Implan, prostesis ortopedi dan implan gigi dibuat terutama dari titanium dan paduan. Sonikasi digunakan untuk membuat permukaan berstruktur nano pada implan logam. Nanostrukturisasi 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.

Ultrasonically Nanostructured Implan untuk Meningkatkan Osseointegration

Pemanfaatan logam, termasuk titanium dan paduan, lazim dalam pembuatan 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 di permukaan. Modifikasi semacam itu memberikan pengaruh penting pada aspek-aspek penting, termasuk adsorpsi protein, interaksi antara sel dan permukaan implan (interaksi sel-substrat), dan perkembangan selanjutnya dari jaringan 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 nanostrukturisasi permukaan titanium dan paduan yang sederhana namun efektif namun tinggi menggunakan ultrasound intensitas tinggi. Perawatan sonokimia (yaitu perawatan 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 secara ultrasonik diperlakukan dalam larutan NaOH 5 m menggunakan ultrasonikator Hielscher UIP1000hd dioperasikan pada 20 kHz (lihat gambar kiri). Sonicator dilengkapi dengan sonotrode BS2d22 (luas permukaan ujung 3, 8 cm2) dan booster B4-1, 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 yang digunakan. Sampel titanium diperbaiki dalam dudukan Teflon buatan sendiri dan dirawat selama 5 menit.
(lihat Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologi permukaan titanium murni (a), permukaan mesopori titania yang dibuat secara sonokimia (TMS), tampak atas dan penampang (b), dan tampak atas dan penampang nanotube titania (TNT) diperoleh dengan oksidasi elektrokimia (c). Inset menunjukkan skema nanostrukturisasi permukaan. Skema yang menunjukkan pengendapan hidroksiapatit (HA) ke dalam pori-pori matriks titania (d-f). Gambar SEM dari titanium berstruktur nano sonokimia (TMS) dan permukaan TNT dengan HA yang diendapkan secara kimia: TMS-HA (g) dan TNT-HA (h), masing-masing.
(studi dan gambar: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mekanisme Nanostrukturisasi Ultrasonik Permukaan Logam

Perawatan ultrasonik permukaan logam mengarah ke etsa mekanis permukaan titanium yang menyebabkan pembentukan struktur mesopori pada titanium.
Mekanisme mekanisme ultrasonik didasarkan pada kavitasi akustik, yang terjadi ketika frekuensi rendah, gelombang ultrasound intensitas tinggi digabungkan ke dalam 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 padat energi kavitasi akustik / ultrasonik ditandai dengan perbedaan tekanan dan suhu tinggi 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 tersebut terjadi di dekat permukaan logam, tidak hanya kekuatan mekanik, tetapi juga reaksi kimia terjadi.
Dalam kondisi ini, reaksi redoks terjadi yang mengarah ke reaksi oksidatif dan pembentukan lapisan titania. Selain menghasilkan spesies oksigen reaktif (ROS) yang mengoksidasi permukaan titanium, reaksi oksidasi-reduksi 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 menghasilkan pori-pori didistribusikan secara tidak teratur.
Metode sonochemical menawarkan cepat dan serbaguna untuk pembuatan bahan berstruktur nano, baik anorganik maupun organik, yang seringkali tidak dapat diraih melalui metode konvensional. Keuntungan utama dari teknik ini adalah bahwa propagasi 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 skematik sel sonikasi (a), Ilustrasi skematik dari 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 Berkinerja Tinggi untuk Nanostrukturisasi Permukaan Implan Metalik

Hielscher Ultrasonics menawarkan berbagai sonikator untuk aplikasi nano seperti nanostrukturisasi 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 nano-strukturisasi Anda.
Salah satu keuntungan utama dari sonikator 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 tertinggi dan standar desainnya. Kekokohan dan pengoperasian yang mudah memungkinkan integrasi yang lancar dari ultrasonicators kami ke dalam fasilitas industri. Kondisi kasar dan lingkungan yang menuntut mudah ditangani oleh ultrasonicators Hielscher.

Hielscher Ultrasonics adalah perusahaan bersertifikat ISO dan menempatkan 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 dari lapisan titania yang dibuat dengan perlakuan termal titanium yang dipoles (a) dan titanium yang dipoles secara sonokimia (b); Gambar SEM dari permukaan titanium yang dipoles (c) dan permukaan titanium dioksida mesopori yang dihasilkan secara sonokimia (d). Sonikasi dilakukan dengan menggunakan sonikator UIP1000hdT.
(studi dan gambar: ©Kuvyrkov et al., 2018)