Sonokemijski nanostrukturirani implantati za poboljšanu oseointegraciju

Implantati, ortopedske proteze i dentalni implantati izrađuju se uglavnom od titanija i legura. Sonikacija se upotrebljava za stvaranje nanostrukturiranih površina na metalnim implantatima. Ultrazvučno nanostrukturiranje omogućuje modificiranje metalnih površina stvaranjem ravnomjerno raspoređenih uzoraka nanometarskih dimenzija na površinama implantata. Ti nanostrukturirani metalni implantati pokazuju znatno poboljšan rast tkiva i oseointegraciju, što dovodi do viših stopa kliničkog uspjeha.

Ultrazvučno nanostrukturirani implantati za poboljšanu oseointegraciju

Upotreba metala, uključujući titanij i legure, prevladava u izradi ortopedskih i dentalnih implantata zbog njihovih povoljnih površinskih svojstava, koja omogućuju uspostavu biokompatibilnog sučelja s periimplantatnim tkivima. Kako bi se optimizirala funkcionalnost tih implantata, razvijene su strategije za modificiranje prirode tog sučelja uvođenjem promjena na površini na nanoskali. Takve modifikacije znatno utječu na ključne aspekte, uključujući adsorpciju proteina, interakcije između stanica i površine implantata (interakcije stanica i podloge) te naknadni razvoj okolnog tkiva. Preciznim oblikovanjem tih promjena na nanometarskoj razini znanstvenici nastoje poboljšati biointegraciju i ukupnu učinkovitost implantata, što dovodi do boljih kliničkih ishoda u području implantologije.
 

Protokol za ultrazvučno nanostrukturiranje titanijskih implantata

Nekoliko istraživanja pokazalo je jednostavno, ali vrlo učinkovito nanostrukturiranje površina titanija i legura primjenom ultrazvuka visokog intenziteta. Sonokemijska obrada (tj. ultrazvučna obrada) dovodi do stvaranja hrapavog sloja titanijeva dioksida spužvaste strukture, koji znatno pospješuje proliferaciju stanica.
Strukturiranje površine titanija sonokemijskom obradom: uzorci titanija dimenzija 20 × 20 × 0,5 mm prethodno su polirani i zatim redom isprani deioniziranom vodom, acetonom i etanolom kako bi se uklonila sva onečišćenja. Nakon toga uzorci titanija ultrazvučno su obrađeni u otopini NaOH koncentracije 5 m pomoću ultrazvučnog uređaja Hielscher UIP1000hd koji je radio na 20 kHz (vidi sliku lijevo). Sonikator je bio opremljen sonotrodom BS2d22 (površina vrha 3,8 cm2) i pojačivačem B4-1.4, koji povećava radnu amplitudu 1,4 puta. Mehanička amplituda iznosila je ≈81 μm. Generirani intenzitet iznosio je 200 W cm−2. Maksimalna ulazna snaga iznosila je 760 W, što proizlazi iz umnoška intenziteta i čeone površine (3,8 cm2) upotrijebljene sonotrode BS2d22. Uzorci titanija učvršćeni su u teflonskom držaču vlastite izrade i obrađivani 5 min.
(usp. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologija izvorne površine titanija (a), pogled odozgo i poprečni presjek sonokemijski izrađene mezoporozne površine titanijeva dioksida (TMS) (b) te pogled odozgo i poprečni presjek nanocjevčica titanijeva dioksida (TNT) dobivenih elektrokemijskom oksidacijom (c). Umetci prikazuju sheme nanostrukturiranja površine. Shema prikazuje taloženje hidroksiapatita (HA) u pore matrice titanijeva dioksida (d-f). SEM snimke sonokemijski nanostrukturirane površine titanija (TMS) i površine TNT s kemijski istaloženim HA: TMS-HA (g) odnosno TNT-HA (h).
(istraživanje i slike: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mehanizam ultrazvučnog nanostrukturiranja metalnih površina

Ultrazvučna obrada metalnih površina dovodi do mehaničkog jetkanja površina titana, što uzrokuje nastanak mezoporozne strukture na titanu.
Mehanizam ultrazvučne obrade temelji se na akustičnoj kavitaciji, koja nastaje kada se ultrazvučni valovi niske frekvencije i visokog intenziteta uvode u tekućinu. Kada ultrazvuk velike snage prolazi kroz tekućinu, nastaju izmjenični ciklusi visokog i niskog tlaka. Tijekom ciklusa niskog tlaka u tekućini nastaju sićušni vakuumski mjehurići, takozvani kavitacijski mjehurići. Ti kavitacijski mjehurići rastu tijekom nekoliko ciklusa tlaka sve dok više ne mogu apsorbirati dodatnu energiju. U toj točki najvećeg rasta mjehurića kavitacijski mjehurić silovito implodira i stvara mikrookruženje visoke gustoće energije. Polje akustične/ultrazvučne kavitacije visoke gustoće energije karakteriziraju velike razlike u tlaku i temperaturi, uz tlakove do 2.000atm i temperature od približno 5000 K, brzi mlazovi tekućine s brzinama do 280m/sec te udarni valovi. Kada takva kavitacija nastane u blizini metalne površine, uz mehaničke sile dolazi i do kemijskih reakcija.
U tim uvjetima odvijaju se redoks-reakcije koje dovode do oksidacijskih reakcija i stvaranja sloja titanijeva dioksida. Osim stvaranja reaktivnih kisikovih vrsta (ROS) koje su oksidirale površinu titana, ultrazvučno izazvane oksidacijsko-redukcijske reakcije omogućuju učinkovito jetkanje površine, čime se dobiva sloj titanijeva dioksida debljine 1 μm. To znači da se titanijev dioksid djelomično otapa u lužnatoj otopini, stvarajući nepravilno raspoređene pore.
Sonokemijska metoda nudi brz i svestran način izrade nanostrukturiranih materijala, kako anorganskih tako i organskih, koje često nije moguće dobiti konvencionalnim metodama. Glavna je prednost ove tehnike to što širenje kavitacije stvara velike lokalne temperaturne gradijente u čvrstim tvarima, što rezultira materijalima s poroznim slojem i neuređenim nanostrukturama pri sobnim uvjetima. Osim toga, vanjsko ultrazvučno ozračivanje može se upotrijebiti za poticanje oslobađanja inkapsuliranih biomolekula kroz pore u nanostrukturiranoj prevlaci.
 

Shematski prikaz sonikacijske ćelije (a), shematski prikaz procesa strukturiranja površine koji se odvija tijekom ultrazvučne obrade površine titana u vodenoj lužnatoj otopini (b) i nastale površine (c), fotografija implantata od titana (d): zelenkasti implantat (lijevi uzorak u ruci) implantat je nakon ultrazvučne obrade, a žućkasti implantat (uzorak smješten desno) nemodificirani je implantat.
(istraživanje i slike: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Sonikatori visokih performansi za nanostrukturiranje površina metalnih implantata

Hielscher Ultrasonics nudi cjelokupan raspon sonikatora za nanoprimjene kao što je nanostrukturiranje metalnih površina (npr. titana i legura). Ovisno o materijalu, površini i proizvodnom kapacitetu za implantate, Hielscher vam nudi idealan sonikator i sonotrodu (sondu) za vašu primjenu nanostrukturiranja.
Jedna od glavnih prednosti sonikatora Hielscher precizna je kontrola amplitude i mogućnost postizanja vrlo visokih amplituda u neprekidnom radu 24/7. Amplituda, odnosno pomak ultrazvučne sonde, određuje intenzitet sonikacije) i stoga je ključan parametar pouzdane i učinkovite ultrazvučne obrade.

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics je tvrtka s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnom uporabom. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji sukladni su zahtjevima oznake CE te ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

XRD difraktogrami prevlake titanijeva dioksida izrađene toplinskom obradom poliranog titanija (a) i sonokemijski obrađenog poliranog titanija (b); SEM snimke površine poliranog titanija (c) i sonokemijski stvorene mezoporozne površine titanijeva dioksida (d). Sonikacija je provedena sonikatorom UIP1000hdT.
(istraživanje i slike: ©Kuvyrkov et al., 2018)