Sonokémiailag nanoszerkezetű implantátumok, amelyek javítják az osszeointegrációt

Az implantátumok, ortopédiai protézisek és fogászati implantátumok főleg titánból és ötvözetekből készülnek. Szonikációt használnak nanostrukturált felületek létrehozására fém implantátumokon. Az ultrahangos nanostrukturálás lehetővé teszi a fémfelületek módosítását, egyenletesen elosztott nanoméretű mintákat generálva az implantátum felületén. Ezek a nanoszerkezetű fém implantátumok jelentősen jobb szövetnövekedést és osszeointegrációt mutatnak, ami jobb klinikai sikerarányhoz vezet.

Ultrahanggal nanoszerkezetű implantátumok a jobb osszeointegráció érdekében

A fémek, köztük a titán és ötvözetek felhasználása az ortopédiai és fogászati implantátumok gyártásában elterjedt kedvező felületi tulajdonságaik miatt, lehetővé téve a biokompatibilis interfész kialakítását a periimplantációs szövetekkel. Ezen implantátumok teljesítményének optimalizálása érdekében stratégiákat dolgoztak ki az interfész természetének módosítására nanoméretű változtatások végrehajtásával a felületen. Az ilyen módosítások jelentős hatást gyakorolnak a kritikus szempontokra, beleértve a fehérje adszorpcióját, a sejtek és az implantátum felülete közötti kölcsönhatásokat (sejt-szubsztrát kölcsönhatások), valamint a környező szövetek későbbi fejlődését. Ezeknek a nanométeres szintű változásoknak a pontos megtervezésével a tudósok célja az implantátumok biointegrációjának és általános hatékonyságának fokozása, ami jobb klinikai eredményekhez vezet az implantológia területén.
 

Protokoll a titán implantátumok ultrahangos nanostrukturálásához

Számos kutatási tanulmány bizonyította a titán és ötvözet felületek egyszerű, mégis nagy hatékonyságú nanostrukturálását nagy intenzitású ultrahanggal. A szonokémiai kezelés (azaz ultrahang kezelés) egy durva titánia réteg kialakulásához vezet, szivacsszerű szerkezetű, ami jelentősen növeli a sejtproliferációt.
A titán felületének strukturálása szonokémiai kezeléssel: A 20 × 20 × 0,5 mm-es titánmintákat korábban polírozták és ionmentes vízzel, acetonnal és etanollal mosották egymás után, hogy eltávolítsák a szennyeződéseket. Ezután a titánmintákat ultrahanggal kezeltük 5 m NaOH oldatban Hielscher ultrasonicator UIP1000hd működtetett 20 kHz-en (lásd a bal oldali képet). Az ultrahangos készüléket a BS2d22 szonotróddal (a csúcs felülete 3,8 cm2) és a B4-1,4 erősítővel szerelték fel, 1,4-szeresére nagyítva a munkaamplitúdót. A mechanikai amplitúdó ≈81 μm volt. A generált intenzitás 200 W cm−2 volt. A maximális felvett teljesítmény 760 W volt, ami az intenzitás szorzatából származik a használt BS2d22 szonotród elülső területével (3,8 cm2). A titánmintákat házi teflontartóba rögzítettük és 5 percig kezeltük.
(vö. Ulasevich et al., 2020)
 

Az érintetlen titán felület (a), a szonokémiailag előállított titán mezopórusos felület (TMS) felülnézete és keresztmetszete (b), valamint az elektrokémiai oxidációval nyert titánia nanocsövek (TNT) felülnézete és keresztmetszete (c). A betétek a felületi nanostrukturálás sémáit mutatják. A hidroxiapatit (HA) lerakódását a titánia mátrix (d-f) pórusaiba mutató séma. SEM képek a szonokémiai nanostrukturált titán (TMS) és TNT felületek kémiailag lerakódott HA: TMS-HA (g) és TNT-HA (h).
(tanulmány és képek: ©Kuvyrkov et al., 2020)

A fémfelületek ultrahangos nanostrukturálásának mechanizmusa

A fémfelületek ultrahangos kezelése a titán felületek mechanikus maratásához vezet, ami mezopórusos szerkezet kialakulását okozza a titánon.
Az ultrahangos mechanizmus mechanizmusa akusztikus kavitáción alapul, amely akkor fordul elő, amikor az alacsony frekvenciájú, nagy intenzitású ultrahanghullámok folyadékba kapcsolódnak. Amikor a nagy teljesítményű ultrahang folyadékon halad át, váltakozó nagynyomású / alacsony nyomású ciklusok keletkeznek. Az alacsony nyomású ciklusok során apró vákuumbuborékok, úgynevezett kavitációs buborékok keletkeznek a folyadékban. Ezek a kavitációs buborékok több nyomáscikluson keresztül nőnek, amíg nem tudnak további energiát elnyelni. A maximális buboréknövekedés ezen pontján a kavitációs buborék heves kitöréssel összeomlik, és rendkívül energiasűrű mikrokörnyezetet hoz létre. Az akusztikus / ultrahangos kavitáció energia-sűrű mezőjét nagy nyomás- és hőmérsékletkülönbségek jellemzik, amelyek akár 2,000 atm nyomást és kb. 5000 K hőmérsékletet, nagy sebességű folyadékfúvókákat és 280 m / sec sebességgel és lökéshullámokat mutatnak. Amikor ilyen kavitáció történik egy fémfelület közelében, nemcsak mechanikai erők, hanem kémiai reakciók is előfordulnak.
Ilyen körülmények között redox reakciók zajlanak, amelyek oxidatív reakciókhoz és titán réteg kialakulásához vezetnek. Amellett, hogy létrehozza a reaktív oxigénfajták (ROS), amelyek oxidálták a titán felületet, ultrahanggal generált oxidációs-redukciós reakciók hatékony felületi maratást biztosítanak, amely az 1 μm vastag titán-dioxid réteg előállítását eredményezi. Ez azt jelenti, hogy a titán-dioxid részben lúgos oldatban oldódik, így a pórusok rendezetlenül oszlanak el.
A szonokémiai módszer gyors és sokoldalú a nanostrukturált anyagok, mind szervetlen, mind szerves anyagok előállításához, amelyek gyakran nem érhetők el hagyományos módszerekkel. Ennek a technikának a fő előnye, hogy a kavitáció terjedése nagy helyi hőmérsékleti gradienseket generál a szilárd anyagokban, ami porózus rétegű anyagokat és rendezetlen nanoszerkezeteket eredményez szobahőmérsékleten. Ezenkívül a külső ultrahang besugárzás felhasználható a kapszulázott biomolekulák felszabadulásának kiváltására a nanostrukturált bevonat pórusain keresztül.
 

Az ultrahangos cella sematikus illusztrációja (a), A titán felület ultrahangos kezelése során vizes lúgos oldatban (b) és formázott felületen (c) zajló felületi strukturálási folyamat sematikus illusztrációja, titán implantátumok fotója (d): a zöldes (a bal minta a kézben) implantátum ultrahangos kezelés után, a sárgás (a minta a jobb oldalon található) nem módosított implantátum.
(tanulmány és képek: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Nagy teljesítményű szonikátorok fémes implantátumfelületek nanostrukturálásához

A Hielscher Ultrasonics az ultrahangos készülékek teljes skáláját kínálja nano-alkalmazásokhoz, például fémfelületek nanostrukturálásához (pl. titán és ötvözetek). Az implantátumok anyagától, felületétől és gyártási teljesítményétől függően a Hielscher ideális szonikátort és szonotródot (szondát) kínál az Ön nano-strukturáló alkalmazásához.
A Hielscher szonikátorok egyik fő előnye a pontos amplitúdószabályozás és az a képesség, hogy nagyon nagy amplitúdókat szállítsanak folyamatos 24/7 működésben. Az amplitúdó, amely az ultrahangos szonda elmozdulása, felelős az ultrahangos intenzitásért), és ezért a megbízható és hatékony ultrahangos kezelés kulcsfontosságú paramétere.

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban gyártott minőség

A Hielscher ultrahangos készülékek jól ismertek a legmagasabb minőségi és tervezési szabványokról. A robusztusság és a könnyű kezelhetőség lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását ipari létesítményekbe. A durva körülmények és az igényes környezetek könnyen kezelhetők Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics egy ISO tanúsítvánnyal rendelkező cég, és különös hangsúlyt fektet a nagy teljesítményű ultrasonicatorokra, amelyek a legmodernebb technológiát és felhasználóbarátságot mutatják. Természetesen a Hielscher ultrasonicators CE-kompatibilis és megfelel az UL, CSA és RoHs követelményeinek.

A polírozott titán (a) és szonokémiailag kezelt polírozott titán (b) hőkezelésével gyártott titán bevonat XRD mintái; SEM képek polírozott titán felületről (c) és szonokémiailag előállított mezopórusos titán-dioxid felületről (d). Az ultrahangos kezelést az UIP1000hdT szonikátor segítségével végeztük.
(tanulmány és képek: ©Kuvyrkov et al., 2018)