שתלים בעלי מבנה ננומטרי שנוצר בסונוכימיה המשפרים את ההשתלבות בעצם

שתלים, תותבים אורתופדיים ושתלים דנטליים מיוצרים בעיקר מטיטניום ומסגסוגות. סוניקציה משמשת ליצירת פני שטח בעלי מבנה ננומטרי על שתלים מתכתיים. יצירת מבנה ננומטרי באמצעות אולטרסאונד מאפשרת לשנות משטחים מתכתיים תוך יצירת תבניות בגודל ננומטרי המפוזרות באופן אחיד על פני השתלים. שתלים מתכתיים אלה, בעלי מבנה ננומטרי, מציגים שיפור משמעותי בצמיחת הרקמה ובהשתלבות בעצם, המוביל לשיפור בשיעורי ההצלחה הקלינית.

שתלים בעלי מבנה ננומטרי שנוצר באמצעות אולטרסאונד לשיפור ההשתלבות בעצם

השימוש במתכות, ובהן טיטניום וסגסוגות, נפוץ בייצור שתלים אורתופדיים ודנטליים בזכות תכונות פני השטח המועילות שלהן, המאפשרות ליצור ממשק בעל תאימות ביולוגית עם הרקמות שסביב השתל. כדי למטב את ביצועי השתלים הללו, פותחו אסטרטגיות לשינוי אופיו של ממשק זה באמצעות שינויים בפני השטח בקנה מידה ננומטרי. שינויים אלה משפיעים במידה ניכרת על היבטים חיוניים, ובהם ספיחת חלבונים, יחסי הגומלין בין התאים לפני השטח של השתל (יחסי גומלין בין תא למצע), והתפתחות הרקמה הסובבת בעקבותיהם. באמצעות הנדסה מדויקת של שינויים אלה ברמה הננומטרית, מדענים שואפים לשפר את ההשתלבות הביולוגית ואת היעילות הכוללת של שתלים, ובכך לשפר את התוצאות הקליניות בתחום ההשתלות.
 

פרוטוקול ליצירת מבנה ננומטרי על שתלי טיטניום באמצעות אולטרסאונד

מספר מחקרים הדגימו יצירה פשוטה אך יעילה מאוד של מבנה ננומטרי על פני טיטניום וסגסוגות באמצעות אולטרסאונד בעוצמה גבוהה. הטיפול הסונוכימי (כלומר, טיפול באולטרסאונד) מוביל להיווצרות שכבת טיטניה מחוספסת בעלת מבנה דמוי ספוג, המגבירה במידה משמעותית את התרבות התאים.
יצירת מבנה על פני טיטניום באמצעות טיפול סונוכימי: דגימות הטיטניום במידות 20 × 20 × 0.5 mm לוטשו מראש ונשטפו ברצף במים נטולי יונים, באצטון ובאתנול כדי לסלק מזהמים כלשהם. לאחר מכן, דגימות הטיטניום טופלו באולטרסאונד בתמיסת NaOH בריכוז 5 m באמצעות מכשיר האולטרסאונד UIP1000hd של Hielscher, שהופעל בתדר 20 kHz (ראו תמונה משמאל). מכשיר הסוניקציה צויד בסונוטרודה BS2d22 (שטח פני הקצה 3.8 cm2) ובמגבר המשרעת B4-1.4, המגדיל את משרעת העבודה פי 1.4. המשרעת המכנית הייתה ≈81 μm. העוצמה שנוצרה הייתה 200 W cm−2. הספק הכניסה המרבי היה 760 W, כתוצאה מהכפלת העוצמה בשטח החזית (3.8 cm2) של הסונוטרודה BS2d22 שבה נעשה שימוש. דגימות הטיטניום קובעו במחזיק טפלון שהוכן באופן עצמאי וטופלו במשך 5 min.
(השוו Ulasevich et al., 2020)
 

מורפולוגיה של פני הטיטניום המקוריים (a), מבט על וחתך של פני שטח מזופוריים של טיטניה (TMS) שיוצרו בסונוכימיה (b), ומבט על וחתך של ננו־צינוריות טיטניה (TNT) שהתקבלו באמצעות חמצון אלקטרוכימי (c). האיורים המשובצים מציגים תרשימים של יצירת המבנה הננומטרי על פני השטח. תרשים המציג את השקעת ההידרוקסיאפטיט (HA) בנקבוביות מטריצת הטיטניה (d–f). תמונות SEM של משטחי טיטניום בעלי מבנה ננומטרי שנוצר בסונוכימיה (TMS) ושל משטחי TNT עם HA שהושקע כימית: TMS-HA (g) ו־TNT-HA (h), בהתאמה.
(מחקר ותמונות: ©Kuvyrkov et al., 2020)

המנגנון של יצירת מבנה ננומטרי על משטחים מתכתיים באמצעות אולטרסאונד

הטיפול האולטרסוני במשטחי מתכת מוביל לצריבה מכנית של משטחי טיטניום, הגורמת להיווצרות מבנה מזופורי על הטיטניום.
מנגנון הטיפול האולטרסוני מבוסס על קוויטציה אקוסטית, המתרחשת כאשר גלי אולטרסאונד בתדירות נמוכה ובעוצמה גבוהה מועברים לתוך נוזל. כאשר אולטרסאונד בהספק גבוה מתפשט בנוזל, נוצרים מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה / לחץ נמוך. במהלך מחזורי הלחץ הנמוך נוצרות בנוזל בועות זעירות של ריק, המכונות בועות קוויטציה. בועות קוויטציה אלה גדלות לאורך כמה מחזורי לחץ עד שאינן יכולות לספוג עוד אנרגיה. בנקודת הגדילה המרבית הזאת, בועת הקוויטציה קורסת פנימה בהתפרצות עזה ויוצרת סביבה מיקרוסקופית בעלת צפיפות אנרגיה גבוהה מאוד. השדה עתיר האנרגיה של הקוויטציה האקוסטית/האולטרסונית מאופיין בהפרשי לחץ וטמפרטורה גבוהים, עם לחצים של עד 2,000atm וטמפרטורות של כ־5000 K, סילוני נוזל מהירים במהירויות של עד 280m/sec וגלי הלם. כאשר קוויטציה כזאת מתרחשת בקרבת משטח מתכתי, מתרחשים לא רק כוחות מכניים אלא גם תגובות כימיות.
בתנאים אלה מתרחשות תגובות חמצון־חיזור המובילות לתגובות חמצון ולהיווצרות שכבת טיטניה. נוסף על יצירת צורוני החמצן הפעילים (ROS) שחמצנו את משטח הטיטניום, תגובות החמצון־חיזור הנוצרות באמצעות אולטרסאונד גורמות לצריבה יעילה של המשטח, שתוצאתה קבלת שכבת טיטניום דו־חמצני בעובי 1 μm. משמעות הדבר היא שטיטניום דו־חמצני מתמוסס חלקית בתמיסה בסיסית ויוצר נקבוביות המפוזרות באופן לא מסודר.
השיטה הסונוכימית מציעה דרך מהירה ורב־תכליתית לייצור חומרים בעלי מבנה ננומטרי, הן אי־אורגניים והן אורגניים, שלעיתים קרובות אי אפשר להשיגם בשיטות קונבנציונליות. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהתפשטות הקוויטציה יוצרת מפלי טמפרטורה מקומיים גדולים במוצקים, וכך מתקבלים חומרים בעלי שכבה נקבובית ומבנים ננומטריים לא מסודרים בתנאי חדר. נוסף על כך, ניתן להשתמש בהקרנה חיצונית של אולטרסאונד כדי לעורר שחרור של ביומולקולות מכומסות דרך נקבוביות בציפוי בעל מבנה ננומטרי.
 

איור סכמטי של תא הסוניקציה (a), איור סכמטי של תהליך יצירת מבנה פני השטח המתרחש במהלך הטיפול האולטרסוני במשטח טיטניום בתמיסה מימית בסיסית (b) ושל פני השטח שנוצרו (c), תצלום של שתלי טיטניום (d): השתל הירקרק (הדגימה השמאלית ביד) הוא שתל לאחר טיפול אולטרסוני, והשתל הצהבהב (הדגימה הממוקמת מימין) הוא שתל שלא עבר שינוי.
(מחקר ותמונות: ©Kuvyrkov et al., 2020)

מכשירי סוניקציה בעלי ביצועים גבוהים ליצירת מבנה ננומטרי על פני השטח של שתלים מתכתיים

Hielscher Ultrasonics מציעה את מלוא מגוון מכשירי הסוניקציה ליישומים ננומטריים, כגון יצירת מבנה ננומטרי על משטחים מתכתיים (למשל טיטניום וסגסוגות). בהתאם לחומר, לשטח הפנים ולתפוקת הייצור של השתלים, Hielscher מציעה לכם את מכשיר הסוניקציה והסונוטרודה (גשוש) האידיאליים ליישום יצירת המבנה הננומטרי שלכם.
אחד היתרונות העיקריים של מכשירי הסוניקציה של Hielscher הוא הבקרה המדויקת על המשרעת והיכולת לספק משרעות גבוהות מאוד בהפעלה רציפה 24/7. המשרעת, שהיא ההעתק של הגשוש האולטרסוני, קובעת את עוצמת הסוניקציה) ולכן היא פרמטר מכריע לטיפול אולטרסוני אמין ויעיל.

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

המכשירים האולטרסוניים של Hielscher ידועים בסטנדרטים הגבוהים ביותר שלהם לאיכות ולתכנון. עמידות ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של המכשירים האולטרסוניים שלנו במתקנים תעשייתיים. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, והיא שמה דגש מיוחד על מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, המשלבים טכנולוגיה מתקדמת ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, המכשירים האולטרסוניים של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו-RoHs.

דפוסי עקיפת קרני רנטגן (XRD) של ציפוי טיטניה שיוצר באמצעות טיפול תרמי בטיטניום מלוטש (a) ובטיטניום מלוטש שטופל סונוכימית (b); תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) של משטח טיטניום מלוטש (c) ושל משטח מזופורי של טיטניום דו-חמצני שנוצר סונוכימית (d). הסוניקציה בוצעה באמצעות מכשיר הסוניקציה UIP1000hdT.
(מחקר ותמונות: ©Kuvyrkov et al., 2018)