Osseointegraatiota parantavat sonokemiallisesti nanorakenteistetut implantit

Implantit, ortopediset proteesit ja hammasimplantit valmistetaan pääasiassa titaanista ja metalliseoksista. Ultraäänikäsittelyä käytetään nanorakenteisten pintojen luomiseen metallisiin implantteihin. Ultraäänellä tehtävä nanorakenteistus mahdollistaa metallipintojen muokkaamisen siten, että implanttien pinnoille syntyy tasaisesti jakautuneita nanokokoisia kuvioita. Näissä nanorakenteisissa metalli-implanteissa kudoksen kasvu ja osseointegraatio ovat merkittävästi parempia, mikä parantaa kliinisen hoidon onnistumisastetta.

Ultraäänellä nanorakenteistetut implantit osseointegraation parantamiseen

Metalleja, kuten titaania ja metalliseoksia, käytetään yleisesti ortopedisten implanttien ja hammasimplanttien valmistuksessa niiden suotuisten pintaominaisuuksien vuoksi. Nämä ominaisuudet mahdollistavat bioyhteensopivan rajapinnan muodostumisen implanttia ympäröivien kudosten kanssa. Näiden implanttien toiminnan optimoimiseksi on kehitetty menetelmiä, joilla rajapinnan luonnetta muutetaan tekemällä pintaan nanomittakaavan muutoksia. Tällaiset muutokset vaikuttavat huomattavasti keskeisiin tekijöihin, kuten proteiinien adsorptioon, solujen ja implantin pinnan välisiin vuorovaikutuksiin (solun ja alustan välisiin vuorovaikutuksiin) sekä ympäröivän kudoksen myöhempään kehittymiseen. Suunnittelemalla nämä nanometrimittakaavan muutokset tarkasti tutkijat pyrkivät parantamaan implanttien biologista integroitumista ja kokonaistehokkuutta, mikä johtaa parempiin kliinisiin hoitotuloksiin implantologiassa.
 

Titaani-implanttien ultraääninanorakenteistuksen menetelmäohje

Useat tutkimukset ovat osoittaneet, että titaanin ja metalliseosten pintojen nanorakenteistus voimakkaalla ultraäänellä on yksinkertaista mutta erittäin tehokasta. Sonokemiallinen käsittely (eli ultraäänikäsittely) johtaa karkean, sienimäisen titaanidioksidikerroksen muodostumiseen, mikä tehostaa merkittävästi solujen lisääntymistä.
Titaanipinnan rakenteistaminen sonokemiallisella käsittelyllä: titaaninäytteet, joiden mitat olivat 20 × 20 × 0,5 mm, kiillotettiin ensin ja pestiin peräkkäin deionisoidulla vedellä, asetonilla ja etanolilla kaikkien epäpuhtauksien poistamiseksi. Tämän jälkeen titaaninäytteitä käsiteltiin ultraäänellä 5 m NaOH-liuoksessa käyttämällä Hielscher UIP1000hd -ultraäänilaitetta, joka toimi 20 kHz:n taajuudella (katso vasemmalla oleva kuva). Ultraäänilaite oli varustettu sonotrodilla BS2d22 (kärjen pinta-ala 3,8 cm2) ja vahvistimella B4-1.4, joka suurensi käyttöamplitudin 1,4-kertaiseksi. Mekaaninen amplitudi oli ≈81 μm. Tuotettu intensiteetti oli 200 W cm−2. Suurin tehonsyöttö oli 760 W, joka saatiin kertomalla intensiteetti käytetyn sonotrodin BS2d22 päätypinnan pinta-alalla (3,8 cm2). Titaaninäytteet kiinnitettiin itse valmistettuun Teflon-pitimeen ja niitä käsiteltiin 5 min.
(vrt. Ulasevich et al., 2020)
 

Alkuperäisen titaanipinnan morfologia (a), sonokemiallisesti valmistetun mesohuokoisen titaanidioksidipinnan (TMS) näkymä ylhäältä ja poikkileikkaus (b) sekä sähkökemiallisella hapetuksella saatujen titaanidioksidinanoputkien (TNT) näkymä ylhäältä ja poikkileikkaus (c). Pikkukuvat esittävät pinnan nanorakenteistuksen kaaviot. Kaavio, joka esittää hydroksiapatiitin (HA) saostumista titaanidioksidimatriisin huokosiin (d–f). SEM-kuvat sonokemiallisesti nanorakenteistetusta titaanipinnasta (TMS) ja TNT-pinnasta, joille on saostettu kemiallisesti HA:ta: vastaavasti TMS-HA (g) ja TNT-HA (h).
(tutkimus ja kuvat: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Metallipintojen ultraääninanorakenteistuksen mekanismi

Metallipintojen ultraäänikäsittely johtaa titaanipintojen mekaaniseen syövytykseen, joka aiheuttaa mesohuokoisen rakenteen muodostumisen titaanille.
Ultraäänikäsittelyn mekanismi perustuu akustiseen kavitaatioon, jota esiintyy, kun matalataajuisia, voimakkaita ultraääniaaltoja kytketään nesteeseen. Kun suuritehoinen ultraääni etenee nesteessä, syntyy vuorottelevia korkean ja matalan paineen jaksoja. Matalan paineen jaksojen aikana nesteeseen syntyy pieniä tyhjiökuplia, niin kutsuttuja kavitaatiokuplia. Nämä kavitaatiokuplat kasvavat useiden painejaksojen ajan, kunnes ne eivät enää pysty vastaanottamaan lisää energiaa. Kun kupla on kasvanut suurimpaan kokoonsa, kavitaatiokupla luhistuu rajusti ja luo erittäin suuren energiatiheyden mikroympäristön. Akustisen eli ultraäänikavitaation suuren energiatiheyden kentälle ovat ominaisia suuret paine- ja lämpötilaerot, jopa 2 000 atm:n paineet ja noin 5 000 K:n lämpötilat, nopeat nestesuihkut, joiden nopeus on jopa 280 m/sec, sekä iskuaallot. Kun tällaista kavitaatiota esiintyy metallipinnan lähellä, syntyy mekaanisten voimien lisäksi myös kemiallisia reaktioita.
Näissä olosuhteissa tapahtuu redox-reaktioita, jotka johtavat hapettumisreaktioihin ja titaanidioksidikerroksen muodostumiseen. Titaanipintaa hapettavien reaktiivisten happilajien (ROS) tuottamisen lisäksi ultraäänen synnyttämät hapetus-pelkistysreaktiot syövyttävät pintaa tehokkaasti, jolloin muodostuu 1 μm:n paksuinen titaanidioksidikerros. Tämä tarkoittaa, että titaanidioksidi liukenee osittain emäksiseen liuokseen ja muodostaa epäjärjestyksessä jakautuneita huokosia.
Sonokemiallinen menetelmä tarjoaa nopean ja monipuolisen tavan valmistaa sekä epäorgaanisia että orgaanisia nanorakenteisia materiaaleja, joita ei useinkaan voida tuottaa tavanomaisilla menetelmillä. Tämän tekniikan tärkein etu on, että kavitaation eteneminen synnyttää kiinteissä aineissa suuria paikallisia lämpötilagradientteja. Näin syntyy materiaaleja, joissa on huokoinen kerros ja epäjärjestyneitä nanorakenteita huoneolosuhteissa. Lisäksi ulkoista ultraäänisäteilytystä voidaan käyttää käynnistämään kapseloitujen biomolekyylien vapautuminen nanorakenteisen pinnoitteen huokosten kautta.
 

Kaaviokuva ultraäänikäsittelykennosta (a), kaaviokuva pinnan rakenteistumisprosessista titaanipinnan ultraäänikäsittelyn aikana emäksisessä vesiliuoksessa (b) ja muodostuneesta pinnasta (c), valokuva titaani-implanteista (d): vihertävä implantti (kädessä vasemmalla oleva näyte) on ultraäänikäsitelty, kellertävä implantti (oikealla oleva näyte) on muokkaamaton.
(tutkimus ja kuvat: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Tehokkaat ultraäänilaitteet metallisten implanttipintojen nanorakenteistukseen

Hielscher Ultrasonics tarjoaa kattavan valikoiman ultraäänilaitteita nanosovelluksiin, kuten metallipintojen (esim. titaanin ja metalliseosten) nanorakenteistukseen. Hielscher tarjoaa implanttien materiaalin, pinta-alan ja tuotantonopeuden perusteella ihanteellisen ultraäänilaitteen ja sonotrodin (ultraäänikärjen) nanorakenteistussovellukseesi.
Hielscher-ultraäänilaitteiden tärkeimpiä etuja ovat tarkka amplitudin säätö ja kyky tuottaa erittäin suuria amplitudeja jatkuvassa 24/7-käytössä. Amplitudi, joka tarkoittaa ultraäänikärjen siirtymää, määrää ultraäänikäsittelyn intensiteetin) ja on siten luotettavan ja tehokkaan ultraäänikäsittelyn ratkaiseva parametri.

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua

Hielscher-ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti tehokkaita ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät uusin teknologia ja käyttäjäystävällisyys. Hielscher-ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.

XRD-kuviot kiillotetun titaanin lämpökäsittelyllä valmistetusta titaanidioksidipinnoitteesta (a) ja sonokemiallisesti käsitellyn kiillotetun titaanin titaanidioksidipinnoitteesta (b); SEM-kuvat kiillotetusta titaanipinnasta (c) ja sonokemiallisesti tuotetusta mesohuokoisesta titaanidioksidipinnasta (d). Ultraäänikäsittely tehtiin ultraäänilaitteella UIP1000hdT.
(tutkimus ja kuvat: ©Kuvyrkov et al., 2018)