Sonokemijski nanostrukturirani implantati koji poboljšavaju oseointegraciju

Implantati, ortopedske proteze i zubni implantati izrađuju se uglavnom od titana i legura. Sonikacija se koristi za stvaranje nanostrukturiranih površina na metalnim implantatima. Ultrazvučno nanostrukturiranje omogućuje modificiranje metalnih površina generiranjem ravnomjerno raspoređenih uzoraka nano veličine na površinama implantata. Ovi nanostrukturirani metalni implantati pokazuju značajno poboljšan rast tkiva i oseointegraciju što dovodi do poboljšanih stopa kliničkog uspjeha.

Ultrazvučno nanostrukturirani implantati za poboljšanu oseointegraciju

Korištenje metala, uključujući titan i legure, prevladava u izradi ortopedskih i dentalnih implantata zbog njihovih povoljnih površinskih svojstava, što omogućuje uspostavljanje biokompatibilnog sučelja s periimplantatnim tkivima. Kako bi se optimizirala izvedba ovih implantata, razvijene su strategije za modificiranje prirode ovog sučelja uvođenjem promjena u nanorazmjeru na površini. Takve modifikacije imaju značajan utjecaj na kritične aspekte, uključujući adsorpciju proteina, interakcije između stanica i površine implantata (interakcije stanica-supstrat) i kasniji razvoj okolnog tkiva. Preciznim projektiranjem ovih promjena na nanometarskoj razini, znanstvenici imaju za cilj poboljšati biointegraciju i ukupnu učinkovitost implantata, što dovodi do poboljšanih kliničkih ishoda u polju implantologije.
 

Protokol za ultrazvučno nanostrukturiranje titanskih implantata

Nekoliko istraživačkih studija pokazalo je jednostavno, ali visoko učinkovito nanostrukturiranje površina titana i legura pomoću ultrazvuka visokog intenziteta. Sonokemijski tretman (tj. tretman ultrazvukom) dovodi do stvaranja hrapavog sloja titaniuma spužvaste strukture, što pokazuje da značajno pojačava proliferaciju stanica.
Strukturiranje površine titana sonokemijskom obradom: Uzorci titana od 20 × 20 × 0,5 mm prethodno su polirani i isprani deioniziranom vodom, acetonom i etanolom uzastopno kako bi se uklonili svi kontaminanti. Nakon toga, uzorci titana su ultrazvučno tretirani u 5 m otopini NaOH koristeći Hielscher ultrasonicator UIP1000hd koji radi na 20 kHz (vidi sliku lijevo). Sonikator je opremljen sonotrodom BS2d22 (površina vrha 3,8 cm2) i pojačivačem B4-1,4, povećavajući radnu amplitudu 1,4 puta. Mehanička amplituda bila je ≈81 μm. Generirani intenzitet bio je 200 W cm−2. Maksimalna ulazna snaga bila je 760 W, što je rezultat množenja intenziteta s frontalnim područjem (s 3,8 cm2) korištene sonotrode BS2d22. Uzorci titana fiksirani su u ručno izrađenom teflonskom držaču i tretirani 5 minuta.
(usp. Ulasevich et al., 2020.)
 

Morfologija netaknute površine titana (a), pogled odozgo i presjek sonokemijski proizvedene mezoporozne površine titana (TMS) i pogled odozgo i presjek nanocijevi od titana (TNT) dobivene elektrokemijskom oksidacijom (c). Umetci prikazuju sheme nanostrukturiranja površine. Shema koja prikazuje taloženje hidroksiapatita (HA) u pore titanijeve matrice (df). SEM slike sonokemijskih nanostrukturiranih površina titana (TMS) i TNT-a s kemijski taloženim HA: TMS-HA (g) odnosno TNT-HA (h).
(studija i slike: ©Kuvyrkov et al., 2020.)

Mehanizam ultrazvučnog nanostrukturiranja metalnih površina

Ultrazvučna obrada metalnih površina dovodi do mehaničkog jetkanja titanskih površina što uzrokuje stvaranje mezoporozne strukture na titanu.
Mehanizam ultrazvučnog mehanizma temelji se na akustičnoj kavitaciji, koja nastaje kada se ultrazvučni valovi niske frekvencije visokog intenziteta spajaju u tekućinu. Kada ultrazvuk velike snage putuje kroz tekućinu, generiraju se naizmjenični ciklusi visokog i niskog tlaka. Tijekom ciklusa niskog tlaka u tekućini nastaju sitni vakuumski mjehurići, takozvani kavitacijski mjehurići. Ovi kavitacijski mjehurići rastu tijekom nekoliko ciklusa pritiska sve dok više ne mogu apsorbirati energiju. U ovoj točki maksimalnog rasta mjehurića, kavitacijski mjehurić implodira sa silovitim praskom i stvara mikrookruženje visoke energetske gustine. Energetski gusto polje akustične/ultrazvučne kavitacije karakteriziraju visoki tlakovi i temperaturne razlike koje pokazuju tlakove do 2000 atm i temperature od cca. 5000 K, brzi mlazovi tekućina s brzinama do 280 m/s i udarni valovi. Kada se takva kavitacija dogodi u blizini metalne površine ne pojavljuju se samo mehaničke sile, već i kemijske reakcije.
U tim uvjetima odvijaju se redoks reakcije koje dovode do oksidativnih reakcija i stvaranja sloja titanije. Osim generiranja reaktivnih kisikovih vrsta (ROS) koje su oksidirale površinu titana, ultrazvučno generirane oksidacijsko-redukcijske reakcije omogućuju učinkovito jetkanje površine koje rezultira dobivanjem sloja titan dioksida debljine 1 μm. To znači da se titanijev dioksid djelomično otapa u alkalnoj otopini stvarajući neuredno raspoređene pore.
Sonokemijska metoda nudi brzu i svestranu proizvodnju nanostrukturiranih materijala, anorganskih i organskih, koji su često nedostižni konvencionalnim metodama. Glavna prednost ove tehnike je u tome što širenje kavitacije stvara velike lokalne temperaturne gradijente u čvrstim tvarima, što rezultira materijalima s poroznim slojem i neuređenim nanostrukturama u sobnim uvjetima. Osim toga, vanjsko ultrazvučno zračenje može se koristiti za poticanje oslobađanja inkapsuliranih biomolekula kroz pore u nanostrukturiranom premazu.
 

Shematski prikaz ćelije za ultrazvuk (a), Shematski prikaz procesa površinskog strukturiranja koji se odvija tijekom ultrazvučne obrade površine titana u vodenoj alkalnoj otopini (b) i oblikovane površine (c), fotografija titanskih implantata (d): zelenkasti (lijevi uzorak u ruci) je implantat nakon ultrazvučnog tretmana, žućkasti (uzorak se nalazi desno) je nemodificirani implantat.
(studija i slike: ©Kuvyrkov et al., 2020.)

Sonikatori visokih performansi za nanostrukturiranje metalnih površina implantata

Hielscher Ultrasonics nudi cijeli niz sonikatora za nano-primjene kao što je nanostrukturiranje metalnih površina (npr. titana i legura). Ovisno o materijalu, površini i učinku proizvodnje implantata, Hielscher vam nudi idealan sonikator i sonotrodu (sondu) za vašu primjenu nanostrukturiranja.
Jedna od glavnih prednosti Hielscher sonikatora je precizna kontrola amplitude i sposobnost davanja vrlo visokih amplituda u kontinuiranom radu 24/7. Amplituda, koja je pomak ultrazvučne sonde, odgovorna je za intenzitet sonikacije) i stoga je ključni parametar pouzdanog i učinkovitog ultrazvučnog tretmana.

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – Kvaliteta Proizvedeno u Njemačkoj

Hielscher ultrasonicators su poznati po svojim najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućuju glatku integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske objekte. Teški uvjeti i zahtjevna okruženja lako se nose s Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana tvrtka i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne uređaje visokih performansi koji sadrže najsuvremeniju tehnologiju i jednostavnu su za korištenje. Naravno, Hielscher ultrasonicators sukladni su CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

XRD uzorci titanijeve prevlake proizvedene toplinskom obradom poliranog titana (a) i sonokemijski obrađenog poliranog titana (b); SEM slike polirane površine titana (c) i sonokemijski generirane površine mezoporoznog titan dioksida (d). Sonikacija je provedena pomoću sonikatora UIP1000hdT.
(studija i slike: ©Kuvyrkov et al., 2018.)