Les implants, les prothèses orthopédiques et les implants dentaires sont principalement constitués de titane et d'alliages. La sonication est utilisée pour créer des surfaces nanostructurées sur les implants métalliques. La nanostructuration par ultrasons permet de modifier les surfaces métalliques en générant des motifs nanométriques uniformément répartis sur les surfaces des implants. Ces implants métalliques nanostructurés présentent une croissance tissulaire et une ostéointégration nettement améliorées, ce qui se traduit par des taux de réussite clinique plus élevés.

Implants nanostructurés par ultrasons pour une meilleure ostéointégration

L'utilisation de métaux, y compris le titane et les alliages, est courante dans la fabrication d'implants orthopédiques et dentaires en raison de leurs propriétés de surface favorables, permettant l'établissement d'une interface biocompatible avec les tissus péri-implantaires. Afin d'optimiser les performances de ces implants, des stratégies ont été mises au point pour modifier la nature de cette interface en apportant des modifications à l'échelle nanométrique à la surface. Ces modifications exercent une influence notable sur des aspects critiques, notamment l'adsorption des protéines, les interactions entre les cellules et la surface de l'implant (interactions cellule-substrat) et le développement ultérieur des tissus environnants. En réalisant une ingénierie précise de ces modifications à l'échelle du nanomètre, les scientifiques visent à améliorer la bio-intégration et l'efficacité globale des implants, ce qui se traduit par de meilleurs résultats cliniques dans le domaine de l'implantologie.
 

Protocole de nanostructuration ultrasonique des implants en titane

Plusieurs études de recherche ont démontré la nanostructuration simple, mais très efficace, des surfaces de titane et d'alliages à l'aide d'ultrasons de haute intensité. Le traitement sonochimique (c'est-à-dire le traitement par ultrasons) conduit à la formation d'une couche de titane rugueuse de structure spongieuse, qui améliore considérablement la prolifération cellulaire.
Structuration de la surface du titane par traitement sonochimique : Les échantillons de titane de 20 × 20 × 0,5 mm ont été préalablement polis et lavés avec de l'eau désionisée, de l'acétone et de l'éthanol consécutivement pour éliminer tout contaminant. Ensuite, les échantillons de titane ont été traités par ultrasons dans une solution de NaOH de 5 m à l'aide d'un appareil à ultrasons Hielscher UIP1000hd fonctionnant à 20 kHz (voir l'image de gauche). Le sonicateur était équipé d'une sonotrode BS2d22 (surface de la pointe 3,8 cm2) et d'un amplificateur B4-1.4, amplifiant l'amplitude de travail 1,4 fois. L'amplitude mécanique était de ≈81 μm. L'intensité générée était de 200 W cm-2. La puissance maximale absorbée était de 760 W, résultant de la multiplication de l'intensité par la surface frontale (3,8 cm2) de la sonotrode BS2d22 utilisée. Les échantillons de titane ont été fixés dans un support en téflon fait maison et traités pendant 5 minutes.
(cf. Ulasevich et al., 2020)
 

Morphologie de la surface de titane vierge (a), vue de dessus et coupe transversale de la surface mésoporeuse de titane fabriquée par voie sonochimique (TMS) (b), et vue de dessus et coupe transversale des nanotubes de titane (TNT) obtenus par oxydation électrochimique (c). Les encadrés montrent les schémas de la nanostructuration de la surface. Schéma montrant le dépôt d'hydroxyapatite (HA) dans les pores de la matrice de titane (d-f). Images MEB des surfaces de titane (TMS) et de TNT nanostructurées par voie sonochimique avec dépôt chimique d'HA : TMS-HA (g) et TNT-HA (h), respectivement.
(étude et images : ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mécanisme de la nanostructuration ultrasonique des surfaces métalliques

Le traitement ultrasonique des surfaces métalliques entraîne une attaque mécanique des surfaces de titane qui provoque la formation d'une structure mésoporeuse sur le titane.
Le mécanisme des ultrasons est basé sur la cavitation acoustique, qui se produit lorsque des ondes ultrasonores à basse fréquence et à haute intensité sont couplées dans un liquide. Lorsque des ultrasons de forte puissance traversent un liquide, des cycles alternatifs de haute et de basse pression sont générés. Pendant les cycles de basse pression, de minuscules bulles de vide, appelées bulles de cavitation, apparaissent dans le liquide. Ces bulles de cavitation se développent sur plusieurs cycles de pression jusqu'à ce qu'elles ne puissent plus absorber d'énergie. À ce stade de croissance maximale, la bulle de cavitation implose avec une explosion violente et crée un micro-environnement très dense en énergie. Le champ énergétiquement dense de la cavitation acoustique/ultrasonique est caractérisé par des différentiels de pression et de température élevés, avec des pressions allant jusqu'à 2 000 atm et des températures d'environ 5 000 K, des jets de liquides à grande vitesse avec des vitesses allant jusqu'à 280 m/sec et des ondes de choc. Lorsqu'une telle cavitation se produit à proximité d'une surface métallique, il se produit non seulement des forces mécaniques, mais aussi des réactions chimiques.
Dans ces conditions, des réactions d'oxydoréduction se produisent, entraînant des réactions d'oxydation et la formation d'une couche de titane. En plus de générer les espèces réactives de l'oxygène (ROS) qui ont oxydé la surface du titane, les réactions d'oxydo-réduction générées par les ultrasons fournissent une gravure de surface efficace qui permet d'obtenir la couche de dioxyde de titane de 1 μm d'épaisseur. Cela signifie que le dioxyde de titane se dissout partiellement dans une solution alcaline générant les pores distribués de manière désordonnée.
La méthode sonochimique offre un moyen rapide et polyvalent de fabriquer des matériaux nanostructurés, tant inorganiques qu'organiques, qui sont souvent irréalisables par des méthodes conventionnelles. Le principal avantage de cette technique est que la propagation de la cavitation génère d'importants gradients de température locaux dans les solides, ce qui permet d'obtenir des matériaux avec une couche poreuse et des nanostructures désordonnées dans des conditions ambiantes. En outre, l'irradiation externe par ultrasons peut être utilisée pour déclencher la libération de biomolécules encapsulées à travers les pores d'un revêtement nanostructuré.
 

Illustration schématique de la cellule de sonication (a), illustration schématique du processus de structuration de la surface ayant lieu pendant le traitement ultrasonique d'une surface de titane dans une solution alcaline aqueuse (b) et surface formée (c), photo d'implants en titane (d) : l'implant verdâtre (l'échantillon de gauche dans la main) est l'implant après le traitement ultrasonique, l'implant jaunâtre (l'échantillon situé à droite) est l'implant non modifié.
(étude et images : ©Kuvyrkov et al., 2020)

Sonicateurs à haute performance pour la nanostructuration des surfaces d'implants métalliques

Hielscher Ultrasonics propose une gamme complète de sonicateurs pour les nano-applications telles que la nanostructuration des surfaces métalliques (par exemple, le titane et les alliages). En fonction du matériau, de la surface et de la capacité de production des implants, Hielscher vous propose le sonicateur et la sonotrode (sonde) idéaux pour votre application de nanostructuration.
L'un des principaux avantages des sonicateurs Hielscher est le contrôle précis de l'amplitude et la capacité de délivrer des amplitudes très élevées en fonctionnement continu 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. L'amplitude, qui correspond au déplacement de la sonde ultrasonique, est responsable de l'intensité de la sonication et constitue donc un paramètre crucial pour un traitement par ultrasons fiable et efficace.

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leur conception de haut niveau. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration harmonieuse de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande convivialité. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.

Schémas XRD du revêtement de titane fabriqué par traitement thermique du titane poli (a) et du titane poli traité par sonochimie (b) ; images SEM de la surface de titane poli (c) et de la surface de dioxyde de titane mésoporeux générée par sonochimie (d). La sonication a été réalisée à l'aide du sonicateur UIP1000hdT.
(étude et images : ©Kuvyrkov et al., 2018)