ایمپلنت‌های نانوساختاریافته به روش سونوشیمیایی برای بهبود یکپارچگی استخوانی

ایمپلنت‌ها، پروتزهای ارتوپدی و ایمپلنت‌های دندانی عمدتاً از تیتانیوم و آلیاژها ساخته می‌شوند. فراصوت‌دهی برای ایجاد سطوح نانوساختاریافته روی ایمپلنت‌های فلزی به کار می‌رود. نانوساختاردهی فراصوتی امکان اصلاح سطوح فلزی را با ایجاد الگوهایی در ابعاد نانو با توزیع یکنواخت روی سطوح ایمپلنت فراهم می‌کند. این ایمپلنت‌های فلزی نانوساختاریافته، رشد بافت و یکپارچگی استخوانی را به‌طور چشمگیری بهبود می‌دهند و در نتیجه، میزان موفقیت بالینی را افزایش می‌دهند.

ایمپلنت‌های نانوساختاریافته با فراصوت برای بهبود یکپارچگی استخوانی

استفاده از فلزات، از جمله تیتانیوم و آلیاژها، در ساخت ایمپلنت‌های ارتوپدی و دندانی رایج است؛ زیرا خواص سطحی مطلوب آن‌ها امکان ایجاد فصل مشترکی زیست‌سازگار با بافت‌های پیرامون ایمپلنت را فراهم می‌کند. برای بهینه‌سازی عملکرد این ایمپلنت‌ها، راهبردهایی تدوین شده‌اند که با اعمال تغییراتی در مقیاس نانو روی سطح، ماهیت این فصل مشترک را اصلاح می‌کنند. چنین اصلاحاتی تأثیر قابل‌توجهی بر جنبه‌های کلیدی، از جمله جذب سطحی پروتئین، برهم‌کنش‌های میان سلول‌ها و سطح ایمپلنت (برهم‌کنش‌های سلول–بستر) و رشد متعاقب بافت پیرامونی دارند. دانشمندان با مهندسی دقیق این تغییرات در مقیاس نانومتر، در پی ارتقای یکپارچگی زیستی و کارایی کلی ایمپلنت‌ها هستند تا نتایج بالینی در حوزه ایمپلنتولوژی بهبود یابد.
 

پروتکل نانوساختاردهی فراصوتی ایمپلنت‌های تیتانیومی

چندین مطالعه پژوهشی نشان داده‌اند که نانوساختاردهی سطوح تیتانیوم و آلیاژها با استفاده از فراصوت با شدت بالا، روشی ساده و در عین حال بسیار مؤثر است. تیمار سونوشیمیایی (یعنی تیمار فراصوتی) به تشکیل لایه‌ای زبر از تیتانیا با ساختار اسفنج‌مانند منجر می‌شود که تکثیر سلولی را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.
ساختاردهی سطح تیتانیوم از طریق تیمار سونوشیمیایی: نمونه‌های تیتانیوم با ابعاد 20 × 20 × 0٫5 mm از پیش صیقل داده شدند و برای حذف هرگونه آلودگی، به‌ترتیب با آب دیونیزه، استون و اتانول شسته شدند. سپس نمونه‌های تیتانیوم در محلول 5 m NaOH، با استفاده از دستگاه فراصوت Hielscher مدل UIP1000hd که در فرکانس 20 kHz کار می‌کرد، تحت تیمار فراصوتی قرار گرفتند (تصویر سمت چپ را ببینید). سونیکاتور به سونوتْرود BS2d22 (مساحت سطح نوک 3٫8 cm2) و تقویت‌کننده B4-1.4 مجهز بود که دامنه کاری را 1٫4 برابر می‌کرد. دامنه مکانیکی ≈81 μm بود. شدت ایجادشده 200 W cm−2 بود. حداکثر توان ورودی 760 W بود که از ضرب شدت در مساحت سطح جلویی سونوتْرود BS2d22 مورد استفاده (با مساحت 3٫8 cm2) به دست می‌آمد. نمونه‌های تیتانیوم در یک نگهدارنده تفلونی دست‌ساز ثابت شدند و به‌مدت 5 min تحت تیمار قرار گرفتند.
(رجوع کنید به Ulasevich et al., 2020)
 

ریخت‌شناسی سطح تیتانیوم دست‌نخورده (a)، نمای بالا و مقطع عرضی سطح مزومتخلخل تیتانیا (TMS) ساخته‌شده به روش سونوشیمیایی (b)، و نمای بالا و مقطع عرضی نانولوله‌های تیتانیا (TNT) حاصل از اکسایش الکتروشیمیایی (c). تصاویر درون‌نما، طرح‌های نانوساختاردهی سطح را نشان می‌دهند. طرحی که رسوب‌گذاری هیدروکسی‌آپاتیت (HA) درون منافذ ماتریس تیتانیا را نشان می‌دهد (d–f). تصاویر SEM از سطوح تیتانیوم نانوساختاریافته به روش سونوشیمیایی (TMS) و TNT با HA رسوب‌داده‌شده به روش شیمیایی: به‌ترتیب TMS-HA (g) و TNT-HA (h).
(پژوهش و تصاویر: ©Kuvyrkov et al., 2020)

سازوکار نانوساختاردهی فراصوتی سطوح فلزی

تیمار فراصوتی سطوح فلزی به اچ مکانیکی سطوح تیتانیوم منجر می‌شود که موجب تشکیل ساختاری مزومتخلخل روی تیتانیوم می‌گردد.
سازوکار فرایند فراصوتی بر کاویتاسیون آکوستیکی استوار است؛ پدیده‌ای که هنگام انتقال و کوپل‌شدن امواج فراصوت کم‌فرکانس و پرشدت به درون یک مایع رخ می‌دهد. هنگامی که فراصوت پرتوان در مایع منتشر می‌شود، چرخه‌های متناوب فشار بالا / فشار پایین ایجاد می‌شوند. در چرخه‌های فشار پایین، حباب‌های بسیار ریز خلأ، موسوم به حباب‌های کاویتاسیون، در مایع پدید می‌آیند. این حباب‌های کاویتاسیون طی چندین چرخه فشار رشد می‌کنند تا زمانی که دیگر نتوانند انرژی بیشتری جذب کنند. در این نقطه از حداکثر رشد حباب، حباب کاویتاسیون با فروپاشی شدیدی به درون فرومی‌ریزد و ریزمحیطی با چگالی انرژی بسیار بالا ایجاد می‌کند. میدان پرانرژی کاویتاسیون آکوستیکی/فراصوتی با اختلاف‌های زیاد فشار و دما مشخص می‌شود؛ فشارهایی تا 2٬000atm و دماهایی در حدود 5000 K، جت‌های پرسرعت مایع با سرعت‌هایی تا 280m/sec و امواج ضربه‌ای در آن ایجاد می‌شوند. هنگامی که چنین کاویتاسیونی در نزدیکی سطح فلزی رخ می‌دهد، علاوه بر نیروهای مکانیکی، واکنش‌های شیمیایی نیز به وقوع می‌پیوندند.
در این شرایط، واکنش‌های اکسایش–کاهش رخ می‌دهند که به واکنش‌های اکسایشی و تشکیل لایه تیتانیا منجر می‌شوند. واکنش‌های اکسایش–کاهش ایجادشده با فراصوت، علاوه بر تولید گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) که سطح تیتانیوم را اکسید می‌کنند، اچ مؤثر سطح را نیز فراهم می‌کنند که به دستیابی به لایه‌ای از دی‌اکسید تیتانیوم با ضخامت 1 μm منجر می‌شود. این بدان معناست که دی‌اکسید تیتانیوم تا حدی در محلول قلیایی حل می‌شود و منافذی با توزیع نامنظم ایجاد می‌کند.
روش سونوشیمیایی راهکاری سریع و چندمنظوره برای ساخت مواد نانوساختاریافته، چه معدنی و چه آلی، ارائه می‌دهد که دستیابی به آن‌ها با روش‌های متداول اغلب امکان‌پذیر نیست. مزیت اصلی این تکنیک آن است که گسترش کاویتاسیون، گرادیان‌های دمایی موضعی بزرگی در جامدات ایجاد می‌کند و در شرایط اتاق، به تولید موادی با لایه متخلخل و نانوساختارهای نامنظم منجر می‌شود. همچنین می‌توان از تابش فراصوت از بیرون برای آغاز رهایش زیست‌مولکول‌های کپسوله‌شده از طریق منافذ پوشش نانوساختاریافته استفاده کرد.
 

تصویر شماتیک سلول فراصوت‌دهی (a)، تصویر شماتیک فرایند ساختاردهی سطح که طی تیمار فراصوتی سطح تیتانیوم در محلول آبی قلیایی رخ می‌دهد (b) و سطح تشکیل‌شده (c)، عکس ایمپلنت‌های تیتانیومی (d): نمونه متمایل به سبز (نمونه سمت چپ در دست) ایمپلنت پس از تیمار فراصوتی است و نمونه متمایل به زرد (نمونه واقع در سمت راست) ایمپلنت اصلاح‌نشده است.
(پژوهش و تصاویر: ©Kuvyrkov et al., 2020)

سونیکاتورهای با عملکرد بالا برای نانوساختاردهی سطوح ایمپلنت‌های فلزی

Hielscher Ultrasonics مجموعه کاملی از سونیکاتورها را برای کاربردهای نانو، مانند نانوساختاردهی سطوح فلزی (برای مثال تیتانیوم و آلیاژها)، عرضه می‌کند. Hielscher با توجه به جنس، مساحت سطح و ظرفیت تولید ایمپلنت‌ها، سونیکاتور و سونوتْرود (پروب) ایدئال را برای کاربرد نانوساختاردهی شما ارائه می‌دهد.
یکی از مزایای اصلی سونیکاتورهای Hielscher، کنترل دقیق دامنه و قابلیت ایجاد دامنه‌های بسیار بالا در کارکرد پیوسته 24/7 است. دامنه، که همان جابه‌جایی پروب فراصوتی است، تعیین‌کننده شدت فراصوت‌دهی است و بنابراین پارامتری حیاتی برای تیمار فراصوتی قابل‌اعتماد و مؤثر محسوب می‌شود.

طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان

دستگاه‌های فراصوت Hielscher به بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شهرت دارند. استحکام و کاربری آسان، ادغام بی‌دردسر دستگاه‌های فراصوت ما در تأسیسات صنعتی را امکان‌پذیر می‌سازد. دستگاه‌های فراصوت Hielscher به‌آسانی از عهده شرایط سخت و محیط‌های پرچالش برمی‌آیند.

Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهینامه ISO است و بر دستگاه‌های فراصوت با عملکرد بالا، مجهز به فناوری روز و دارای کاربری آسان، تأکید ویژه دارد. البته دستگاه‌های فراصوت Hielscher با CE انطباق دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده می‌کنند.

الگوهای XRD پوشش تیتانیا ساخته‌شده با تیمار حرارتی تیتانیوم صیقل‌خورده (a) و تیتانیوم صیقل‌خورده تحت تیمار سونوشیمیایی (b)؛ تصاویر SEM از سطح تیتانیوم صیقل‌خورده (c) و سطح مزومتخلخل دی‌اکسید تیتانیوم ایجادشده به روش سونوشیمیایی (d). فراصوت‌دهی با استفاده از سونیکاتور UIP1000hdT انجام شد.
(پژوهش و تصاویر: ©Kuvyrkov et al., 2018)