Az osszeointegrációt javító, szonokémiai úton nanostrukturált implantátumok

Az implantátumok, az ortopédiai protézisek és a fogászati implantátumok főként titánból és ötvözetekből készülnek. Az ultrahangos kezelést nanostrukturált felületek kialakítására használják a fémimplantátumokon. Az ultrahangos nanostrukturálás lehetővé teszi a fémfelületek módosítását úgy, hogy egyenletesen eloszló, nanoméretű mintázatok jönnek létre az implantátumok felületén. Ezek a nanostrukturált fémimplantátumok jelentősen jobb szövetnövekedést és osszeointegrációt mutatnak, ami nagyobb klinikai sikerarányt eredményez.

Ultrahanggal nanostrukturált implantátumok a jobb osszeointegrációért

A fémek, köztük a titán és az ötvözetek használata elterjedt az ortopédiai és fogászati implantátumok gyártásában kedvező felületi tulajdonságaik miatt, amelyek lehetővé teszik biokompatibilis határfelület kialakítását az implantátum körüli szövetekkel. Ezen implantátumok működésének optimalizálására olyan stratégiákat dolgoztak ki, amelyek nanoméretű felületi változtatásokkal módosítják e határfelület jellegét. Az ilyen módosítások számottevően befolyásolják a meghatározó tényezőket, köztük a fehérjeadszorpciót, a sejtek és az implantátum felülete közötti kölcsönhatásokat (sejt–szubsztrát kölcsönhatások), valamint a környező szövet ezt követő fejlődését. E nanométeres léptékű változások precíz megtervezésével a kutatók az implantátumok biointegrációjának és általános hatékonyságának javítására törekednek, ami jobb klinikai eredményekhez vezet az implantológia területén.
 

A titánimplantátumok ultrahangos nanostrukturálásának protokollja

Számos kutatás igazolta a titán- és ötvözetfelületek egyszerű, ugyanakkor rendkívül hatékony nanostrukturálását nagy intenzitású ultrahang segítségével. A szonokémiai kezelés (azaz ultrahangos kezelés) szivacsszerű szerkezetű, érdes titán-dioxid-réteg kialakulásához vezet, amely jelentősen fokozza a sejtproliferációt.
A titánfelület strukturálása szonokémiai kezeléssel: A 20 × 20 × 0,5 mm méretű titánmintákat előzetesen polírozták, majd az esetleges szennyeződések eltávolítása érdekében egymás után ionmentesített vízzel, acetonnal és etanollal mosták. Ezután a titánmintákat 5 m NaOH-oldatban ultrahangos kezelésnek vetették alá a 20 kHz frekvencián működtetett Hielscher UIP1000hd ultrahangos készülékkel (lásd a bal oldali képet). Az ultrahangos készüléket BS2d22 szonotró­dával (a csúcs felülete 3,8 cm2) és B4-1.4 amplitúdóerősítővel szerelték fel, amely az üzemi amplitúdót 1,4-szeresére növelte. A mechanikai amplitúdó ≈81 μm volt. A létrehozott intenzitás 200 W cm−2 volt. A maximális bevitt teljesítmény 760 W volt, amelyet az intenzitás és a használt BS2d22 szonotróda homlokfelületének (3,8 cm2) szorzata adott. A titánmintákat saját készítésű Teflon tartóban rögzítették, és 5 min időtartamig kezelték.
(vö. Ulasevich et al., 2020)
 

Az eredeti titánfelület morfológiája (a), a szonokémiai úton előállított mezopórusos titán-dioxid-felület (TMS) felülnézete és keresztmetszete (b), valamint az elektrokémiai oxidációval előállított titán-dioxid-nanocsövek (TNT) felülnézete és keresztmetszete (c). A betétábrák a felületi nanostrukturálás vázlatait mutatják. A hidroxiapatit (HA) titán-dioxid-mátrix pórusaiba történő leválasztását bemutató vázlat (d–f). A szonokémiai úton nanostrukturált titánfelület (TMS) és a TNT-felületek SEM-képei kémiailag leválasztott HA-val: rendre TMS-HA (g) és TNT-HA (h).
(tanulmány és képek: ©Kuvyrkov et al., 2020)

A fémfelületek ultrahangos nanostrukturálásának mechanizmusa

A fémfelületek ultrahangos kezelése a titánfelületek mechanikai maratásához vezet, ami mezopórusos szerkezet kialakulását okozza a titánon.
Az ultrahangos kezelés mechanizmusa az akusztikus kavitáción alapul, amely akkor lép fel, amikor alacsony frekvenciájú, nagy intenzitású ultrahanghullámokat csatolnak be egy folyadékba. Amikor nagy teljesítményű ultrahang halad át egy folyadékon, váltakozó nagy nyomású / kis nyomású ciklusok jönnek létre. A kis nyomású ciklusok során apró vákuumbuborékok, úgynevezett kavitációs buborékok keletkeznek a folyadékban. Ezek a kavitációs buborékok több nyomáscikluson keresztül növekednek, amíg már nem tudnak további energiát elnyelni. A maximális buboréknövekedés ezen pontján a kavitációs buborék hevesen összeroppan, és rendkívül nagy energiasűrűségű mikrokörnyezetet hoz létre. Az akusztikus/ultrahangos kavitáció nagy energiasűrűségű terét nagy nyomás- és hőmérséklet-különbségek jellemzik, akár 2 000atm nyomással és kb. 5000 K hőmérséklettel, továbbá akár 280m/sec sebességű folyadéksugarak és lökéshullámok. Amikor ilyen kavitáció egy fémfelület közelében lép fel, nemcsak mechanikai erők hatnak, hanem kémiai reakciók is végbemennek.
Ilyen körülmények között redoxreakciók zajlanak, amelyek oxidációs reakciókhoz és titán-dioxid-réteg kialakulásához vezetnek. A titánfelületet oxidáló reaktív oxigénformák (ROS) létrehozása mellett az ultrahang által kiváltott oxidációs-redukciós reakciók hatékony felületi maratást biztosítanak, amelynek eredményeként 1 μm vastag titán-dioxid-réteg keletkezik. Ez azt jelenti, hogy a titán-dioxid részben feloldódik a lúgos oldatban, rendezetlenül eloszló pórusokat hozva létre.
A szonokémiai módszer gyors és sokoldalú eljárást kínál olyan szervetlen és szerves nanostrukturált anyagok előállítására, amelyek hagyományos módszerekkel gyakran nem hozhatók létre. E technika fő előnye, hogy a kavitáció terjedése nagy helyi hőmérséklet-gradienseket hoz létre a szilárd anyagokban, így szobai körülmények között porózus réteggel és rendezetlen nanostruktúrákkal rendelkező anyagok keletkeznek. Ezenkívül külső ultrahangos besugárzással kiváltható a kapszulázott biomolekulák felszabadulása a nanostrukturált bevonat pórusain keresztül.
 

Az ultrahangos kezelőcella sematikus ábrája (a), a titánfelület vizes lúgos oldatban végzett ultrahangos kezelése során zajló felületstrukturálási folyamat sematikus ábrája (b) és a kialakult felület (c), titánimplantátumok fényképe (d): a zöldes darab (a kézben lévő bal oldali minta) az ultrahangos kezelés utáni implantátum, a sárgás darab (a jobb oldalon elhelyezkedő minta) a módosítatlan implantátum.
(tanulmány és képek: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek fémimplantátumok felületének nanostrukturálásához

A Hielscher Ultrasonics az ultrahangos készülékek teljes választékát kínálja nanoalkalmazásokhoz, például fémfelületek (pl. titán és ötvözetek) nanostrukturálásához. Az implantátumok anyagától, felületétől és gyártási átbocsátóképességétől függően a Hielscher az Ön nanostrukturálási alkalmazásához ideális ultrahangos készüléket és szonotródát (szondát) kínálja.
A Hielscher ultrahangos készülékek egyik fő előnye a precíz amplitúdószabályozás és a rendkívül nagy amplitúdók biztosításának képessége folyamatos, 24/7 üzemelés során. Az amplitúdó, amely az ultrahangos szonda kitérése, meghatározza az ultrahangos kezelés intenzitását), ezért a megbízható és hatékony ultrahangos kezelés egyik döntő paramétere.

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség

A Hielscher ultrahangos készülékek a legmagasabb minőségi és tervezési követelményeknek való megfelelésükről ismertek. A robusztusság és az egyszerű üzemeltetés lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását az ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos készülékek könnyedén megbirkóznak a mostoha körülményekkel és az igénybevételt jelentő környezetekkel.

A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, amely különös hangsúlyt fektet a legkorszerűbb technológiát és felhasználóbarát működést kínáló, nagy teljesítményű ultrahangos készülékekre. A Hielscher ultrahangos készülékek természetesen megfelelnek a CE előírásainak, valamint az UL, a CSA és a RoHs követelményeinek.

A polírozott titán (a) és a szonokémiai úton kezelt polírozott titán (b) hőkezelésével előállított titán-dioxid-bevonat XRD-mintázatai; a polírozott titánfelület (c) és a szonokémiai úton létrehozott mezopórusos titán-dioxid-felület (d) SEM-képei. Az ultrahangos kezelést az UIP1000hdT ultrahangos készülékkel végezték.
(tanulmány és képek: ©Kuvyrkov et al., 2018)