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 stvarajući ravnomjerno raspoređene uzorke nano veličine na površinama implantata. Ovi nanostrukturirani metalni implantati pokazuju značajno poboljšan rast tkiva i oseointegraciju, što dovodi do poboljšane kliničke stope uspjeha.

Ultrazvučno nanostrukturirani implantati za poboljšanu oseointegraciju

Korištenje metala, uključujući titan i legure, prevladava u izradi ortopedskih i zubnih implantata zbog svojih povoljnih površinskih svojstava, što omogućuje uspostavljanje biokompatibilnog sučelja s peri-implantološkim tkivima. Kako bi se optimizirale performanse ovih implantata, razvijene su strategije za izmjenu prirode ovog sučelja primjenom nanoskalnih promjena na površini. Takve modifikacije imaju značajan utjecaj na kritične aspekte, uključujući adsorpciju proteina, interakcije između stanica i površine implantata (interakcije stanica i supstrata) i naknadni razvoj okolnog tkiva. Preciznim inženjeringom ovih promjena na razini nanometara, znanstvenici imaju za cilj poboljšati biointegraciju i ukupnu učinkovitost implantata, što dovodi do poboljšanih kliničkih ishoda u području implantologije.
 

Protokol za ultrazvučno nanostrukturiranje titanskih implantata

Nekoliko istraživanja pokazalo je jednostavno, ali visoko učinkovito nanostrukturiranje površina titana i legura pomoću ultrazvuka visokog intenziteta. Sonokemijski tretman (tj. ultrazvučni tretman) dovodi do stvaranja grubog titanijskog sloja strukture nalik spužvi, što značajno povećava proliferaciju stanica.
Strukturiranje površine titana sonokemijskom obradom: Uzorci titana od 20 × 20 × 0,5 mm prethodno su polirani i oprani deioniziranom vodom, acetonom i etanolom uzastopno kako bi se uklonili svi zagađivači. Nakon toga, uzorci titana su ultrazvučno tretirani u 5 m NaOH otopini pomoću Hielscher ultrasonicator UIP1000hd radio na 20 kHz (vidi sliku lijevo). Sonikator je bio opremljen sonotrode BS2d22 (površina vrha 3,8 cm2) i pojačivač B4-1,4, povećavajući radnu amplitudu 1,4 puta. Mehanička amplituda bila je ≈81 μm. Generirani intenzitet bio je 200 W cm−2. Maksimalna snaga snage bila je 760 W koja je rezultat množenja intenziteta s frontalnim područjem (s 3,8 cm2) korištenog sonotrode BS2d22. Uzorci titana fiksirani su u domaćem držaču teflona i tretirani 5 minuta.
(usp. Ulasevich i sur., 2020.)
 

Morfologija netaknute površine titana (a), sonokemijski proizvedene titanije mezoporozne površine (TMS) gornjeg i poprečnog presjeka (b) te pogled i presjek nanocjevčica titanije (TNT) dobivenih elektrokemijskom oksidacijom (c). Umetci pokazuju sheme površinskog nanostrukturiranja. Shema koja prikazuje taloženje hidroksiapatita (HA) u pore titanijske matrice (d-f). SEM slike sonokemijskih nanostrukturiranih površina titana (TMS) i TNT-a s kemijski nataloženim HA: TMS-HA (g) i TNT-HA (h).
(studija i slike: ©Kuvyrkov i sur., 2020)

Mehanizam ultrazvučnog nanostrukturiranja metalnih površina

Ultrazvučna obrada metalnih površina dovodi do mehaničkog jetkanja površina titana, što uzrokuje stvaranje mezoporozne strukture na titanu.
Mehanizam ultrazvučnog mehanizma temelji se na akustičnoj kavitaciji, koja se javlja kada su ultrazvučni valovi niske frekvencije, visokog intenziteta spojeni u tekućinu. Kada ultrazvuk velike snage putuje kroz tekućinu, stvaraju se naizmjenični ciklusi visokog tlaka / niskog tlaka. Tijekom ciklusa niskog tlaka u tekućini nastaju minutni vakuumski mjehurići, takozvani kavitacijski mjehurići. Ovi kavitacijski mjehurići rastu tijekom nekoliko ciklusa tlaka sve dok ne mogu apsorbirati daljnju energiju. U ovom trenutku maksimalnog rasta mjehurića, kavitacijski mjehurić implodira s nasilnim praskom i stvara visoko energetski gusto mikro-okruženje. Energetski gusto polje akustične / ultrazvučne kavitacije karakteriziraju diferencijali visokog tlaka i temperature koji pokazuju tlakove do 2.000atm i temperature od približno 5000 K, mlazove tekućina velike brzine brzine do 280 m / s i udarne valove. Kada se takva kavitacija dogodi u blizini metalne površine, javljaju se ne samo mehaničke sile, već i kemijske reakcije.
U tim uvjetima odvijaju se redoks reakcije koje dovode do oksidativnih reakcija i stvaranja sloja titanije. Osim stvaranja reaktivne vrste kisika (ROS) koja je oksidirala površinu titana, ultrazvučno generirane reakcije oksidacije i redukcije pružaju učinkovito površinsko jetkanje koje rezultira dobivanjem sloja titanovog dioksida debljine 1 μm. To znači da se titanov dioksid djelomično otapa u alkalnoj otopini stvarajući pore raspoređene neuredno.
Sonokemijska metoda nudi brzu i svestranu izradu nanostrukturiranih materijala, anorganskih i organskih, koji su često neostvarivi konvencionalnim metodama. Glavna prednost ove tehnike je u tome što širenje kavitacije stvara velike lokalne temperaturne gradijente u krutim tvarima, što rezultira materijalima s poroznim slojem i neuređenim nanostrukturama u sobnim uvjetima. Osim toga, vanjsko ultrazvučno zračenje može se koristiti za pokretanje oslobađanja inkapsuliranih biomolekula kroz pore u nanostrukturiranom premazu.
 

Shematska ilustracija stanice ultrazvukom (a), Shematska ilustracija procesa strukturiranja površine koji se odvija tijekom ultrazvučne obrade površine titana u vodenoj alkalnoj otopini(b) i formiranoj površini (c), fotografija titanskih implantata (d): zelenkasti (lijevi uzorak u ruci) je implantat nakon ultrazvučnog tretmana, žućkasti (uzorak se nalazi s desne strane) je nemodificirani implantat.
(studija i slike: ©Kuvyrkov i sur., 2020)

Sonicatori visokih performansi za nanostrukturiranje metalnih implantoloških površina

Hielscher Ultrasonics nudi cijeli niz sonikatora za nano-primjene kao što su nanostrukturiranje metalnih površina (npr titan i legure). Ovisno o materijalu, površini i proizvodnji implantata, Hielscher vam nudi idealan sonicator i sonotrode (sonda) za vašu primjenu nano-strukturiranja.
Jedna od glavnih prednosti Hielscher sonicators je precizna kontrola amplitude i sposobnost isporuke vrlo visoke amplitude u kontinuiranom 24/7 radu. Amplituda, koja je pomicanje ultrazvučne sonde, odgovorna je za intenzitet ultrazvukom) i stoga ključni parametar pouzdanog i učinkovitog ultrazvučnog liječenja.

Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – Kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Hielscher ultrasonicators su poznati po svojim najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućuju glatku integraciju naših ultrasonicators u industrijske objekte. Grubim uvjetima i zahtjevnim okruženjima lako se bave Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics je tvrtka s ISO certifikatom i poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi s najsuvremenijom tehnologijom i prilagođenošću korisnicima. Naravno, Hielscher ultrasonicators su CE sukladni i zadovoljavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

XRD uzorci premaza od titanije izrađeni termičkom obradom poliranog titana (a) i sonokemijski obrađenog poliranog titana (b); SEM slike polirane površine titana (c) i sonokemijski generirane površine mezoporoznog titanova dioksida (d). Sonikacija je izvedena pomoću sonikatora UIP1000hdT.
(studija i slike: ©Kuvyrkov i sur., 2018)