Օսեոինտեգրացիան բարելավող՝ սոնոքիմիական եղանակով նանոկառուցվածքավորված իմպլանտներ
Իմպլանտները, օրթոպեդիկ պրոթեզները և ատամնային իմպլանտները հիմնականում պատրաստվում են տիտանից և համաձուլվածքներից։ Ուլտրաձայնային մշակումը կիրառվում է մետաղական իմպլանտների վրա նանոկառուցվածքավորված մակերևույթներ ստեղծելու համար։ Ուլտրաձայնային նանոկառուցվածքավորումը թույլ է տալիս փոփոխել մետաղական մակերևույթները՝ իմպլանտների մակերևույթների վրա առաջացնելով հավասարաչափ բաշխված նանոչափ նախշեր։ Այս նանոկառուցվածքավորված մետաղական իմպլանտները ցուցաբերում են հյուսվածքի աճի և օսեոինտեգրացիայի զգալի բարելավում՝ հանգեցնելով կլինիկական հաջողության ցուցանիշների բարձրացման։
Ուլտրաձայնով նանոկառուցվածքավորված իմպլանտներ՝ օսեոինտեգրացիայի բարելավման համար
Մետաղները, այդ թվում՝ տիտանը և համաձուլվածքները, լայնորեն կիրառվում են օրթոպեդիկ և ատամնային իմպլանտների արտադրության մեջ՝ իրենց մակերևութային բարենպաստ հատկությունների շնորհիվ, որոնք հնարավորություն են տալիս իմպլանտի շուրջ գտնվող հյուսվածքների հետ ձևավորել կենսահամատեղելի միջերես։ Այս իմպլանտների աշխատանքային բնութագրերը օպտիմալացնելու համար մշակվել են ռազմավարություններ՝ մակերևույթի վրա նանոմասշտաբային փոփոխությունների միջոցով այս միջերեսի բնույթը փոփոխելու նպատակով։ Նման փոփոխությունները նկատելի ազդեցություն են ունենում կարևոր գործընթացների վրա, այդ թվում՝ սպիտակուցների ադսորբցիայի, բջիջների և իմպլանտի մակերևույթի միջև փոխազդեցությունների (բջիջ–ենթաշերտ փոխազդեցությունների) և շրջակա հյուսվածքի հետագա զարգացման վրա։ Նանոմետրային մակարդակի այս փոփոխությունները ճշգրիտ նախագծելով՝ գիտնականները նպատակ ունեն բարելավել իմպլանտների կենսաինտեգրացիան և ընդհանուր արդյունավետությունը՝ հանգեցնելով իմպլանտոլոգիայի ոլորտում կլինիկական արդյունքների բարելավման։
Դոկտոր D. Andreeva ցուցադրեց տիտանի մակերևույթների սոնոքիմիական նանոկառուցվածքավորումը՝ օգտագործելով UIP1000hdT ուլտրաձայնային սարքը։
Տիտանե իմպլանտների ուլտրաձայնային նանոկառուցվածքավորման արձանագրություն
Մի շարք հետազոտություններ ցույց են տվել տիտանի և համաձուլվածքների մակերևույթների պարզ, սակայն բարձր արդյունավետությամբ նանոկառուցվածքավորումը՝ բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնի կիրառմամբ։ Սոնոքիմիական մշակումը (այսինքն՝ ուլտրաձայնային մշակումը) հանգեցնում է սպունգանման կառուցվածքով տիտանի երկօքսիդի անհարթ շերտի ձևավորմանը, որը զգալիորեն ուժեղացնում է բջիջների պրոլիֆերացիան։
Տիտանի մակերևույթի կառուցվածքավորումը սոնոքիմիական մշակմամբ. 20 × 20 × 0,5 mm չափերով տիտանի նմուշները նախապես հղկվել են և հաջորդաբար լվացվել դեիոնացված ջրով, ացետոնով և էթանոլով՝ ցանկացած աղտոտիչ հեռացնելու համար։ Այնուհետև տիտանի նմուշները ենթարկվել են ուլտրաձայնային մշակման NaOH պարունակող 5 m լուծույթում՝ օգտագործելով 20 kHz հաճախականությամբ աշխատող Hielscher UIP1000hd ուլտրաձայնային սարքը (տե՛ս ձախ կողմի պատկերը)։ Ուլտրաձայնային սարքը հագեցած էր BS2d22 սոնոտրոդով (ծայրի մակերեսը՝ 3,8 cm2) և B4-1.4 ուժեղացուցիչով, որը աշխատանքային ամպլիտուդը մեծացնում էր 1,4 անգամ։ Մեխանիկական ամպլիտուդը ≈81 μm էր։ Ստեղծվող ինտենսիվությունը 200 W cm−2 էր։ Մուտքային առավելագույն հզորությունը 760 W էր, որը ստացվում էր ինտենսիվությունը կիրառված BS2d22 սոնոտրոդի ճակատային մակերեսով (3,8 cm2) բազմապատկելով։ Տիտանի նմուշները ամրացվել են ինքնաշեն տեֆլոնե բռնիչում և մշակվել 5 min։
(հմմտ. Ulasevich et al., 2020)
Տիտանի սկզբնական մակերևույթի մորֆոլոգիան (a), սոնոքիմիական եղանակով ստացված տիտանի երկօքսիդի մեզոծակոտկեն մակերևույթի (TMS) վերևից տեսքը և լայնական կտրվածքը (b), ինչպես նաև էլեկտրաքիմիական օքսիդացմամբ ստացված տիտանի երկօքսիդի նանոխողովակների (TNT) վերևից տեսքը և լայնական կտրվածքը (c)։ Ներդիրներում ներկայացված են մակերևույթի նանոկառուցվածքավորման սխեմաները։ Տիտանի երկօքսիդի մատրիցի ծակոտիներում հիդրօքսիապատիտի (HA) նստեցումը ցույց տվող սխեմա (d-f)։ Քիմիական եղանակով նստեցված HA պարունակող՝ սոնոքիմիական եղանակով նանոկառուցվածքավորված տիտանի (TMS) և TNT մակերևույթների SEM պատկերները՝ համապատասխանաբար TMS-HA (g) և TNT-HA (h)։
(հետազոտությունը և պատկերները՝ ©Kuvyrkov et al., 2020)
a+b) AFM և e+f) SEM պատկերներ՝ տիտանի սկզբնական մակերևույթ (a,e) և սոնոքիմիական եղանակով նանոկառուցվածքավորված տիտանի մակերևույթ (b,f)
(հետազոտությունը և պատկերները՝ ©Ulasevich et al., 2021)
Մետաղական մակերևույթների ուլտրաձայնային նանոկառուցվածքավորման մեխանիզմը
Մետաղական մակերևույթների ուլտրաձայնային մշակումը հանգեցնում է տիտանի մակերևույթների մեխանիկական խածատման՝ առաջացնելով տիտանի վրա մեզոծակոտկեն կառուցվածք։
Ուլտրաձայնային մշակման մեխանիզմը հիմնված է ակուստիկ կավիտացիայի վրա, որն առաջանում է, երբ ցածր հաճախականությամբ, բարձր ինտենսիվությամբ ուլտրաձայնային ալիքների էներգիան փոխանցվում է հեղուկին։ Երբ բարձր հզորության ուլտրաձայնը տարածվում է հեղուկում, առաջանում են բարձր և ցածր ճնշման հերթագայող ցիկլեր։ Ցածր ճնշման ցիկլերի ընթացքում հեղուկում առաջանում են վակուումային մանր պղպջակներ՝ այսպես կոչված կավիտացիոն պղպջակներ։ Այս կավիտացիոն պղպջակներն աճում են ճնշման մի քանի ցիկլերի ընթացքում, մինչև այլևս չեն կարողանում լրացուցիչ էներգիա կլանել։ Պղպջակի առավելագույն աճի այս պահին կավիտացիոն պղպջակը բուռն կերպով փլուզվում է դեպի ներս՝ ստեղծելով էներգիայի շատ բարձր խտությամբ միկրոմիջավայր։ Ակուստիկ/ուլտրաձայնային կավիտացիայի՝ էներգիայի բարձր խտությամբ դաշտը բնութագրվում է ճնշման և ջերմաստիճանի մեծ տարբերություններով՝ մինչև 2 000atm ճնշումներով և մոտավորապես 5000 K ջերմաստիճաններով, մինչև 280m/sec արագությամբ հեղուկի արագընթաց շիթերով և հարվածային ալիքներով։ Երբ նման կավիտացիան առաջանում է մետաղական մակերևույթի մոտ, գործում են ոչ միայն մեխանիկական ուժեր, այլև տեղի են ունենում քիմիական ռեակցիաներ։
Այս պայմաններում տեղի են ունենում օքսիդավերականգնման ռեակցիաներ, որոնք հանգեցնում են օքսիդացման ռեակցիաների և տիտանի երկօքսիդի շերտի առաջացման։ Բացի տիտանի մակերևույթն օքսիդացրած թթվածնի ռեակտիվ ձևերի (ROS) առաջացումից, ուլտրաձայնով հարուցվող օքսիդավերականգնման ռեակցիաներն ապահովում են մակերևույթի արդյունավետ խածատում, որի արդյունքում ստացվում է տիտանի երկօքսիդի 1 μm հաստությամբ շերտ։ Սա նշանակում է, որ տիտանի երկօքսիդը մասամբ լուծվում է հիմնային լուծույթում՝ առաջացնելով անկանոն բաշխված ծակոտիներ։
Սոնոքիմիական մեթոդն առաջարկում է արագ և բազմակողմանի միջոց՝ ինչպես անօրգանական, այնպես էլ օրգանական նանոկառուցվածքային նյութեր ստանալու համար, որոնք հաճախ անհնար է ստանալ սովորական մեթոդներով։ Այս տեխնիկայի հիմնական առավելությունն այն է, որ կավիտացիայի տարածումը պինդ մարմիններում առաջացնում է ջերմաստիճանի մեծ տեղային գրադիենտներ, ինչի արդյունքում սենյակային պայմաններում ստացվում են ծակոտկեն շերտով և անկանոն նանոկառուցվածքներով նյութեր։ Բացի այդ, արտաքին ուլտրաձայնային ճառագայթումը կարող է օգտագործվել՝ նանոկառուցվածքային ծածկույթի ծակոտիների միջով պատիճավորված կենսամոլեկուլների արտազատումը հարուցելու համար։
Ուլտրաձայնային մշակման խցի սխեմատիկ պատկերը (a), ջրային հիմնային լուծույթում տիտանի մակերևույթի ուլտրաձայնային մշակման ընթացքում տեղի ունեցող մակերևույթի կառուցվածքավորման գործընթացի սխեմատիկ պատկերը (b) և ձևավորված մակերևույթը (c), տիտանե իմպլանտների լուսանկարը (d)․ կանաչավունը (ձեռքի մեջ ձախ կողմում գտնվող նմուշը) ուլտրաձայնային մշակումից հետո ստացված իմպլանտն է, իսկ դեղնավունը (նմուշը գտնվում է աջ կողմում) չձևափոխված իմպլանտն է։
(հետազոտությունը և պատկերները՝ ©Kuvyrkov et al., 2020)
Բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային սարքեր՝ մետաղական իմպլանտների մակերևույթների նանոկառուցվածքավորման համար
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն առաջարկում է ուլտրաձայնային սարքերի ամբողջական տեսականի՝ նանոտեխնոլոգիական կիրառությունների համար, ինչպիսիք են մետաղական մակերևույթների (օրինակ՝ տիտանի և համաձուլվածքների) նանոկառուցվածքավորումը։ Կախված իմպլանտների նյութից, մակերևույթի մակերեսից և արտադրության արտադրողականությունից՝ Hielscher ընկերությունն առաջարկում է ձեր նանոկառուցվածքավորման կիրառության համար իդեալական ուլտրաձայնային սարք և սոնոտրոդ (զոնդ)։
Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային սարքերի հիմնական առավելություններից են տատանման լայնույթի ճշգրիտ կառավարումը և անընդհատ 24/7 աշխատանքի ընթացքում շատ մեծ լայնույթներ ապահովելու հնարավորությունը։ Տատանման լայնույթը, որը ուլտրաձայնային զոնդի տեղաշարժն է, որոշում է ուլտրաձայնային մշակման ինտենսիվությունը և, հետևաբար, հուսալի ու արդյունավետ ուլտրաձայնային մշակման վճռորոշ պարամետր է։
- բարձր արդյունավետություն
- գերժամանակակից տեխնոլոգիա
- հուսալիություն և ամրություն
- գործընթացի կարգավորվող, ճշգրիտ կառավարում
- պարբերական և հոսքագծային մշակում
- ցանկացած ծավալի համար
- խելացի ծրագրային ապահովում
- խելացի գործառույթներ (օրինակ՝ ծրագրավորման հնարավորություն, տվյալների գրանցում, հեռակառավարում)
- հեշտ և անվտանգ շահագործում
- տեխնիկական սպասարկման փոքր պահանջ
- CIP (մաքրում տեղում՝ առանց ապամոնտաժման)
Նախագծում, արտադրություն և խորհրդատվություն – Գերմանիայում ստեղծված որակ
Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը հայտնի են որակի և նախագծման ամենաբարձր չափանիշներով։ Ամրությունն ու շահագործման հեշտությունը թույլ են տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերը սահուն ինտեգրել արդյունաբերական կայանքներում։ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը հեշտությամբ աշխատում են ծանր պայմաններում և բարձր պահանջներ առաջադրող միջավայրերում։
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն ունի ISO հավաստագրում և հատուկ ուշադրություն է դարձնում բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային սարքերին, որոնք առանձնանում են ամենաարդիական տեխնոլոգիայով և օգտագործման հարմարավետությամբ։ Իհարկե, Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը համապատասխանում են CE պահանջներին և բավարարում են UL, CSA և RoHs պահանջները։
Կապվե՛ք մեզ հետ։ / Հարցրե՛ք մեզ։
Տիտանի երկօքսիդի ծածկույթի ռենտգենյան դիֆրակցիայի (XRD) պատկերները՝ ստացված հղկված տիտանի (a) և սոնոքիմիապես մշակված հղկված տիտանի (b) ջերմային մշակմամբ. հղկված տիտանի մակերևույթի (c) և սոնոքիմիապես ստացված մեզոծակոտկեն տիտանի երկօքսիդի մակերևույթի (d) սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակային (SEM) պատկերները։ Ուլտրաձայնային մշակումն իրականացվել է UIP1000hdT ուլտրաձայնային սարքի միջոցով։
(ուսումնասիրությունը և պատկերները՝ ©Kuvyrkov et al., 2018)
Հզոր ուլտրաձայնային կավիտացիա Hielscher Cascatrode սարքում
Գրականություն / Հղումներ
- Kuvyrkou, Yauheni; Brezhneva, Nadzeya; Skorb, Ekaterina; Ulasevich, Sviatlana (2021): The influence of the morphology of titania and hydroxyapatite on the proliferation and osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells. RSC Advances 11, 2021. 3843-3853.
- Ulasevich, Sviatlana; Ryzhkov, Nikolay; Andreeva, Daria; Özden, Dilek; Piskin, Erhan; Skorb, Ekaterina (2020): Light-to-Heat Photothermal Dynamic Properties of Polypyrrole-Based Coating for Regenerative Therapy and Lab-on-a-Chip Applications. Advanced Materials Interfaces 7, 2020.
- Kuvyrkov, Evgeny; Brezhneva, Nadezhda; Ulasevich, Sviatlana; Skorb, Ekaterina (2018): Sonochemical nanostructuring of titanium for regulation of human mesenchymal stem cells behavior for implant development. Ultrasonics Sonochemistry 52, 2018.
Փաստեր, որոնք արժե իմանալ
Օստեոինդուկտիվությունը կամ ոսկրագոյացման հատկությունը նյութի ներքին ունակությունն է խթանելու նոր ոսկրային հյուսվածքի առաջացումը՝ կա՛մ սկզբից, կա՛մ էկտոպիկ կերպով (այն տեղամասերում, որտեղ ոսկրագոյացում չի կատարվում)։ Այս հատկությունն առաջնային կարևորություն ունի ոսկրային հյուսվածքի ճարտարագիտության և վերականգնողական բժշկության ոլորտում։ Օստեոինդուկտիվ նյութերն ունեն հատուկ կենսաբանական ազդանշաններ կամ աճի գործոններ, որոնք սկիզբ են դնում բջջային իրադարձությունների կասկադին՝ հանգեցնելով ցողունային բջիջների ներգրավմանը և դրանց տարբերակմանը օստեոբլաստների՝ ոսկրագոյացման համար պատասխանատու բջիջների։ Այս երևույթը հնարավորություն է տալիս նոր ոսկոր ստեղծել այն հատվածներում, որտեղ անհրաժեշտ է ոսկրի վերականգնում, օրինակ՝ ոսկրային խոշոր արատների կամ չսերտաճած կոտրվածքների դեպքում։ Սկզբից կամ ոսկրագոյացման համար ոչ բնորոշ տեղամասերում ոսկրագոյացում հարուցելու ունակությունը զգալի բուժական ներուժ ունի՝ կմախքային խանգարումների բուժման և ոսկրի վերականգնման գործընթացների բարելավման նորարարական մոտեցումներ մշակելու համար։ Օստեոինդուկտիվության հիմքում ընկած մեխանիզմների ըմբռնումն ու կիրառումը կարող են նպաստել ոսկրային փոխպատվաստուկների արդյունավետ փոխարինիչների և իմպլանտային նյութերի կատարելագործմանը, որոնք նպաստում են ոսկրի հաջող վերականգնմանը։
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն արտադրում է բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր չափերից մինչև արդյունաբերական չափեր։