अस्थि एकीकरण में सुधार करने वाले सोनोकेमिकल विधि से नैनोसंरचित इम्प्लांट
इम्प्लांट, आर्थोपेडिक कृत्रिम अंग और दंत इम्प्लांट मुख्यतः टाइटेनियम और मिश्रधातुओं से बनाए जाते हैं। धातु के इम्प्लांट पर नैनोसंरचित सतहें बनाने के लिए सोनिकेशन का उपयोग किया जाता है। अल्ट्रासोनिक नैनोसंरचना से धातु की सतहों को संशोधित किया जा सकता है, जिससे इम्प्लांट की सतहों पर समान रूप से वितरित नैनो आकार के पैटर्न बनते हैं। इन नैनोसंरचित धातु इम्प्लांट में ऊतक वृद्धि और अस्थि एकीकरण में उल्लेखनीय सुधार दिखाई देता है, जिससे नैदानिक सफलता की दरें बेहतर होती हैं।
बेहतर अस्थि एकीकरण के लिए अल्ट्रासोनिक विधि से नैनोसंरचित इम्प्लांट
आर्थोपेडिक और दंत इम्प्लांट के निर्माण में टाइटेनियम और मिश्रधातुओं सहित धातुओं का उपयोग व्यापक रूप से किया जाता है, क्योंकि उनके अनुकूल सतही गुण इम्प्लांट के आसपास के ऊतकों के साथ जैवसंगत अंतरापृष्ठ स्थापित करने में सक्षम बनाते हैं। इन इम्प्लांट के प्रदर्शन को सर्वोत्तम बनाने के लिए, सतह पर नैनोस्तरीय बदलाव करके इस अंतरापृष्ठ की प्रकृति को संशोधित करने की रणनीतियाँ विकसित की गई हैं। ऐसे संशोधन प्रोटीन अधिशोषण, कोशिकाओं और इम्प्लांट की सतह के बीच अंतःक्रियाओं (कोशिका–आधार अंतःक्रियाओं) तथा उसके बाद आसपास के ऊतकों के विकास जैसे महत्वपूर्ण पहलुओं पर उल्लेखनीय प्रभाव डालते हैं। नैनोमीटर स्तर के इन बदलावों को सटीक रूप से अभिकल्पित करके वैज्ञानिक इम्प्लांट के जैव एकीकरण और समग्र प्रभावशीलता को बढ़ाने का लक्ष्य रखते हैं, जिससे इम्प्लांटोलॉजी के क्षेत्र में नैदानिक परिणाम बेहतर होते हैं।
डॉ. D. Andreeva ने टाइटेनियम सतहों की सोनोकेमिकल नैनोसंरचना का प्रदर्शन सोनिकेटर UIP1000hdT का उपयोग करके किया।
टाइटेनियम इम्प्लांट की अल्ट्रासोनिक नैनोसंरचना के लिए प्रोटोकॉल
कई शोध अध्ययनों ने उच्च तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके टाइटेनियम और मिश्रधातु की सतहों की सरल, फिर भी अत्यधिक प्रभावी नैनोसंरचना को प्रदर्शित किया है। सोनोकेमिकल उपचार (अर्थात अल्ट्रासाउंड उपचार) से स्पंज जैसी संरचना वाली टाइटेनिया की एक खुरदरी परत बनती है, जो कोशिका प्रसार को उल्लेखनीय रूप से बढ़ाती है।
सोनोकेमिकल उपचार द्वारा टाइटेनियम सतह की संरचना बनाना: 20 × 20 × 0.5 mm के टाइटेनियम नमूनों को पहले पॉलिश किया गया और किसी भी संदूषक को हटाने के लिए क्रमशः विआयनीकृत जल, एसीटोन और एथेनॉल से धोया गया। इसके बाद, 20 kHz पर संचालित Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर UIP1000hd का उपयोग करके टाइटेनियम नमूनों को 5 m NaOH विलयन में अल्ट्रासोनिक उपचार दिया गया (बाईं ओर का चित्र देखें)। सोनिकेटर में सोनोट्रोड BS2d22 (टिप का सतही क्षेत्रफल 3.8 cm2) और बूस्टर B4-1.4 लगा था, जो कार्यशील आयाम को 1.4 गुना बढ़ाता था। यांत्रिक आयाम ≈81 μm था। उत्पन्न तीव्रता 200 W cm−2 थी। अधिकतम शक्ति इनपुट 760 W था, जो तीव्रता को प्रयुक्त सोनोट्रोड BS2d22 के अग्रभाग के क्षेत्रफल (3.8 cm2) से गुणा करने पर प्राप्त हुआ। टाइटेनियम नमूनों को स्वयं बनाए गए Teflon धारक में स्थिर किया गया और 5 min तक उपचारित किया गया।
(देखें: Ulasevich et al., 2020)
मूल टाइटेनियम सतह की आकारिकी (a), सोनोकेमिकल विधि से निर्मित टाइटेनिया मेसोपोरस सतह (TMS) का शीर्ष दृश्य और अनुप्रस्थ काट (b), तथा विद्युतरासायनिक ऑक्सीकरण से प्राप्त टाइटेनिया नैनोट्यूबों (TNT) का शीर्ष दृश्य और अनुप्रस्थ काट (c)। अंतःस्थ चित्र सतह की नैनोसंरचना के योजनाचित्र दिखाते हैं। टाइटेनिया मैट्रिक्स के छिद्रों में हाइड्रॉक्सीएपेटाइट (HA) के निक्षेपण को दर्शाने वाला योजनाचित्र (d–f)। रासायनिक रूप से निक्षेपित HA वाली सोनोकेमिकल विधि से नैनोसंरचित टाइटेनियम (TMS) और TNT सतहों की SEM छवियाँ: क्रमशः TMS-HA (g) और TNT-HA (h)।
(अध्ययन और छवियाँ: ©Kuvyrkov et al., 2020)
प्रारंभिक टाइटेनियम सतह (a,e) और सोनोकेमिकल विधि से नैनोसंरचित टाइटेनियम सतह (b,f) की a+b) AFM और e+f) SEM छवियाँ
(अध्ययन और छवियाँ: ©Ulasevich et al., 2021)
धातु की सतहों की अल्ट्रासोनिक नैनोसंरचना की क्रियाविधि
धातु की सतहों के अल्ट्रासोनिक उपचार से टाइटेनियम की सतहों का यांत्रिक उत्कीर्णन होता है, जिससे टाइटेनियम पर एक मध्यछिद्रयुक्त संरचना बनती है।
अल्ट्रासोनिक उपचार की क्रियाविधि ध्वनिक कैविटेशन पर आधारित है, जो तब होता है जब कम आवृत्ति वाली, उच्च तीव्रता की अल्ट्रासाउंड तरंगें किसी द्रव में संचारित की जाती हैं। जब उच्च शक्ति वाला अल्ट्रासाउंड किसी द्रव से होकर गुजरता है, तो बारी-बारी से उच्च दाब / निम्न दाब के चक्र उत्पन्न होते हैं। निम्न दाब के चक्रों के दौरान द्रव में सूक्ष्म निर्वात बुलबुले उत्पन्न होते हैं, जिन्हें कैविटेशन बुलबुले कहा जाता है। ये कैविटेशन बुलबुले कई दाब चक्रों के दौरान बढ़ते हैं, जब तक कि वे और अधिक ऊर्जा अवशोषित नहीं कर पाते। बुलबुले की अधिकतम वृद्धि के इस बिंदु पर कैविटेशन बुलबुला तीव्र विस्फोट के साथ भीतर की ओर ध्वस्त हो जाता है और अत्यधिक ऊर्जा-सघन सूक्ष्म परिवेश बनाता है। ध्वनिक/अल्ट्रासोनिक कैविटेशन के ऊर्जा-सघन क्षेत्र की विशेषताओं में दाब और तापमान के बड़े अंतर शामिल हैं, जिनमें दाब 2,000atm तक और तापमान लगभग 5000 K तक होता है, साथ ही 280m/sec तक के वेग वाले तीव्र गति के द्रव जेट और आघात तरंगें उत्पन्न होती हैं। जब ऐसा कैविटेशन किसी धातु की सतह के पास होता है, तो यांत्रिक बलों के साथ-साथ रासायनिक अभिक्रियाएँ भी होती हैं।
इन परिस्थितियों में रेडॉक्स अभिक्रियाएँ होती हैं, जिनसे ऑक्सीकरण अभिक्रियाएँ होती हैं और टाइटेनिया की परत बनती है। टाइटेनियम की सतह को ऑक्सीकृत करने वाली अभिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियाँ (ROS) उत्पन्न करने के अलावा, अल्ट्रासोनिक रूप से उत्पन्न ऑक्सीकरण-अपचयन अभिक्रियाएँ सतह का प्रभावी उत्कीर्णन करती हैं, जिससे 1 μm मोटी टाइटेनियम डाइऑक्साइड की परत प्राप्त होती है। इसका अर्थ है कि टाइटेनियम डाइऑक्साइड क्षारीय विलयन में आंशिक रूप से घुल जाता है और अव्यवस्थित रूप से वितरित छिद्र बनाता है।
सोनोकेमिकल विधि अकार्बनिक और कार्बनिक, दोनों प्रकार के नैनोसंरचित पदार्थों के निर्माण का एक तेज़ और बहुउपयोगी तरीका प्रदान करती है, जिनका निर्माण पारंपरिक विधियों से अक्सर संभव नहीं होता। इस तकनीक का प्रमुख लाभ यह है कि कैविटेशन के प्रसार से ठोस पदार्थों में बड़े स्थानीय तापमान प्रवणताएँ उत्पन्न होती हैं, जिसके परिणामस्वरूप कमरे की परिस्थितियों में छिद्रयुक्त परत और अव्यवस्थित नैनोसंरचनाओं वाले पदार्थ बनते हैं। इसके अतिरिक्त, बाहरी अल्ट्रासाउंड विकिरण का उपयोग नैनोसंरचित लेप के छिद्रों के माध्यम से संपुटित जैव-अणुओं की मुक्ति को प्रेरित करने के लिए किया जा सकता है।
सोनिकेशन सेल का योजनाबद्ध चित्रण (a), जलीय क्षारीय विलयन में टाइटेनियम की सतह के अल्ट्रासोनिक उपचार के दौरान होने वाली सतह संरचना निर्माण प्रक्रिया का योजनाबद्ध चित्रण (b) और बनी हुई सतह (c), टाइटेनियम इम्प्लांटों की तस्वीर (d): हरे रंग वाला (हाथ में बाईं ओर का नमूना) अल्ट्रासोनिक उपचार के बाद का इम्प्लांट है, पीले रंग वाला (दाईं ओर स्थित नमूना) असंशोधित इम्प्लांट है।
(अध्ययन और चित्र: ©Kuvyrkov et al., 2020)
धातु के इम्प्लांटों की सतहों के नैनोसंरचना निर्माण के लिए उच्च प्रदर्शन वाले सोनिकेटर
Hielscher Ultrasonics धातु की सतहों (जैसे टाइटेनियम और मिश्रधातुओं) के नैनोसंरचना निर्माण जैसे नैनो-अनुप्रयोगों के लिए सोनिकेटरों की पूरी श्रृंखला प्रदान करता है। इम्प्लांटों की सामग्री, सतह के क्षेत्रफल और उत्पादन क्षमता के आधार पर, Hielscher आपके नैनोसंरचना निर्माण अनुप्रयोग के लिए आदर्श सोनिकेटर और सोनोट्रोड (प्रोब) प्रदान करता है।
Hielscher सोनिकेटरों के मुख्य लाभों में से एक है सटीक आयाम नियंत्रण और निरंतर 24/7 संचालन में बहुत उच्च आयाम प्रदान करने की क्षमता। आयाम, जो अल्ट्रासोनिक प्रोब का विस्थापन है, सोनिकेशन की तीव्रता) निर्धारित करता है और इसलिए विश्वसनीय तथा प्रभावी अल्ट्रासोनिक उपचार का एक महत्वपूर्ण मापदंड है।
- उच्च दक्षता
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डिज़ाइन, विनिर्माण और परामर्श – जर्मनी में निर्मित गुणवत्ता
Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर अपने उच्चतम गुणवत्ता और डिज़ाइन मानकों के लिए प्रसिद्ध हैं। मज़बूती और आसान संचालन के कारण हमारे अल्ट्रासोनिकेटर को औद्योगिक संयंत्रों में सहजता से एकीकृत किया जा सकता है। Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर कठोर परिस्थितियों और चुनौतीपूर्ण परिवेशों में आसानी से काम करते हैं।
Hielscher Ultrasonics एक ISO प्रमाणित कंपनी है और अत्याधुनिक तकनीक तथा उपयोग में सरलता वाले उच्च-प्रदर्शन अल्ट्रासोनिकेटर पर विशेष ज़ोर देती है। निस्संदेह, Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर CE के अनुरूप हैं और UL, CSA तथा RoHs की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं।
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पॉलिश किए गए टाइटेनियम (a) और सोनोकेमिकल उपचार किए गए पॉलिश किए गए टाइटेनियम (b) के तापीय उपचार से निर्मित टाइटेनिया लेप के XRD पैटर्न; पॉलिश की गई टाइटेनियम सतह (c) और सोनोकेमिकल विधि से उत्पन्न मेसोपोरस टाइटेनियम डाइऑक्साइड सतह (d) की SEM छवियाँ। सोनिकेशन, सोनिकेटर UIP1000hdT का उपयोग करके किया गया था।
(अध्ययन और छवियाँ: ©Kuvyrkov et al., 2018)
Hielscher Cascatrode पर शक्तिशाली अल्ट्रासोनिक कैविटेशन
साहित्य / संदर्भ
- Kuvyrkou, Yauheni; Brezhneva, Nadzeya; Skorb, Ekaterina; Ulasevich, Sviatlana (2021): The influence of the morphology of titania and hydroxyapatite on the proliferation and osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells. RSC Advances 11, 2021. 3843-3853.
- Ulasevich, Sviatlana; Ryzhkov, Nikolay; Andreeva, Daria; Özden, Dilek; Piskin, Erhan; Skorb, Ekaterina (2020): Light-to-Heat Photothermal Dynamic Properties of Polypyrrole-Based Coating for Regenerative Therapy and Lab-on-a-Chip Applications. Advanced Materials Interfaces 7, 2020.
- Kuvyrkov, Evgeny; Brezhneva, Nadezhda; Ulasevich, Sviatlana; Skorb, Ekaterina (2018): Sonochemical nanostructuring of titanium for regulation of human mesenchymal stem cells behavior for implant development. Ultrasonics Sonochemistry 52, 2018.
जानने योग्य तथ्य
अस्थि-प्रेरकता या अस्थिजनक गुण किसी पदार्थ की उस अंतर्निहित क्षमता को दर्शाता है, जो नए अस्थि ऊतक के निर्माण को या तो de novo (आरंभ से) या अस्थानिक रूप से (ऐसे स्थलों पर जहाँ अस्थि निर्माण नहीं होता) उत्तेजित करती है। अस्थि ऊतक अभियांत्रिकी और पुनर्योजी चिकित्सा के क्षेत्र में यह गुण अत्यंत महत्वपूर्ण है। अस्थि-प्रेरक पदार्थों में विशिष्ट जैविक संकेत या वृद्धि कारक होते हैं, जो कोशिकीय घटनाओं की एक शृंखला आरंभ करते हैं। इससे स्टेम कोशिकाएँ संबंधित स्थल पर जुटती हैं और अस्थि निर्माण के लिए ज़िम्मेदार कोशिकाओं, ऑस्टियोब्लास्ट, में विभेदित होती हैं। यह परिघटना उन क्षेत्रों में नई अस्थि के निर्माण को संभव बनाती है जहाँ अस्थि पुनर्जनन की आवश्यकता होती है, जैसे बड़े अस्थि दोष या ऐसे फ्रैक्चर जिनमें अस्थि के सिरे आपस में नहीं जुड़ते। आरंभ से या अस्थि निर्माण न होने वाले स्थलों पर अस्थि निर्माण को प्रेरित करने की क्षमता में कंकाल संबंधी विकारों के उपचार और अस्थि मरम्मत प्रक्रियाओं को बेहतर बनाने के लिए नवीन पद्धतियाँ विकसित करने की महत्वपूर्ण चिकित्सीय संभावना निहित है। अस्थि-प्रेरकता के आधारभूत तंत्रों को समझना और उनका उपयोग करना ऐसे प्रभावी अस्थि प्रत्यारोपण विकल्पों और इम्प्लांट पदार्थों के विकास में योगदान दे सकता है, जो सफल अस्थि पुनर्जनन को बढ़ावा देते हैं।
Hielscher Ultrasonics उच्च-प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र प्रयोगशाला से लेकर औद्योगिक आकार तक बनाता है।