Implan Berstruktur Nanokimia Meningkatkan Osseointegrasi

Implan, prostesis ortopedi dan implan gigi terutama terbuat dari titanium dan paduan. Sonikasi digunakan untuk membuat permukaan berstruktur nano pada implan logam. Struktur nano ultrasonik memungkinkan untuk memodifikasi permukaan logam yang menghasilkan pola berukuran nano yang terdistribusi secara seragam pada permukaan implan. Implan logam berstruktur nano ini menunjukkan pertumbuhan jaringan dan osseointegrasi yang meningkat secara signifikan yang mengarah pada peningkatan tingkat keberhasilan klinis.

Implan Berstruktur Nano Ultrasonik untuk Peningkatan Osseointegrasi

Pemanfaatan logam, termasuk titanium dan paduan, lazim dalam fabrikasi implan ortopedi dan gigi karena sifat permukaannya yang menguntungkan, memungkinkan pembentukan antarmuka biokompatibel dengan jaringan peri-implan. Untuk mengoptimalkan kinerja implan ini, strategi telah dikembangkan untuk memodifikasi sifat antarmuka ini dengan menerapkan perubahan skala nano pada permukaan. Modifikasi tersebut memberikan pengaruh penting pada aspek-aspek penting, termasuk adsorpsi protein, interaksi antara sel dan permukaan implan (interaksi sel-substrat), dan perkembangan selanjutnya dari jaringan di sekitarnya. Dengan merekayasa perubahan tingkat nanometer ini secara tepat, para ilmuwan bertujuan untuk meningkatkan biointegrasi dan kemanjuran implan secara keseluruhan, yang mengarah pada peningkatan hasil klinis di bidang implantologi.
 

Protokol untuk Nanostrukturisasi Ultrasonik Implan Titanium

Beberapa studi penelitian telah menunjukkan penataan nano yang sederhana namun efektif tinggi dari permukaan titanium dan paduan menggunakan ultrasound intensitas tinggi. Perlakuan sonokimia (yaitu pengobatan ultrasound) mengarah pada pembentukan lapisan titania kasar dari struktur seperti spons, yang menunjukkan secara signifikan meningkatkan proliferasi sel.
Penataan permukaan titanium melalui perawatan sonokimia: Sampel titanium 20 × 20 × 0,5 mm sebelumnya dipoles dan dicuci dengan air deionisasi, aseton, dan etanol secara berurutan untuk menghilangkan kontaminan. Setelah itu, sampel titanium diolah secara ultrasonik dalam larutan NaOH 5 m menggunakan ultrasonicator Hielscher UIP1000hd yang dioperasikan pada 20 kHz (lihat gambar kiri). Sonikator dilengkapi dengan sonotrode BS2d22 (luas permukaan ujung 3,8 cm2) dan booster B4-1.4, memperbesar amplitudo kerja 1,4 kali. Amplitudo mekanis adalah ≈81 μm. Intensitas yang dihasilkan adalah 200 W cm−2. Input daya maksimum adalah 760 W yang dihasilkan dari perkalian intensitas dengan area frontal (dengan 3.8 cm2) dari sonotrode BS2d22 bekas. Sampel titanium dipasang di dudukan Teflon buatan sendiri dan dirawat selama 5 menit.
(lih. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologi permukaan titanium murni (a), permukaan mesoporous titania (TMS) yang dibuat secara sonokimia (TMS) tampilan atas dan penampang (b), dan tampilan atas dan penampang tabung nano titania (TNT) yang diperoleh dengan oksidasi elektrokimia (c). Inset menunjukkan skema penataan nano permukaan. Skema yang menunjukkan pengendapan hidroksiapatit (HA) ke dalam pori-pori matriks titania (df). Gambar SEM dari titanium berstruktur nano sonokimia (TMS) dan permukaan TNT dengan HA YANG DIENDAPKAN SECARA KIMIAWI: TMS-HA (g) dan TNT-HA (h), masing-masing.
(studi dan gambar: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mekanisme Nanostructuring Ultrasonik Permukaan Logam

Perlakuan ultrasonik permukaan logam menyebabkan etsa mekanis permukaan titanium yang menyebabkan pembentukan struktur mesoporous pada titanium.
Mekanisme mekanisme ultrasonik didasarkan pada kavitasi akustik, yang terjadi ketika gelombang ultrasound frekuensi rendah dan intensitas tinggi digabungkan menjadi cairan. Ketika ultrasound berdaya tinggi bergerak melalui cairan, siklus tekanan tinggi / tekanan rendah bergantian dihasilkan. Selama siklus tekanan rendah gelembung vakum menit, apa yang disebut gelembung kavitasi muncul dalam cairan. Gelembung kavitasi ini tumbuh selama beberapa siklus tekanan sampai mereka tidak dapat menyerap energi lebih lanjut. Pada titik pertumbuhan gelembung maksimum ini, gelembung kavitasi meledak dengan ledakan hebat dan menciptakan lingkungan mikro yang sangat padat energi. Bidang kavitasi akustik/ultrasonik yang padat energi ditandai dengan tekanan tinggi dan perbedaan suhu yang menunjukkan tekanan hingga 2.000atm dan suhu sekitar 5000 K, jet cairan berkecepatan tinggi dengan kecepatan hingga 280m/detik dan gelombang kejut. Ketika kavitasi seperti itu terjadi di dekat permukaan logam, tidak hanya gaya mekanis tetapi juga reaksi kimia terjadi.
Dalam kondisi ini, reaksi redoks terjadi yang mengarah pada reaksi oksidatif dan pembentukan lapisan titania. Selain menghasilkan spesies oksigen reaktif (ROS) yang mengoksidasi permukaan titanium, reaksi reduksi oksidasi yang dihasilkan secara ultrasonik memberikan etsa permukaan yang efektif yang menghasilkan lapisan titanium dioksida setebal 1 μm. Ini berarti, titanium dioksida larut sebagian dalam larutan alkali yang menghasilkan pori-pori yang didistribusikan secara tidak teratur.
Metode sonokimia menawarkan yang cepat dan serbaguna untuk fabrikasi bahan berstruktur nano, baik anorganik maupun organik, yang seringkali tidak dapat dicapai melalui metode konvensional. Keuntungan utama dari teknik ini adalah bahwa perambatan kavitasi menghasilkan gradien suhu lokal yang besar dalam padatan, menghasilkan bahan dengan lapisan berpori dan struktur nano yang tidak teratur pada kondisi ruangan. Selain itu, iradiasi ultrasound eksternal dapat digunakan untuk memicu pelepasan biomolekul yang dienkapsulasi melalui pori-pori dalam lapisan berstruktur nano.
 

Ilustrasi skema sel sonikasi (a), Ilustrasi skema proses penataan permukaan yang terjadi selama perawatan ultrasonik permukaan titanium dalam larutan alkali berair (b) dan permukaan yang terbentuk (c), foto implan titanium (d): yang kehijauan (sampel kiri di tangan) adalah implan setelah perawatan ultrasonik, yang kekuningan (sampel terletak di sebelah kanan) adalah implan yang tidak dimodifikasi.
(studi dan gambar: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Sonicator Kinerja Tinggi untuk Struktur Nano Permukaan Implan Logam

Hielscher Ultrasonics menawarkan rangkaian lengkap sonicator untuk aplikasi nano seperti penataan nano permukaan logam (misalnya titanium dan paduan). Tergantung pada bahan, luas permukaan, dan throughput produksi implan, Hielscher menawarkan sonicator dan sonotrode (probe) yang ideal untuk aplikasi penataan nano Anda.
Salah satu keuntungan utama dari sonicators Hielscher adalah kontrol amplitudo yang tepat dan kemampuan untuk memberikan amplitudo yang sangat tinggi dalam operasi 24/7 terus menerus. Amplitudo, yang merupakan perpindahan probe ultrasonik, bertanggung jawab atas intensitas sonikasi) dan oleh karena itu merupakan parameter penting dari perawatan ultrasonik yang andal dan efektif.

Desain, Manufaktur, dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman

Ultrasonicators Hielscher terkenal dengan kualitas dan standar desainnya yang tertinggi. Ketahanan dan pengoperasian yang mudah memungkinkan integrasi ultrasonicator kami ke dalam fasilitas industri. Kondisi kasar dan lingkungan yang menuntut mudah ditangani oleh ultrasonicator Hielscher.

Hielscher Ultrasonics adalah perusahaan bersertifikat ISO dan memberikan penekanan khusus pada ultrasonicators berkinerja tinggi yang menampilkan teknologi canggih dan keramahan pengguna. Tentu saja, ultrasonicators Hielscher sesuai dengan CE dan memenuhi persyaratan UL, CSA dan RoHs.

Pola XRD lapisan titania yang dibuat dengan perlakuan termal titanium yang dipoles (a) dan titanium yang dipoles yang diolah secara sonokimia (b); Gambar SEM dari permukaan titanium yang dipoles (c) dan permukaan titanium dioksida mesoporous yang dihasilkan secara sonokimia (d). Sonikasi dilakukan dengan menggunakan sonicator UIP1000hdT.
(studi dan gambar: ©Kuvyrkov et al., 2018)