Implants nanostructurés par voie sonochimique améliorant l’ostéointégration

Les implants, prothèses orthopédiques et implants dentaires sont principalement fabriqués en titane et en 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 de taille nanométrique uniformément répartis sur les surfaces des implants. Ces implants métalliques nanostructurés présentent une croissance tissulaire et une ostéointégration nettement améliorées, ce qui conduit à de meilleurs taux de succès clinique.

Implants nanostructurés par ultrasons pour une meilleure ostéointégration

L’utilisation de métaux, notamment le titane et ses alliages, est répandue dans la fabrication d’implants orthopédiques et dentaires en raison de leurs propriétés de surface favorables, qui permettent d’établir une interface biocompatible avec les tissus péri-implantaires. Afin d’optimiser les performances de ces implants, des stratégies ont été développées pour modifier la nature de cette interface en apportant des modifications à l’échelle nanométrique à la surface. De telles modifications exercent une influence notable sur des aspects essentiels, 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 concevant avec précision ces modifications à l’échelle nanométrique, les scientifiques visent à améliorer la biointégration et l’efficacité globale des implants, ce qui conduit à de meilleurs résultats cliniques dans le domaine de l’implantologie.

Protocole de nanostructuration par ultrasons d’implants en titane

Plusieurs études de recherche ont démontré la nanostructuration simple, mais très efficace, des surfaces de titane et d’alliages au moyen d’ultrasons de haute intensité. Le traitement sonochimique (c.-à-d. le traitement par ultrasons) conduit à la formation d’une couche rugueuse d’oxyde de titane à structure spongieuse, qui favorise significativement 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, puis lavés successivement à l’eau déionisée, à l’acétone et à l’éthanol afin d’éliminer tout contaminant. Ensuite, les échantillons de titane ont été traités par ultrasons dans une solution de NaOH 5 m à l’aide de l’ultrasonicateur Hielscher UIP1000hd fonctionnant à 20 kHz (voir photo à gauche). Le sonicateur était équipé de la sonotrode BS2d22 (surface de la pointe 3,8 cm2) et du booster B4-1.4, qui amplifie 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 d’entrée maximale était de 760 W, résultant de la multiplication de l’intensité par la surface frontale (de 3,8 cm2) de la sonotrode BS2d22 utilisée. Les échantillons de titane ont été fixés dans un support en téflon de fabrication artisanale et traités pendant 5 min.
(cf. Ulasevich et al., 2020)

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

Mécanisme de la nanostructuration par ultrasons des surfaces métalliques

Le traitement par ultrasons des surfaces métalliques entraîne une gravure mécanique des surfaces de titane, ce qui provoque la formation d’une structure mésoporeuse sur le titane.
Le mécanisme du traitement par ultrasons repose sur la cavitation acoustique, qui se produit lorsque des ondes ultrasonores de basse fréquence et de haute intensité sont couplées dans un liquide. Lorsque des ultrasons de forte puissance traversent un liquide, des cycles alternés de haute pression / 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 croissent sur plusieurs cycles de pression jusqu’à ce qu’elles ne puissent plus absorber d’énergie. À ce point de croissance maximale, la bulle de cavitation implose violemment et crée un micro-environnement à très haute densité énergétique. Le champ à haute densité énergétique de la cavitation acoustique/ultrasonore se caractérise par des différentiels de pression et de température élevés, avec des pressions allant jusqu’à 2 000atm et des températures d’env. 5000 K, des jets de liquide à grande vitesse atteignant jusqu’à 280m/sec et des ondes de choc. Lorsqu’une telle cavitation se produit près d’une surface métallique, il se produit non seulement des forces mécaniques, mais aussi des réactions chimiques.
Dans ces conditions, des réactions redox ont lieu, entraînant des réactions oxydatives et la formation d’une couche d’oxyde de titane. Outre la génération d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) qui ont oxydé la surface du titane, les réactions d’oxydoréduction générées par ultrasons assurent une gravure de surface efficace qui permet d’obtenir une couche de dioxyde de titane de 1 μm d’épaisseur. Cela signifie que le dioxyde de titane se dissout partiellement en solution alcaline, générant des pores répartis de manière désordonnée.
La méthode sonochimique offre une voie rapide et polyvalente pour la fabrication de matériaux nanostructurés, aussi bien inorganiques qu’organiques, qui sont souvent impossibles à obtenir par les 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 donne des matériaux dotés d’une couche poreuse et de nanostructures désordonnées dans les conditions ambiantes. De plus, l’irradiation ultrasonore externe peut être utilisée pour déclencher la libération de biomolécules encapsulées à travers les pores du revêtement nanostructuré.

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

Sonicateurs haute performance pour la nanostructuration des surfaces d’implants métalliques

Hielscher Ultrasonics propose la gamme complète de sonicateurs pour les nano-applications telles que la nanostructuration de surfaces métalliques (p. ex. titane et alliages). En fonction du matériau, de la surface et de la cadence 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 à délivrer des amplitudes très élevées en fonctionnement continu 24/7. L’amplitude, qui correspond au déplacement de la sonde à ultrasons, détermine 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 ultrasonicateurs Hielscher sont réputés pour leurs normes de qualité et de conception les plus élevées. Leur robustesse et leur facilité d’utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasonicateurs dans les installations industrielles. Les ultrasonicateurs Hielscher font face sans difficulté aux conditions difficiles et aux environnements exigeants.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et accorde une importance particulière aux ultrasonicateurs haute performance alliant technologie de pointe et convivialité. Bien entendu, les ultrasonicateurs Hielscher sont conformes CE et répondent aux exigences UL, CSA et RoHs.

Diagrammes DRX du revêtement d’oxyde de titane fabriqué par traitement thermique du titane poli (a) et du titane poli traité par voie sonochimique (b) ; images MEB de la surface de titane poli (c) et de la surface mésoporeuse de dioxyde de titane générée par voie sonochimique (d). La sonication a été réalisée à l’aide du sonicateur UIP1000hdT.
(étude et images : ©Kuvyrkov et al., 2018)