שתלים ננו-מובנים סונוכימיים המשפרים אוסאואינטגרציה

שתלים, תותבות אורתופדיות ושתלים דנטליים עשויים בעיקר מטיטניום וסגסוגות. סוניקציה משמשת ליצירת משטחים ננו-מבניים על שתלים מתכתיים. ננו-מבנה על-קולי מאפשר לשנות משטחים מתכתיים היוצרים תבניות ננומטריות מפוזרות באופן אחיד על משטחי שתלים. שתלים מתכתיים ננו-מובנים אלה מראים שיפור משמעותי בצמיחת רקמות ואוסאואינטגרציה המובילה לשיעורי הצלחה קליניים משופרים.

שתלים ננו-מובנים אולטרה-סוניים לשיפור האוסאואינטגרציה

השימוש במתכות, כולל טיטניום וסגסוגות, נפוץ בייצור שתלים אורתופדיים ודנטליים בשל תכונות פני השטח החיוביות שלהם, המאפשרים יצירת ממשק תואם ביולוגית עם רקמות פרי שתלים. כדי לייעל את הביצועים של שתלים אלה, פותחו אסטרטגיות לשינוי אופי ממשק זה על ידי יישום שינויים ננומטריים על פני השטח. לשינויים כאלה יש השפעה ניכרת על היבטים קריטיים, כולל ספיחת חלבונים, אינטראקציות בין תאים לבין פני השטח של השתל (אינטראקציות תא-מצע), והתפתחות הרקמה שמסביב לאחר מכן. על ידי הנדסה מדויקת של שינויים אלה ברמה הננומטרית, מדענים שואפים לשפר את הביואינטגרציה ואת היעילות הכוללת של שתלים, מה שיוביל לתוצאות קליניות משופרות בתחום האימפלנטולוגיה.
 

פרוטוקול לננוסטרוקציה על-קולית של שתלי טיטניום

מספר מחקרים הדגימו את המבנה הפשוט אך היעיל ביותר של משטחי טיטניום וסגסוגת באמצעות אולטרסאונד בעוצמה גבוהה. הטיפול הסונוכימי (כלומר טיפול אולטרסאונד) מוביל להיווצרות שכבת טיטניה גסה בעלת מבנה דמוי ספוג, אשר מראה שיפור משמעותי בהתפשטות התאים.
בניית משטח טיטניום באמצעות טיפול סונוכימי: דגימות הטיטניום של 20 × 20 × 0.5 מ"מ לוטשו בעבר ונשטפו במים נטולי יונים, אצטון ואתנול ברציפות כדי לחסל מזהמים. לאחר מכן, דגימות טיטניום טופלו באולטרסאונד בתמיסת NaOH 5 מ' באמצעות אולטרסוניקטור Hielscher UIP1000hd שהופעל במהירות 20 קילוהרץ (ראה תמונה משמאל). הסוניקטור היה מצויד בסונוטרוד BS2d22 (שטח הפנים של קצה 3.8 סמ"ר) ובמאיץ B4-1.4, המגדיל את משרעת העבודה פי 1.4. המשרעת המכנית הייתה ≈81 מיקרומטר. העוצמה שנוצרה הייתה של 200 ואט ס"מ−2. קלט הכוח המרבי היה 760 W כתוצאה מכפל העוצמה עם השטח הקדמי (עם 3.8 סמ"ר) של הסונוטרודה BS2d22 המשומשת. דגימות טיטניום נקבעו במחזיק טפלון ביתי וטופלו במשך 5 דקות.
(ראה: Ulasevich et al., 2020)
 

מורפולוגיה של משטח טיטניום טהור (a), משטח טיטניה מזופורוס מפוברק סונוכימית (TMS) מבט עליון וחתך רוחב (b), ומבט עליון וחתך רוחב של ננו-צינוריות טיטניה (TNT) המתקבלות על ידי חמצון אלקטרוכימי (c). כניסות מציגות את הסכימות של ננו-מבנה פני השטח. סכימה המראה את שקיעת הידרוקסיאפטיט (HA) לתוך הנקבוביות של מטריצת טיטניה (d-f). תמונות SEM של משטחי טיטניום ננו-מובנים סונוכימיים (TMS) ו-TNT עם HA שהושקעו כימית: TMS-HA (g) ו-TNT-HA (h), בהתאמה.
(מחקר ותמונות: ©Kuvyrkov et al., 2020)

מנגנון של ננוסטרוקציה קולית של משטחי מתכת

הטיפול האולטרסוני במשטחי מתכת מוביל לחריטה מכנית של משטחי טיטניום, מה שגורם להיווצרות מבנה מזופורוס על טיטניום.
המנגנון של המנגנון העל-קולי מבוסס על קוויטציה אקוסטית, המתרחשת כאשר גלי אולטרסאונד בתדר נמוך ובעוצמה גבוהה מצומדים לנוזל. כאשר אולטרסאונד בעוצמה גבוהה עובר דרך נוזל, נוצרים לסירוגין מחזורי לחץ גבוה / לחץ נמוך. במהלך מחזורי הלחץ הנמוך בועות ואקום זעירות, מה שנקרא בועות קוויטציה מתעוררות בנוזל. בועות קוויטציה אלה גדלות במשך מספר מחזורי לחץ עד שאינן מסוגלות לספוג אנרגיה נוספת. בנקודה זו של צמיחה מקסימלית של הבועה, בועת הקוויטציה מתפוצצת בהתפרצות אלימה ויוצרת מיקרו-סביבה צפופה מאוד באנרגיה. השדה עתיר האנרגיה של קוויטציה אקוסטית/קולית מאופיין בהפרשי לחץ וטמפרטורה גבוהים המציגים לחצים של עד 2,000 אטמ"מ וטמפרטורות של כ-5,000 K, סילוני נוזלים מהירים עם מהירויות של עד 280 מטר לשנייה וגלי הלם. כאשר קוויטציה כזו מתרחשת ליד משטח מתכתי לא רק כוחות מכניים אלא גם תגובות כימיות להתרחש.
בתנאים אלה מתרחשות תגובות חמצון-חיזור המובילות לתגובות חמצון-חיזור ולהיווצרות שכבת טיטניה. מלבד יצירת מיני החמצן הריאקטיבי (ROS) שחימצנו את משטח הטיטניום, תגובות חמצון-הפחתה שנוצרו באולטרסאונד מספקות תחריט משטח יעיל שמביא לקבלת שכבת טיטניום דו-חמצני בעובי 1 מיקרומטר. משמעות הדבר היא שטיטניום דו-חמצני מתמוסס חלקית בתמיסה בסיסית ויוצר את הנקבוביות המפוזרות בצורה לא מסודרת.
השיטה הסונוכימית מציעה פתרון מהיר ורב-תכליתי לייצור חומרים ננו-מבניים, אנאורגניים ואורגניים כאחד, שלעתים קרובות אינם ניתנים להשגה בשיטות קונבנציונליות. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהתפשטות הקוויטציה יוצרת שיפועי טמפרטורה מקומיים גדולים במוצקים, וכתוצאה מכך חומרים בעלי שכבה נקבובית וננו-מבנים לא מסודרים בתנאי החדר. בנוסף, ניתן להשתמש בקרינת האולטרסאונד החיצונית כדי לעורר שחרור של ביומולקולות עטופות דרך נקבוביות בציפוי ננו-מבני.
 

האיור הסכמטי של תא הסוניקציה (a), איור סכמטי של תהליך בניית פני השטח המתרחש במהלך הטיפול האולטרסוני במשטח טיטניום בתמיסת אלקליין מימית (b) ומשטח נוצר (c), תמונה של שתלי טיטניום (d): הירקרק (הדגימה השמאלית ביד) מושתל לאחר טיפול אולטרסוני, הצהבהב (הדגימה ממוקמת מימין) הוא שתל ללא שינוי.
(מחקר ותמונות: ©Kuvyrkov et al., 2020)

סוניקטורים בעלי ביצועים גבוהים למבנה ננו-מבני של משטחי שתל מתכתי

Hielscher Ultrasonics מציעה את המגוון המלא של sonicators עבור ננו-יישומים כגון nanostructuring של משטחים מתכתיים (למשל טיטניום וסגסוגות). בהתאם לחומר, שטח הפנים ותפוקת הייצור של שתלים, Hielscher מציעה לך את הסוניקטור האידיאלי סונוטרודה (בדיקה) בשבילך יישום ננו-מבנה.
אחד היתרונות העיקריים של הסוניקטורים של Hielscher הוא בקרת המשרעת המדויקת והיכולת לספק אמפליטודות גבוהות מאוד בפעולה רציפה 24/7. המשרעת, שהיא תזוזה של הגשושית העל-קולית, אחראית על עוצמת הסוניקציה) ולכן פרמטר מכריע של טיפול קולי אמין ויעיל.

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

Hielscher ultrasonicators ידועים באיכות הגבוהה ביותר שלהם סטנדרטים עיצוב. חוסן ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. תנאים קשים וסביבות תובעניות מטופלים בקלות על ידי אולטרסוניקטורים Hielscher.

Hielscher Ultrasonics היא חברה מוסמכת ISO לשים דגש מיוחד על ultrasonicators ביצועים גבוהים שמציעות טכנולוגיה חדישה וידידותיות למשתמש. כמובן, Hielscher ultrasonicators הם תואמי CE ולעמוד בדרישות של UL, CSA ו RoHs.

תבניות XRD של ציפוי טיטניה שנוצרו על ידי טיפול תרמי בטיטניום מלוטש (a) וטיטניום מלוטש שעבר טיפול סונוכימי (b); תמונות SEM של משטח טיטניום מלוטש (c) ומשטח טיטניום דו-חמצני מזופורוס שנוצר באופן סונוכימי (d). הסוניקציה בוצעה באמצעות הסוניקטור UIP1000hdT.
(מחקר ותמונות: ©Kuvyrkov et al., 2018)