Implantit, ortopediset proteesit ja hammasimplantit valmistetaan pääasiassa titaanista ja seoksista. Sonikaatiota käytetään nanorakenteisten pintojen luomiseen metallisiin implantteihin. Ultraääninanorakenne mahdollistaa metallipintojen muokkaamisen, mikä tuottaa tasaisesti jakautuneita nanokokoisia kuvioita implantin pinnoille. Nämä nanorakenteiset metalliset implantit osoittavat merkittävästi parantunutta kudosten kasvua ja osseointegraatiota, mikä johtaa parempiin kliinisiin onnistumisasteisiin.

Ultraäänellä nanorakenteiset implantit parantavat osseointegraatiota

Metallien, kuten titaanin ja seosten, käyttö on yleistä ortopedisten ja hammasimplanttien valmistuksessa niiden suotuisten pintaominaisuuksien vuoksi, mikä mahdollistaa bioyhteensopivan rajapinnan luomisen implanttia edeltävien kudosten kanssa. Näiden implanttien suorituskyvyn optimoimiseksi on kehitetty strategioita tämän rajapinnan luonteen muuttamiseksi toteuttamalla nanomittakaavan muutoksia pinnalla. Tällaisilla muutoksilla on huomattava vaikutus kriittisiin näkökohtiin, kuten proteiinien adsorptioon, solujen ja implantin pinnan välisiin vuorovaikutuksiin (solujen ja substraattien vuorovaikutukset) sekä ympäröivän kudoksen myöhempään kehittymiseen. Suunnittelemalla tarkasti nämä nanometritason muutokset tutkijat pyrkivät parantamaan implanttien biointegraatiota ja yleistä tehokkuutta, mikä johtaa parempiin kliinisiin tuloksiin implantologian alalla.
 

Protokolla titaani-implanttien ultraääninanostrukturointiin

Useat tutkimukset ovat osoittaneet titaani- ja seospintojen yksinkertaisen, mutta tehokkaan nanorakenteen korkean intensiteetin ultraäänellä. Sonokemiallinen käsittely (eli ultraäänikäsittely) johtaa karkean sienimäisen rakenteen titaniakerroksen muodostumiseen, mikä osoittaa merkittävästi parantavan solujen lisääntymistä.
Titaanipinnan jäsentäminen sonokemiallisella käsittelyllä: 20 × 20 × 0,5 mm: n titaaninäytteet kiillotettiin ja pestiin aiemmin deionisoidulla vedellä, asetonilla ja etanolilla peräkkäin epäpuhtauksien poistamiseksi. Myöhemmin titaaninäytteitä käsiteltiin ultraäänellä 5 m NaOH-liuoksessa käyttäen Hielscher-ultraäänilaitetta UIP1000hd, jota käytettiin 20 kHz: llä (katso kuva vasemmalla). Sonikaattori oli varustettu sonotrode BS2d22: lla (kärjen pinta-ala 3,8 cm2) ja tehostimella B4-1,4, suurentamalla työamplitudia 1,4 kertaa. Mekaaninen amplitudi oli ≈81 μm. Tuotettu intensiteetti oli 200 W cm−2. Suurin ottoteho oli 760 W, joka saatiin kertomalla intensiteetti käytetyn sonotrode BS2d22: n etupinta-alalla (3,8 cm2). Titaaninäytteet kiinnitettiin kotitekoiseen teflonpidikkeeseen ja niitä käsiteltiin 5 minuutin ajan.
(vrt. Ulasevich et al., 2020)
 

Koskemattoman titaanipinnan (a), sonokemiallisesti valmistetun titanian mesohuokoisen pinnan (TMS) morfologia ylhäältä katsottuna ja poikkileikkauksena (b) sekä sähkökemiallisella hapetuksella (c) saatujen titania-nanoputkien (TNT) ylhäältä katsottuna ja poikkileikkauksena. Upotukset osoittavat pinnan nanorakenteen kaaviot. Kaavio, joka osoittaa hydroksiapatiitin (HA) kerrostumisen titaniamatriisin (d-f) huokosiin. SEM-kuvat sonokemiallisesta nanorakenteisesta titaanista (TMS) ja TNT-pinnoista, joissa on kemiallisesti kerrostunut HA: TMS-HA (g) ja TNT-HA (h).
(tutkimus ja kuvat: ©Kuvyrkov et ai., 2020)

Metallipintojen ultraääninanorakenteen mekanismi

Metallipintojen ultraäänikäsittely johtaa titaanipintojen mekaaniseen syövytykseen, mikä aiheuttaa mesohuokoisen rakenteen muodostumisen titaanille.
Ultraäänimekanismin mekanismi perustuu akustiseen kavitaatioon, joka tapahtuu, kun matalataajuiset, korkean intensiteetin ultraääniaallot kytketään nesteeseen. Kun suuritehoinen ultraääni kulkee nesteen läpi, syntyy vuorotellen korkeapaine- / matalapainesyklejä. Matalapainesyklien aikana nesteeseen syntyy pieniä tyhjiökuplia, niin sanottuja kavitaatiokuplia. Nämä kavitaatiokuplat kasvavat useiden painesyklien aikana, kunnes ne eivät pysty absorboimaan enää energiaa. Tässä kuplan maksimaalisen kasvun vaiheessa kavitaatiokupla romahtaa rajulla purkauksella ja luo erittäin energiatiheän mikroympäristön. Energiatiheälle akustisen / ultraäänikavitaation kentälle on ominaista korkeat paine- ja lämpötilaerot, joiden paine on jopa 2,000atm ja lämpötilat noin 5000 K, nopeat nestesuihkut, joiden nopeus on jopa 280 m / s ja shokkiaallot. Kun tällainen kavitaatio tapahtuu lähellä metallipintaa, ei tapahdu vain mekaanisia voimia, vaan myös kemiallisia reaktioita.
Näissä olosuhteissa tapahtuu redoksireaktioita, jotka johtavat oksidatiivisiin reaktioihin ja titaniakerroksen muodostumiseen. Sen lisäksi, että tuotetaan reaktiivisia happilajeja (ROS), jotka hapettivat titaanipinnan, ultraäänellä tuotetut hapetus-pelkistysreaktiot tarjoavat tehokkaan pinnan syövytyksen, joka johtaa 1 μm paksuisen titaanidioksidikerroksen saamiseen. Tämä tarkoittaa, että titaanidioksidi liukenee osittain emäksiseen liuokseen, jolloin huokoset jakautuvat epäsäännöllisesti.
Sonokemiallinen menetelmä tarjoaa nopean ja monipuolisen sekä epäorgaanisten että orgaanisten nanorakenteisten materiaalien valmistukseen, joita ei usein voida saavuttaa tavanomaisilla menetelmillä. Tämän tekniikan suurin etu on, että kavitaation eteneminen tuottaa suuria paikallisia lämpötilagradientteja kiintoaineissa, mikä johtaa materiaaleihin, joissa on huokoinen kerros ja epäsäännölliset nanorakenteet huoneolosuhteissa. Lisäksi ulkoista ultraäänisäteilytystä voidaan käyttää laukaisemaan kapseloitujen biomolekyylien vapautuminen nanorakenteisen pinnoitteen huokosten läpi.
 

hän kaavamainen kuva sonikaatiosolusta (A), Kaaviokuva pintarakenneprosessista, joka tapahtuu titaanipinnan ultraäänikäsittelyn aikana emäksisessä vesiliuoksessa (b) ja muodostetussa pinnassa (c), kuva titaani-implanteista (D): vihertävä (vasen näyte kädessä) on implantti ultraäänikäsittelyn jälkeen, kellertävä (näyte sijaitsee oikealla) on modifioimaton implantti.
(tutkimus ja kuvat: ©Kuvyrkov et ai., 2020)

Korkean suorituskyvyn sonikaattorit metallisten implanttipinnojen nanojäsentämiseen

Hielscher Ultrasonics tarjoaa täyden valikoiman sonikoijia nanosovelluksiin, kuten metallipintojen (esim. titaani ja seokset) nanorakenteisiin. Implanttien materiaalista, pinta-alasta ja tuotannon läpäisykyvystä riippuen Hielscher tarjoaa sinulle ihanteellisen sonikaattorin ja sonotrodin (koettimen) nanorakennesovelluksellesi.
Yksi Hielscher-sonikaattoreiden tärkeimmistä eduista on tarkka amplitudin säätö ja kyky tuottaa erittäin suuria amplitudit jatkuvassa 24/7-toiminnassa. Amplitudi, joka on ultraäänianturin siirtymä, on vastuussa sonikaatiointensiteetistä) ja siten luotettavan ja tehokkaan ultraäänihoidon ratkaiseva parametri.

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Laatu valmistettu Saksassa

Hielscherin ultraäänilaitteet ovat tunnettuja korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppo käyttö mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscherin ultraäänilaitteet käsittelevät helposti karkeita olosuhteita ja vaativia ympäristöjä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita, joissa on uusinta tekniikkaa ja käyttäjäystävällisyyttä. Tietenkin Hielscherin ultraäänilaitteet ovat CE-yhteensopivia ja täyttävät UL: n, CSA: n ja RoHs: n vaatimukset.

Kiillotetun titaanin (a) ja sonokemiallisesti käsitellyn kiillotetun titaanin (b) lämpökäsittelyllä valmistetun Titania-pinnoitteen XRD-kuviot; SEM-kuvat kiillotetusta titaanipinnasta (c) ja sonokemiallisesti tuotetusta mesohuokoisesta titaanidioksidipinnasta (d). Sonikaatio suoritettiin käyttämällä sonicator UIP1000hdT: tä.
(tutkimus ja kuvat: ©Kuvyrkov et ai., 2018)