અસ્થિ સાથેનું એકીકરણ સુધારતા સોનોકેમિકલ રીતે નેનોસંરચિત ઇમ્પ્લાન્ટ

ઇમ્પ્લાન્ટ, ઓર્થોપેડિક કૃત્રિમાંગો અને દંત ઇમ્પ્લાન્ટ મુખ્યત્વે ટાઇટેનિયમ અને મિશ્રધાતુઓમાંથી બનાવવામાં આવે છે. ધાતુના ઇમ્પ્લાન્ટ પર નેનોસંરચિત સપાટીઓ બનાવવા માટે સોનિકેશનનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. અલ્ટ્રાસોનિક નેનોસંરચન દ્વારા ઇમ્પ્લાન્ટની સપાટી પર સમાનરૂપે વિતરિત નેનોકદની આકૃતિઓ ઉત્પન્ન કરીને ધાતુની સપાટીઓમાં ફેરફાર કરી શકાય છે. આ નેનોસંરચિત ધાતુના ઇમ્પ્લાન્ટમાં પેશીઓની વૃદ્ધિ અને અસ્થિ સાથેના એકીકરણમાં નોંધપાત્ર સુધારો જોવા મળે છે, જેના પરિણામે ક્લિનિકલ સફળતાના દરમાં સુધારો થાય છે.

અસ્થિ સાથેના સુધારેલા એકીકરણ માટે અલ્ટ્રાસોનિક રીતે નેનોસંરચિત ઇમ્પ્લાન્ટ

ટાઇટેનિયમ અને મિશ્રધાતુઓ સહિતની ધાતુઓના અનુકૂળ સપાટી ગુણધર્મોને કારણે ઓર્થોપેડિક અને દંત ઇમ્પ્લાન્ટના નિર્માણમાં તેમનો વ્યાપક ઉપયોગ થાય છે. આ ગુણધર્મો ઇમ્પ્લાન્ટની આસપાસની પેશીઓ સાથે જૈવસુસંગત આંતરપૃષ્ઠ સ્થાપિત કરવાનું શક્ય બનાવે છે. આ ઇમ્પ્લાન્ટની કાર્યક્ષમતા શ્રેષ્ઠ બનાવવા માટે સપાટી પર નેનોસ્તરના ફેરફારો કરીને આ આંતરપૃષ્ઠનું સ્વરૂપ બદલવાની વ્યૂહરચનાઓ વિકસાવવામાં આવી છે. આવા ફેરફારો પ્રોટીનના અધિશોષણ, કોષો અને ઇમ્પ્લાન્ટની સપાટી વચ્ચેની આંતરક્રિયાઓ (કોષ–આધારપૃષ્ઠ આંતરક્રિયાઓ) અને ત્યારબાદ આસપાસની પેશીઓના વિકાસ સહિતના મહત્વપૂર્ણ પાસાઓ પર નોંધપાત્ર પ્રભાવ પાડે છે. નેનોમીટર સ્તરના આ ફેરફારોને ચોકસાઈપૂર્વક રચીને વૈજ્ઞાનિકો ઇમ્પ્લાન્ટના જૈવિક એકીકરણ અને સમગ્ર અસરકારકતાને વધારવાનો હેતુ ધરાવે છે, જેનાથી ઇમ્પ્લાન્ટોલોજીના ક્ષેત્રમાં ક્લિનિકલ પરિણામોમાં સુધારો થાય છે.
 

ટાઇટેનિયમ ઇમ્પ્લાન્ટના અલ્ટ્રાસોનિક નેનોસંરચન માટેની પ્રક્રિયાવિધિ

અનેક સંશોધન અભ્યાસોએ ઉચ્ચ તીવ્રતાવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ કરીને ટાઇટેનિયમ અને મિશ્રધાતુઓની સપાટીઓનું સરળ છતાં અત્યંત અસરકારક નેનોસંરચન દર્શાવ્યું છે. સોનોકેમિકલ ઉપચાર (એટલે કે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ઉપચાર) દ્વારા સ્પોન્જ જેવી સંરચના ધરાવતું ખરબચડું ટાઇટેનિયા સ્તર બને છે, જે કોષોની સંખ્યાવૃદ્ધિમાં નોંધપાત્ર વધારો કરે છે.
સોનોકેમિકલ ઉપચાર દ્વારા ટાઇટેનિયમની સપાટીનું સંરચન: કોઈપણ દૂષકો દૂર કરવા માટે 20 × 20 × 0.5 mm ના ટાઇટેનિયમ નમૂનાઓને અગાઉથી પોલિશ કરવામાં આવ્યા હતા અને ક્રમશઃ વિઆયનીકૃત પાણી, એસિટોન અને ઇથેનોલથી ધોવામાં આવ્યા હતા. ત્યારબાદ, 20 kHz પર ચલાવવામાં આવતા Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટર UIP1000hd નો ઉપયોગ કરીને ટાઇટેનિયમ નમૂનાઓને 5 m NaOH દ્રાવણમાં અલ્ટ્રાસોનિક ઉપચાર આપવામાં આવ્યો હતો (ડાબી બાજુનું ચિત્ર જુઓ). સોનિકેટરમાં સોનોટ્રોડ BS2d22 (ટોચનું સપાટી ક્ષેત્રફળ 3.8 cm2) અને કાર્યકારી કંપવિસ્તારને 1.4 ગણો વધારતું બૂસ્ટર B4-1.4 લગાવવામાં આવ્યાં હતાં. યાંત્રિક કંપવિસ્તાર ≈81 μm હતો. ઉત્પન્ન થયેલી તીવ્રતા 200 W cm−2 હતી. મહત્તમ પાવર ઇનપુટ 760 W હતું, જે તીવ્રતાને ઉપયોગમાં લેવાયેલા સોનોટ્રોડ BS2d22 ના અગ્રભાગના ક્ષેત્રફળ (3.8 cm2) સાથે ગુણવાથી મળ્યું હતું. ટાઇટેનિયમ નમૂનાઓને સ્વનિર્મિત Teflon ધારકમાં સ્થિર કરવામાં આવ્યા હતા અને 5 min સુધી ઉપચાર આપવામાં આવ્યો હતો.
(જુઓ: Ulasevich et al., 2020)
 

મૂળ ટાઇટેનિયમ સપાટીનું આકારવિજ્ઞાન (a), સોનોકેમિકલ રીતે બનાવેલી ટાઇટેનિયાની મેસોપોરસ સપાટી (TMS)નો ઉપરથી દેખાવ અને અનુપ્રસ્થ છેદ (b), અને વિદ્યુતરાસાયણિક ઓક્સિડેશન દ્વારા મેળવેલી ટાઇટેનિયા નેનોટ્યુબ (TNT)નો ઉપરથી દેખાવ અને અનુપ્રસ્થ છેદ (c). અંતઃચિત્રોમાં સપાટીના નેનોસંરચનની યોજનાત્મક આકૃતિઓ દર્શાવવામાં આવી છે. ટાઇટેનિયા મેટ્રિક્સનાં છિદ્રોમાં હાઇડ્રોક્સિએપેટાઇટ (HA)નું નિક્ષેપણ દર્શાવતી યોજનાત્મક આકૃતિ (d-f). રાસાયણિક રીતે નિક્ષેપિત HA ધરાવતી સોનોકેમિકલ રીતે નેનોસંરચિત ટાઇટેનિયમ (TMS) અને TNT સપાટીઓનાં SEM ચિત્રો: અનુક્રમે TMS-HA (g) અને TNT-HA (h).
(અભ્યાસ અને ચિત્રો: ©Kuvyrkov et al., 2020)

ધાતુની સપાટીઓના અલ્ટ્રાસોનિક નેનોસંરચનની કાર્યપદ્ધતિ

ધાતુની સપાટીઓની અલ્ટ્રાસોનિક સારવારથી ટાઇટેનિયમની સપાટીઓનું યાંત્રિક એચિંગ થાય છે, જેના કારણે ટાઇટેનિયમ પર મેસોપોરસ સંરચના બને છે.
અલ્ટ્રાસોનિક સારવારની કાર્યપદ્ધતિ ધ્વનિક કેવિટેશન પર આધારિત છે, જે ઓછી આવર્તનવાળા, ઊંચી તીવ્રતાવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગોની ઊર્જા પ્રવાહીમાં સંયોજિત કરવામાં આવે ત્યારે થાય છે. જ્યારે ઉચ્ચ શક્તિવાળું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પ્રવાહીમાંથી પસાર થાય છે, ત્યારે વારાફરતી ઉચ્ચ દબાણ / નિમ્ન દબાણનાં ચક્રો ઉત્પન્ન થાય છે. નિમ્ન દબાણનાં ચક્રો દરમિયાન પ્રવાહીમાં સૂક્ષ્મ શૂન્યાવકાશી પરપોટા ઉત્પન્ન થાય છે, જેને કેવિટેશન પરપોટા કહેવામાં આવે છે. આ કેવિટેશન પરપોટા અનેક દબાણ ચક્રો દરમિયાન વધતા રહે છે, જ્યાં સુધી તેઓ વધુ ઊર્જા શોષી શકતા નથી. પરપોટાની વૃદ્ધિના આ મહત્તમ બિંદુએ, કેવિટેશન પરપોટો પ્રચંડ વિસ્ફોટ સાથે અંદરની તરફ તૂટી પડે છે અને અત્યંત ઊર્જા-સઘન સૂક્ષ્મ પર્યાવરણ સર્જે છે. ધ્વનિક/અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશનનું ઊર્જા-સઘન ક્ષેત્ર દબાણ અને તાપમાનના મોટા તફાવતોથી લાક્ષણિકતા ધરાવે છે, જેમાં 2,000atm સુધીનું દબાણ અને આશરે 5000 K તાપમાન, 280m/sec સુધીના વેગવાળા પ્રવાહીના ઝડપી જેટ અને આઘાત તરંગો જોવા મળે છે. જ્યારે આવું કેવિટેશન ધાતુની સપાટીની નજીક થાય છે, ત્યારે યાંત્રિક બળો ઉપરાંત રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ પણ થાય છે.
આ પરિસ્થિતિઓમાં રેડોક્સ પ્રતિક્રિયાઓ થાય છે, જેનાથી ઓક્સિડેટિવ પ્રતિક્રિયાઓ થાય છે અને ટાઇટેનિયાનું સ્તર બને છે. ટાઇટેનિયમની સપાટીનું ઓક્સિડેશન કરતી પ્રતિક્રિયાશીલ ઓક્સિજન પ્રજાતિઓ (ROS) ઉત્પન્ન કરવા ઉપરાંત, અલ્ટ્રાસોનિક રીતે ઉત્પન્ન થતી ઓક્સિડેશન-રિડક્શન પ્રતિક્રિયાઓ સપાટીનું અસરકારક એચિંગ કરે છે, જેના પરિણામે 1 μm જાડું ટાઇટેનિયમ ડાયોક્સાઇડનું સ્તર પ્રાપ્ત થાય છે. આનો અર્થ એ છે કે ટાઇટેનિયમ ડાયોક્સાઇડ ક્ષારીય દ્રાવણમાં આંશિક રીતે ઓગળે છે, જેનાથી અવ્યવસ્થિત રીતે વિતરિત છિદ્રો બને છે.
સોનોકેમિકલ પદ્ધતિ અકાર્બનિક અને કાર્બનિક બંને પ્રકારની નેનોસંરચિત સામગ્રીઓના નિર્માણ માટે એક ઝડપી અને બહુમુખી ઉપાય પૂરો પાડે છે, જેનું નિર્માણ પરંપરાગત પદ્ધતિઓ દ્વારા ઘણી વાર શક્ય હોતું નથી. આ તકનીકનો મુખ્ય ફાયદો એ છે કે કેવિટેશનનો પ્રસાર ઘન પદાર્થોમાં મોટા સ્થાનિક તાપમાન પ્રવણતાઓ ઉત્પન્ન કરે છે, જેના પરિણામે સામાન્ય ઓરડાની પરિસ્થિતિઓમાં છિદ્રાળુ સ્તર અને અવ્યવસ્થિત નેનોસંરચનાઓ ધરાવતી સામગ્રીઓ બને છે. વધુમાં, નેનોસંરચિત આવરણનાં છિદ્રો દ્વારા આવરિત જૈવઅણુઓનું મુક્તિકરણ શરૂ કરવા માટે બાહ્ય અલ્ટ્રાસાઉન્ડ વિકિરણનો ઉપયોગ કરી શકાય છે.
 

સોનિકેશન કોષનું યોજનાત્મક ચિત્રણ (a), જલીય ક્ષારીય દ્રાવણમાં ટાઇટેનિયમની સપાટીની અલ્ટ્રાસોનિક સારવાર દરમિયાન થતી સપાટી સંરચનાની પ્રક્રિયાનું યોજનાત્મક ચિત્રણ (b) અને બનેલી સપાટી (c), ટાઇટેનિયમ ઇમ્પ્લાન્ટનો ફોટો (d): લીલાશ પડતો ઇમ્પ્લાન્ટ (હાથમાં ડાબી બાજુનો નમૂનો) અલ્ટ્રાસોનિક સારવાર પછીનો છે, જ્યારે પીળાશ પડતો ઇમ્પ્લાન્ટ (જમણી બાજુ રહેલો નમૂનો) ફેરફાર કરાયા વિનાનો છે.
(અભ્યાસ અને ચિત્રો: ©Kuvyrkov et al., 2020)

ધાતુના ઇમ્પ્લાન્ટની સપાટીઓને નેનોસંરચિત કરવા માટે ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા સોનિકેટર્સ

Hielscher Ultrasonics ધાતુની સપાટીઓને (દા.ત. ટાઇટેનિયમ અને મિશ્રધાતુઓ) નેનોસંરચિત કરવા જેવા નેનો-અનુપ્રયોગો માટે સોનિકેટર્સની સંપૂર્ણ શ્રેણી પૂરી પાડે છે. ઇમ્પ્લાન્ટની સામગ્રી, સપાટીના ક્ષેત્રફળ અને ઉત્પાદન દરના આધારે, Hielscher તમારા નેનોસંરચના અનુપ્રયોગ માટે આદર્શ સોનિકેટર અને સોનોટ્રોડ (પ્રોબ) પૂરા પાડે છે.
Hielscher સોનિકેટર્સના મુખ્ય ફાયદાઓમાંનો એક કંપવિસ્તારનું ચોક્કસ નિયંત્રણ અને સતત 24/7 કામગીરીમાં ખૂબ ઊંચા કંપવિસ્તાર પૂરા પાડવાની ક્ષમતા છે. કંપવિસ્તાર, જે અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબનું વિસ્થાપન છે, તે સોનિકેશનની તીવ્રતા) માટે જવાબદાર છે અને તેથી વિશ્વસનીય તથા અસરકારક અલ્ટ્રાસોનિક સારવારનું એક નિર્ણાયક પરિમાણ છે.

ડિઝાઇન, ઉત્પાદન અને પરામર્શ – જર્મનીમાં નિર્મિત ગુણવત્તા

Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ તેમની સર્વોચ્ચ ગુણવત્તા અને ડિઝાઇનના ધોરણો માટે જાણીતા છે. મજબૂતાઈ અને સરળ સંચાલનને કારણે અમારા અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સને ઔદ્યોગિક સુવિધાઓમાં સહજતાથી સંકલિત કરી શકાય છે. Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ કઠોર પરિસ્થિતિઓ અને પડકારજનક વાતાવરણમાં સરળતાથી કાર્ય કરે છે.

Hielscher Ultrasonics એક ISO પ્રમાણિત કંપની છે અને અત્યાધુનિક ટેકનોલોજી તથા વપરાશકર્તા માટેની સરળતા ધરાવતા ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ પર વિશેષ ભાર મૂકે છે. નિઃસંદેહ, Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ CE અનુરૂપ છે અને UL, CSA તથા RoHs ની આવશ્યકતાઓ પૂરી કરે છે.

પોલિશ કરેલા ટાઇટેનિયમ (a) અને સોનોકેમિકલ રીતે પ્રક્રિયા કરેલા પોલિશ્ડ ટાઇટેનિયમ (b) ની ઉષ્મીય પ્રક્રિયા દ્વારા બનાવેલા ટાઇટેનિયા આવરણના XRD પેટર્ન; પોલિશ કરેલી ટાઇટેનિયમ સપાટી (c) અને સોનોકેમિકલ રીતે બનાવેલી મધ્યમ કદનાં છિદ્રો ધરાવતી ટાઇટેનિયમ ડાયોક્સાઇડ સપાટી (d) ની SEM છબીઓ. સોનિકેટર UIP1000hdT નો ઉપયોગ કરીને સોનિકેશન કરવામાં આવ્યું હતું.
(અભ્યાસ અને છબીઓ: ©Kuvyrkov et al., 2018)