ایمپلنت های نانوساختار سونوشیمیایی باعث بهبود استخوان سازی می شوند

ایمپلنت ها، پروتزهای ارتوپدی و ایمپلنت های دندانی عمدتا از تیتانیوم و آلیاژها ساخته می شوند. فراصوت برای ایجاد سطوح نانوساختار بر روی ایمپلنت های فلزی استفاده می شود. نانوساختار مافوق صوت اجازه می دهد تا برای تغییر سطوح فلزی تولید یکنواخت توزیع الگوهای نانو اندازه بر روی سطوح ایمپلنت. این ایمپلنت های فلزی نانوساختار رشد بافت و استئواینتگریشن را به طور قابل توجهی بهبود می بخشند که منجر به بهبود میزان موفقیت بالینی می شود.

ایمپلنت های نانوساختار التراسونیک برای بهبود استئواینتگریشن

استفاده از فلزات، از جمله تیتانیوم و آلیاژها، به دلیل خواص سطحی مطلوب آنها، در ساخت ایمپلنت های ارتوپدی و دندانی رایج است و امکان ایجاد یک رابط زیست سازگار با بافت های اطراف ایمپلنت را فراهم می کند. برای بهینه سازی عملکرد این ایمپلنت ها، راهکارهایی برای اصلاح ماهیت این رابط با اعمال تغییرات در مقیاس نانو بر روی سطح توسعه داده شده است. چنین تغییراتی تأثیر قابل توجهی بر جنبه های بحرانی، از جمله جذب پروتئین، فعل و انفعالات بین سلول ها و سطح ایمپلنت (فعل و انفعالات سلول-بستر) و توسعه بعدی بافت اطراف دارد. با مهندسی دقیق این تغییرات در سطح نانومتر، دانشمندان قصد دارند بیوانگرالیچگی و اثربخشی کلی ایمپلنت ها را افزایش دهند که منجر به بهبود نتایج بالینی در زمینه ایمپلنتولوژی شود.
 

پروتکل نانوساختار اولتراسونیک ایمپلنت های تیتانیوم

چندین مطالعه تحقیقاتی نشان داده اند که نانوساختار ساده و در عین حال موثر سطوح تیتانیوم و آلیاژ با استفاده از سونوگرافی با شدت بالا است. درمان سونوشیمیایی (یعنی درمان اولتراسوند) منجر به تشکیل یک لایه خشن تیتانیا از ساختار اسفنج مانند می شود که نشان می دهد به طور قابل توجهی تکثیر سلولی را افزایش می دهد.
ساختار سطح تیتانیوم با استفاده از عملیات سونوشیمیایی: نمونه های تیتانیوم 20 × 20 × 0.5 میلی متر قبلا صیقل داده شده و با آب دیونیزه، استون و اتانول به طور متوالی شسته می شدند تا هرگونه آلاینده از بین بروند. پس از آن، نمونه های تیتانیوم در التراسونیک درمان شد 5 راه حل NaOH با استفاده از اولتراسونیک Hielscher UIP1000hd در 20 کیلوهرتز عمل (نگاه کنید به تصویر سمت چپ). فراصوت مجهز به سونوترود BS2d22 (مساحت سطح نوک 3.8 سانتی متر مربع) و تقویت کننده B4-1.4 بود که دامنه کار را 1.4 برابر بزرگنمایی می کند. دامنه مکانیکی ≈81 میکرومتر بود. شدت تولید شده 200 وات بر سانتی متر مربع بود. حداکثر توان ورودی 760 وات حاصل از ضرب شدت با ناحیه پیشانی (با 8/3 سانتی متر مربع) سونوترود مورد استفاده BS2d22 بود. نمونه های تیتانیوم در نگهدارنده تفلون خانگی تثبیت و به مدت 5 دقیقه تیمار شدند.
(رجوع کنید به اولاسویچ و همکاران، 2020)
 

(1401). مورفولوژی سطح بکر تیتانیوم (a)، سطح مزومتخلخل تیتانیا ساخته شده به روش سونوشیمیایی (TMS)، نمای بالا و سطح مقطع (b) و نمای بالا و سطح مقطع نانولوله های تیتانیا (TNT) به دست آمده با اکسیداسیون الکتروشیمیایی (c). ورودی ها طرح های نانوساختار سطح را نشان می دهند. طرحی که رسوب هیدروکسی آپاتیت (HA) را در منافذ ماتریس تیتانیا (d-f) نشان می دهد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از سطوح نانوساختار تیتانیوم سونوشیمیایی (TMS) و TNT به ترتیب با HA: TMS-HA (g) و TNT-HA (h) رسوب شیمیایی دارند.
(مطالعه و تصاویر: ©کوویرکوف و همکاران، 2020)

مکانیسم نانوساختار اولتراسونیک سطوح فلزی

درمان اولتراسونیک سطوح فلزی منجر به اچ مکانیکی سطوح تیتانیوم می شود که باعث تشکیل یک ساختار مزومتخلخل بر روی تیتانیوم می شود.
مکانیسم مکانیسم اولتراسونیک بر اساس کاویتاسیون صوتی است که زمانی اتفاق می افتد که امواج اولتراسوند با فرکانس پایین و با شدت بالا به یک مایع متصل شوند. هنگامی که سونوگرافی با قدرت بالا از طریق یک مایع حرکت می کند، چرخه های متناوب فشار بالا / فشار کم تولید می شوند. در طول چرخه های کم فشار، حباب های خلاء دقیقه، به اصطلاح حباب های کاویتاسیون در مایع بوجود می آیند. این حباب های حفره ای در طی چندین چرخه فشار رشد می کنند تا زمانی که نتوانند انرژی بیشتری را جذب کنند. در این نقطه از حداکثر رشد حباب، حباب کاویتاسیون با انفجار شدید منفجر می شود و یک میکرو محیط بسیار متراکم انرژی ایجاد می کند. میدان متراکم انرژی کاویتاسیون صوتی / اولتراسونیک با اختلاف فشار و دما بالا که فشار تا 2000 اتمسفر و دمای تقریبا 5000 کلوین را نشان می دهد، جت های مایع با سرعت بالا با سرعت 280 متر در ثانیه و امواج شوک مشخص می شود. هنگامی که چنین حفره ای در نزدیکی یک سطح فلزی رخ می دهد، نه تنها نیروهای مکانیکی بلکه واکنشهای شیمیایی نیز رخ می دهد.
در این شرایط، واکنش های ردوکس اتفاق می افتد که منجر به واکنش های اکسیداتیو و تشکیل لایه تیتانیا می شود. علاوه بر تولید گونه های اکسیژن فعال (ROS) که اکسید سطح تیتانیوم, واکنش های اکسیداسیون کاهش تولید شده توسط مافوق صوت ارائه حکاکی سطح موثر است که منجر به به دست آوردن لایه دی اکسید تیتانیوم از ضخامت 1 میکرومتر. این بدان معناست که دی اکسید تیتانیوم تا حدی در محلول قلیایی حل می شود و منافذ توزیع شده را به طور نامنظم ایجاد می کند.
روش سونوشیمیایی سریع و همه کاره را برای ساخت مواد نانوساختار، هم معدنی و هم آلی ارائه می دهد که اغلب از طریق روش های معمولی دست نیافتنی هستند. مزیت اصلی این تکنیک این است که انتشار کاویتاسیون گرادیان های دمایی موضعی زیادی را در جامدات ایجاد می کند و در نتیجه موادی با لایه متخلخل و نانوساختارهای بی نظم در شرایط اتاق ایجاد می شود. علاوه بر این، تابش اولتراسوند خارجی می تواند برای آزاد شدن مولکول های زیستی کپسوله شده از طریق منافذ در پوشش نانوساختار استفاده شود.
 

تصویر شماتیک از سلول فراصوت (a)، تصویر شماتیک از فرایند ساختار سطح که در طول درمان اولتراسونیک از سطح تیتانیوم در محلول قلیایی آبی (ب) و سطح تشکیل شده (ج)، عکس از ایمپلنت تیتانیوم (د): یکی از مایل به سبز (نمونه سمت چپ در دست) ایمپلنت پس از درمان مافوق صوت است، یکی از زرد (نمونه در سمت راست قرار دارد) ایمپلنت غیر اصلاح شده است.
(مطالعه و تصاویر: ©کوویرکوف و همکاران، 2020)

فراصوت های با کارایی بالا برای نانوساختار سطوح ایمپلنت فلزی

Hielscher مافوق صوت ارائه می دهد طیف گسترده ای از فراصوت برای برنامه های کاربردی نانو مانند nanostructuring از سطوح فلزی (به عنوان مثال،. تیتانیوم و آلیاژ). بسته به مواد، سطح و توان تولید ایمپلنت، Hielscher به شما ارائه می دهد فراصوت ایده آل و سونوترود (پروب) برای شما نرم افزار نانو ساختار.
یکی از مزایای اصلی فراصوت Hielscher کنترل دامنه دقیق و قابلیت ارائه دامنه بسیار بالا در عملیات مداوم 24/7 است. دامنه، که جابجایی پروب اولتراسونیک است، مسئول شدت فراصوت است) و بنابراین یک پارامتر حیاتی از درمان مافوق صوت قابل اعتماد و موثر است.

طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان

مافوق صوت Hielscher به خوبی برای بالاترین کیفیت و استانداردهای طراحی خود را شناخته شده. استحکام و بهره برداری آسان اجازه می دهد تا ادغام صاف از ultrasonicators ما به امکانات صنعتی. شرایط خشن و محیط های خواستار به راحتی توسط مافوق صوت Hielscher رسیده.

Hielscher اولتراسونیک یک شرکت دارای گواهینامه ISO است و تاکید ویژه ای بر مافوق صوت با کارایی بالا با ویژگی های دولت از هنر فن آوری و کاربر پسند قرار داده است. البته، مافوق صوت Hielscher مطابق با CE و دیدار با الزامات UL، CSA و RoHs.

الگوهای XRD پوشش تیتانیا ساخته شده با عملیات حرارتی تیتانیوم صیقلی (a) و تیتانیوم صیقلی تحت درمان سونوشیمیایی (b). تصاویر SEM از سطح تیتانیوم صیقلی (c) و سطح دی اکسید تیتانیوم مزوشیمیایی تولید شده توسط سونوشیمیایی (d). فراصوت با استفاده از فراصوت UIP1000hdT انجام شد.
(مطالعه و تصاویر: ©کوویرکوف و همکاران، 2018)