuursete materjalide valmistamist, nii anorgaanilisi kui ka orgaanilisi, mis on tavapäraste meetoditega sageli kättesaamatud. Selle tehnika peamiseks eeliseks on see, et kavitatsiooni levik tekitab tahketes ainetes suuri lokaalseid temperatuurigradiente, mille tulemuseks on poorse kihiga materjalid ja häiritud nanostruktuurid toatingimustes. Lisaks saab välist ultrahelikiirgust kasutada kapseldatud biomolekulide vabanemise käivitamiseks nanostruktuurse katte pooride kaudu.
 

Ultrahelitöötluse raku (a) skemaatiline illustratsioon, titaanipinna ultraheliravi ajal leeliselises vesilahuses(b) ja moodustunud pinnas (c) toimuva pinna struktureerimisprotsessi skemaatiline illustratsioon, titaaniimplantaatide foto (d): rohekas (vasakpoolne proov käes) on implantaat pärast ultraheliravi, kollakas (proov asub paremal) on modifitseerimata implantaat.
(uuring ja pildid: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Suure jõudlusega sonikaatorid metallist implantaadipindade nanostruktureerimiseks

Hielscher Ultrasonics pakub täielikku valikut sonikaatoreid nano-rakenduste jaoks, nagu metallpindade (nt titaan ja sulamid) nanostruktuur. Sõltuvalt implantaatide materjalist, pindalast ja tootmise läbilaskevõimest pakub Hielscher teile ideaalset sonikaatorit ja sonotrode (sond) nano-struktureerimise rakenduse jaoks.
Hielscheri sonikaatorite üks peamisi eeliseid on täpne amplituudi juhtimine ja võime pakkuda väga kõrgeid amplituudi pidevas 24/7 operatsioonis. Amplituud, mis on ultraheli sondi nihkumine, vastutab ultrahelitöötluse intensiivsuse eest) ja seega usaldusväärse ja tõhusa ultraheliravi oluline parameeter.

Disain, tootmine ja nõustamine – Kvaliteet Valmistatud Saksamaal

Hielscheri ultrasonikaatorid on tuntud oma kõrgeimate kvaliteedi- ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultrasonikaatorite sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrasonikaatorid saavad kergesti käsitseda karmid tingimused ja nõudlikud keskkonnad.

Hielscher Ultrasonics on ISO sertifitseeritud ettevõte ja paneb erilist rõhku suure jõudlusega ultrasonikaatoritele, millel on tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkus. Loomulikult on Hielscheri ultrasonikaatorid CE-nõuetele vastavad ja vastavad UL, CSA ja RoHs nõuetele.

poleeritud titaanist (a) ja sonokkeemiliselt töödeldud poleeritud titaanist (b) termiliselt töödeldud titaniakatte XRD-mustrid; SEM-kujutised poleeritud titaanpinnast (c) ja sonokeemiliselt tekitatud mesopoorse titaandioksiidi pinnast (d). Sonikatsioon viidi läbi sonikaatori UIP1000hdT abil.
(uuring ja pildid: ©Kuvyrkov et al., 2018)