Gli impianti, le protesi ortopediche e gli impianti dentali sono realizzati principalmente in titanio e leghe. La sonicazione viene utilizzata per creare superfici nanostrutturate sugli impianti metallici. La nanostrutturazione a ultrasuoni consente di modificare le superfici metalliche generando modelli di dimensioni nanometriche uniformemente distribuite sulle superfici degli impianti. Questi impianti metallici nanostrutturati mostrano una crescita tissutale e un'osteointegrazione significativamente migliori, con conseguenti tassi di successo clinico.

Impianti nanostrutturati a ultrasuoni per una migliore osteointegrazione

L'utilizzo di metalli, tra cui il titanio e le leghe, è prevalente nella fabbricazione di impianti ortopedici e dentali grazie alle loro proprietà superficiali favorevoli, che consentono di stabilire un'interfaccia biocompatibile con i tessuti perimplantari. Per ottimizzare le prestazioni di questi impianti, sono state sviluppate strategie per modificare la natura di questa interfaccia implementando alterazioni su scala nanometrica sulla superficie. Tali modifiche esercitano una notevole influenza su aspetti critici, tra cui l'adsorbimento delle proteine, le interazioni tra le cellule e la superficie dell'impianto (interazioni cellula-substrato) e il successivo sviluppo del tessuto circostante. Ingegnerizzando con precisione queste modifiche a livello nanometrico, gli scienziati mirano a migliorare la biointegrazione e l'efficacia complessiva degli impianti, portando a risultati clinici migliori nel campo dell'implantologia.
 

Protocollo per la nanostrutturazione a ultrasuoni di impianti in titanio

Diversi studi di ricerca hanno dimostrato la nanostrutturazione semplice ma altamente efficace delle superfici di titanio e leghe utilizzando ultrasuoni ad alta intensità. Il trattamento sonochemico (cioè il trattamento a ultrasuoni) porta alla formazione di uno strato di titania ruvido con struttura simile a una spugna, che mostra di migliorare significativamente la proliferazione cellulare.
Strutturazione della superficie del titanio mediante trattamento sonochemico: I campioni di titanio di 20 × 20 × 0,5 mm sono stati precedentemente lucidati e lavati con acqua deionizzata, acetone ed etanolo in successione per eliminare eventuali contaminanti. Successivamente, i campioni di titanio sono stati trattati con ultrasuoni in una soluzione di NaOH 5 m utilizzando l'ultrasuonatore Hielscher UIP1000hd a 20 kHz (vedi figura a sinistra). Il sonicatore era dotato del sonotrodo BS2d22 (superficie della punta 3,8 cm2) e del booster B4-1.4, che ingrandiva l'ampiezza di lavoro di 1,4 volte. L'ampiezza meccanica era di ≈81 μm. L'intensità generata era di 200 W cm-2 . La potenza massima assorbita è stata di 760 W, risultante dalla moltiplicazione dell'intensità con l'area frontale (3,8 cm2) del sonotrodo BS2d22 utilizzato. I campioni di titanio sono stati fissati in un supporto di teflon fatto in casa e trattati per 5 minuti.
(cfr. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologia della superficie di titanio incontaminata (a), vista dall'alto e sezione trasversale della superficie mesoporosa di titania (TMS) fabbricata per via sonochemica (b) e vista dall'alto e sezione trasversale dei nanotubi di titania (TNT) ottenuti per ossidazione elettrochimica (c). Gli inserti mostrano gli schemi della nanostrutturazione superficiale. Schema che mostra la deposizione di idrossiapatite (HA) nei pori della matrice di titania (d-f). Immagini SEM delle superfici di titanio (TMS) e di TNT nanostrutturate per via sicochimica con HA depositato chimicamente: TMS-HA (g) e TNT-HA (h), rispettivamente.
(studio e immagini: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Meccanismo di nanostrutturazione ultrasonica delle superfici metalliche

Il trattamento a ultrasuoni delle superfici metalliche porta all'incisione meccanica delle superfici di titanio, che causa la formazione di una struttura mesoporosa sul titanio.
Il meccanismo degli ultrasuoni si basa sulla cavitazione acustica, che si verifica quando onde di ultrasuoni a bassa frequenza e alta intensità vengono accoppiate in un liquido. Quando gli ultrasuoni ad alta potenza attraversano un liquido, si generano cicli alternati di alta e bassa pressione. Durante i cicli di bassa pressione, nel liquido si formano minuscole bolle di vuoto, le cosiddette bolle di cavitazione. Queste bolle di cavitazione crescono per diversi cicli di pressione fino a quando non possono più assorbire energia. A questo punto di massima crescita, la bolla di cavitazione implode con un violento scoppio e crea un microambiente ad alta densità energetica. Il campo ad alta densità energetica della cavitazione acustica/ultrasonica è caratterizzato da elevati differenziali di pressione e temperatura, con pressioni fino a 2.000atm e temperature di circa 5.000 K, getti di liquidi ad alta velocità con velocità fino a 280m/sec e onde d'urto. Quando questa cavitazione si verifica in prossimità di una superficie metallica, non si verificano solo forze meccaniche ma anche reazioni chimiche.
In queste condizioni, avvengono reazioni redox che portano a reazioni ossidative e alla formazione dello strato di titania. Oltre a generare le specie reattive dell'ossigeno (ROS) che ossidano la superficie del titanio, le reazioni di ossido-riduzione generate dagli ultrasuoni forniscono un'efficace mordenzatura della superficie che porta all'ottenimento di uno strato di biossido di titanio dello spessore di 1 μm. Ciò significa che il biossido di titanio si dissolve parzialmente nella soluzione alcalina generando i pori distribuiti in modo disordinato.
Il metodo sonochemico offre una soluzione rapida e versatile per la fabbricazione di materiali nanostrutturati, sia inorganici che organici, che spesso non sono raggiungibili con i metodi convenzionali. Il vantaggio principale di questa tecnica è che la propagazione della cavitazione genera grandi gradienti di temperatura locali nei solidi, dando luogo a materiali con uno strato poroso e nanostrutture disordinate a condizioni ambiente. Inoltre, l'irradiazione esterna di ultrasuoni può essere utilizzata per innescare il rilascio di biomolecole incapsulate attraverso i pori del rivestimento nanostrutturato.
 

a illustrazione schematica della cella di sonicazione (a), illustrazione schematica del processo di strutturazione superficiale che avviene durante il trattamento a ultrasuoni di una superficie di titanio in soluzione acquosa alcalina (b) e della superficie formata (c), foto di impianti in titanio (d): quello verdastro (il campione a sinistra nella mano) è l'impianto dopo il trattamento a ultrasuoni, quello giallastro (il campione a destra) è l'impianto non modificato.
(studio e immagini: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Sonicatori ad alte prestazioni per la nanostrutturazione di superfici implantari metalliche

Hielscher Ultrasonics offre una gamma completa di sonicatori per le nano-applicazioni come la nanostrutturazione di superfici metalliche (ad esempio, titanio e leghe). A seconda del materiale, dell'area superficiale e della produttività degli impianti, Hielscher offre il sonicatore e il sonotrodo (sonda) ideale per la vostra applicazione di nanostrutturazione.
Uno dei principali vantaggi dei sonicatori Hielscher è il controllo preciso dell'ampiezza e la capacità di erogare ampiezze molto elevate in funzionamento continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7. L'ampiezza, che è lo spostamento della sonda a ultrasuoni, è responsabile dell'intensità di sonicazione) e quindi un parametro cruciale per un trattamento a ultrasuoni affidabile ed efficace.

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

Gli ultrasuoni Hielscher sono noti per i loro elevati standard di qualità e design. La robustezza e la facilità d'uso consentono un'agevole integrazione dei nostri ultrasuoni negli impianti industriali. Gli ultrasuonatori Hielscher sono in grado di gestire facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un'azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sugli ultrasuonatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all'avanguardia e facilità d'uso. Naturalmente, gli ultrasuoni Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoH.

Modelli XRD del rivestimento di titania fabbricato mediante trattamento termico del titanio lucidato (a) e del titanio lucidato trattato per via sonica (b); immagini SEM della superficie del titanio lucidato (c) e della superficie del biossido di titanio mesoporoso generato per via sonica (d). La sonicazione è stata eseguita con il sonicatore UIP1000hdT.
(studio e immagini: ©Kuvyrkov et al., 2018)