Implan Berstruktur Nano secara Sonokimia yang Meningkatkan Osseointegrasi

Implan, prostesis ortopedi, dan implan gigi terutama dibuat dari titanium dan paduannya. Sonikasi digunakan untuk menciptakan permukaan berstruktur nano pada implan logam. Pembentukan struktur nano secara ultrasonik memungkinkan modifikasi permukaan logam dengan menghasilkan pola berukuran nano yang tersebar merata pada permukaan implan. Implan logam berstruktur nano ini menunjukkan peningkatan pertumbuhan jaringan dan osseointegrasi yang signifikan, sehingga meningkatkan tingkat keberhasilan klinis.

Implan Berstruktur Nano secara Ultrasonik untuk Meningkatkan Osseointegrasi

Penggunaan logam, termasuk titanium dan paduannya, lazim dalam pembuatan implan ortopedi dan gigi karena sifat permukaannya yang menguntungkan, yang memungkinkan terbentuknya antarmuka biokompatibel dengan jaringan periimplan. Untuk mengoptimalkan kinerja implan ini, berbagai strategi telah dikembangkan untuk memodifikasi sifat antarmuka tersebut melalui perubahan berskala nano pada permukaan. Modifikasi tersebut memberikan pengaruh nyata pada aspek-aspek penting, termasuk adsorpsi protein, interaksi antara sel dan permukaan implan (interaksi sel-substrat), serta perkembangan jaringan di sekitarnya setelahnya. Dengan merekayasa perubahan pada tingkat nanometer ini secara presisi, para ilmuwan bertujuan meningkatkan biointegrasi dan efektivitas implan secara keseluruhan, sehingga memperbaiki hasil klinis dalam bidang implantologi.
 

Protokol Pembentukan Struktur Nano secara Ultrasonik pada Implan Titanium

Sejumlah studi penelitian telah menunjukkan pembentukan struktur nano yang sederhana namun sangat efektif pada permukaan titanium dan paduannya menggunakan ultrasonik berintensitas tinggi. Perlakuan sonokimia (yaitu perlakuan ultrasonik) menghasilkan pembentukan lapisan titania kasar dengan struktur menyerupai spons, yang secara signifikan meningkatkan proliferasi sel.
Pembentukan struktur permukaan titanium melalui perlakuan sonokimia: Sampel titanium berukuran 20 × 20 × 0,5 mm terlebih dahulu dipoles dan dicuci secara berurutan dengan air deionisasi, aseton, dan etanol untuk menghilangkan segala kontaminan. Setelah itu, sampel titanium diberi perlakuan ultrasonik dalam larutan NaOH 5 m menggunakan sonikator Hielscher UIP1000hd yang dioperasikan pada 20 kHz (lihat gambar di sebelah kiri). Sonikator dilengkapi dengan sonotrode BS2d22 (luas permukaan ujung 3,8 cm2) dan booster B4-1.4, yang memperbesar amplitudo kerja sebesar 1,4 kali. Amplitudo mekanisnya adalah ≈81 μm. Intensitas yang dihasilkan adalah 200 W cm−2. Masukan daya maksimum adalah 760 W, yang diperoleh dari perkalian intensitas dengan luas permukaan depan (sebesar 3,8 cm2) sonotrode BS2d22 yang digunakan. Sampel titanium dipasang pada penahan Teflon buatan sendiri dan diberi perlakuan selama 5 min.
(bandingkan Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologi permukaan titanium awal (a), tampak atas dan penampang permukaan mesopori titania (TMS) yang dibuat secara sonokimia (b), serta tampak atas dan penampang tabung nano titania (TNT) yang diperoleh melalui oksidasi elektrokimia (c). Gambar sisipan memperlihatkan skema pembentukan struktur nano pada permukaan. Skema yang menunjukkan pengendapan hidroksiapatit (HA) ke dalam pori-pori matriks titania (d–f). Citra SEM permukaan titanium berstruktur nano secara sonokimia (TMS) dan TNT dengan HA yang diendapkan secara kimia: masing-masing TMS-HA (g) dan TNT-HA (h).
(studi dan gambar: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mekanisme Pembentukan Struktur Nano secara Ultrasonik pada Permukaan Logam

Perlakuan ultrasonik pada permukaan logam menghasilkan pengetsaan mekanis permukaan titanium yang menyebabkan terbentuknya struktur mesopori pada titanium.
Mekanisme ultrasonik didasarkan pada kavitasi akustik, yang terjadi ketika gelombang ultrasonik berfrekuensi rendah dan berintensitas tinggi dikopel ke dalam cairan. Ketika ultrasonik berdaya tinggi merambat melalui cairan, terbentuk siklus tekanan tinggi / tekanan rendah yang bergantian. Selama siklus tekanan rendah, gelembung vakum sangat kecil, yang disebut gelembung kavitasi, muncul di dalam cairan. Gelembung kavitasi ini tumbuh selama beberapa siklus tekanan hingga tidak dapat menyerap energi lebih lanjut. Pada titik pertumbuhan maksimum ini, gelembung kavitasi runtuh ke dalam secara dahsyat dan menciptakan lingkungan mikro dengan kerapatan energi yang sangat tinggi. Medan kavitasi akustik/ultrasonik yang padat energi dicirikan oleh perbedaan tekanan dan suhu yang tinggi, dengan tekanan hingga 2.000atm dan suhu sekitar 5000 K, pancaran cairan berkecepatan tinggi hingga 280m/sec, serta gelombang kejut. Ketika kavitasi tersebut terjadi di dekat permukaan logam, tidak hanya gaya mekanis yang timbul, tetapi juga reaksi kimia.
Dalam kondisi ini, berlangsung reaksi redoks yang menghasilkan reaksi oksidatif dan pembentukan lapisan titania. Selain menghasilkan spesies oksigen reaktif (ROS) yang mengoksidasi permukaan titanium, reaksi oksidasi-reduksi yang dihasilkan secara ultrasonik memberikan pengetsaan permukaan yang efektif sehingga diperoleh lapisan titanium dioksida setebal 1 μm. Ini berarti titanium dioksida larut sebagian dalam larutan basa, menghasilkan pori-pori yang tersebar secara tidak teratur.
Metode sonokimia menawarkan cara yang cepat dan serbaguna untuk membuat material berstruktur nano, baik anorganik maupun organik, yang sering kali tidak dapat diperoleh melalui metode konvensional. Keunggulan utama teknik ini adalah bahwa perambatan kavitasi menghasilkan gradien suhu lokal yang besar dalam padatan, sehingga menghasilkan material dengan lapisan berpori dan struktur nano yang tidak teratur pada kondisi ruang. Selain itu, iradiasi ultrasonik eksternal dapat digunakan untuk memicu pelepasan biomolekul yang terenkapsulasi melalui pori-pori pada lapisan berstruktur nano.
 

Ilustrasi skematis sel sonikasi (a), ilustrasi skematis proses pembentukan struktur permukaan yang berlangsung selama perlakuan ultrasonik pada permukaan titanium dalam larutan basa berair (b) dan permukaan yang terbentuk (c), foto implan titanium (d): implan berwarna kehijauan (sampel sebelah kiri di tangan) adalah implan setelah perlakuan ultrasonik, sedangkan implan berwarna kekuningan (sampel terletak di sebelah kanan) adalah implan yang tidak dimodifikasi.
(studi dan gambar: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Sonikator Berkinerja Tinggi untuk Pembentukan Struktur Nano pada Permukaan Implan Logam

Hielscher Ultrasonics menawarkan rangkaian lengkap sonikator untuk aplikasi nano, seperti pembentukan struktur nano pada permukaan logam (misalnya titanium dan paduannya). Bergantung pada material, luas permukaan, dan kapasitas produksi implan, Hielscher menawarkan sonikator dan sonotrode (probe) yang ideal untuk aplikasi pembentukan struktur nano Anda.
Salah satu keunggulan utama sonikator Hielscher adalah kontrol amplitudo yang presisi dan kemampuan menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi dalam operasi berkelanjutan 24/7. Amplitudo, yaitu perpindahan probe ultrasonik, menentukan intensitas sonikasi dan karena itu merupakan parameter penting untuk perlakuan ultrasonik yang andal dan efektif.

Desain, Manufaktur, dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman

Sonikator Hielscher dikenal karena standar kualitas dan desainnya yang tertinggi. Ketangguhan dan kemudahan pengoperasian memungkinkan integrasi sonikator kami secara lancar ke dalam fasilitas industri. Kondisi berat dan lingkungan yang menuntut dapat ditangani dengan mudah oleh sonikator Hielscher.

Hielscher Ultrasonics adalah perusahaan bersertifikat ISO dan memberikan penekanan khusus pada sonikator berkinerja tinggi yang dilengkapi teknologi mutakhir dan mudah digunakan. Tentu saja, sonikator Hielscher mematuhi ketentuan CE dan memenuhi persyaratan UL, CSA, dan RoHs.

Pola XRD lapisan titania yang dibuat melalui perlakuan termal pada titanium yang dipoles (a) dan titanium yang dipoles lalu diberi perlakuan sonokimia (b); citra SEM permukaan titanium yang dipoles (c) dan permukaan titanium dioksida mesopori yang dihasilkan secara sonokimia (d). Sonikasi dilakukan menggunakan sonikator UIP1000hdT.
(studi dan gambar: ©Kuvyrkov et al., 2018)