Impianti nanostrutturati per via sonochimica che migliorano l’osteointegrazione

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 motivi di dimensioni nanometriche distribuiti uniformemente sulle superfici degli impianti. Questi impianti metallici nanostrutturati mostrano una crescita tissutale e un’osteointegrazione significativamente migliori, con conseguente aumento dei tassi di successo clinico.

Impianti nanostrutturati mediante ultrasuoni per una migliore osteointegrazione

L’impiego di metalli, tra cui il titanio e le leghe, è diffuso nella fabbricazione di impianti ortopedici e dentali grazie alle loro favorevoli proprietà superficiali, che consentono di creare un’interfaccia biocompatibile con i tessuti peri-implantari. Per ottimizzare le prestazioni di questi impianti, sono state sviluppate strategie volte a modificare la natura di questa interfaccia introducendo alterazioni superficiali su scala nanometrica. Tali modifiche esercitano un’influenza significativa su aspetti cruciali, 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. Attraverso la progettazione precisa di queste modifiche su scala nanometrica, gli scienziati mirano a migliorare la biointegrazione e l’efficacia complessiva degli impianti, ottenendo risultati clinici migliori nel campo dell’implantologia.
 

Protocollo per la nanostrutturazione a ultrasuoni degli impianti in titanio

Diversi studi di ricerca hanno dimostrato che la nanostrutturazione delle superfici di titanio e leghe mediante ultrasuoni ad alta intensità è semplice ma estremamente efficace. Il trattamento sonochimico (ossia il trattamento a ultrasuoni) porta alla formazione di uno strato rugoso di biossido di titanio con una struttura spugnosa, che favorisce significativamente la proliferazione cellulare.
Strutturazione della superficie di titanio mediante trattamento sonochimico: i campioni di titanio di 20 × 20 × 0,5 mm sono stati precedentemente lucidati e lavati in successione con acqua deionizzata, acetone ed etanolo per eliminare qualsiasi contaminante. Successivamente, i campioni di titanio sono stati trattati con ultrasuoni in una soluzione di NaOH 5 m utilizzando il sonicatore Hielscher UIP1000hd operante a 20 kHz (vedere l’immagine a sinistra). Il sonicatore era dotato del sonotrodo BS2d22 (area superficiale della punta 3,8 cm2) e del booster B4-1.4, che amplificava l’ampiezza di lavoro di 1,4 volte. L’ampiezza meccanica era ≈81 μm. L’intensità generata era di 200 W cm−2. La potenza massima immessa era di 760 W, risultante dalla moltiplicazione dell’intensità per l’area frontale (di 3,8 cm2) del sonotrodo BS2d22 utilizzato. I campioni di titanio sono stati fissati in un supporto in Teflon realizzato artigianalmente e trattati per 5 min.
(cfr. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologia della superficie di titanio originaria (a), vista dall’alto e sezione trasversale della superficie mesoporosa di biossido di titanio (TMS) realizzata per via sonochimica (b), e vista dall’alto e sezione trasversale dei nanotubi di biossido di titanio (TNT) ottenuti mediante ossidazione elettrochimica (c). I riquadri mostrano gli schemi della nanostrutturazione superficiale. Schema che mostra la deposizione di idrossiapatite (HA) nei pori della matrice di biossido di titanio (d–f). Immagini SEM delle superfici di titanio nanostrutturato per via sonochimica (TMS) e di TNT con HA depositata chimicamente: rispettivamente TMS-HA (g) e TNT-HA (h).
(studio e immagini: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Meccanismo della nanostrutturazione a ultrasuoni delle superfici metalliche

Il trattamento a ultrasuoni delle superfici metalliche determina un’incisione meccanica delle superfici di titanio, che provoca la formazione di una struttura mesoporosa sul titanio.
Il meccanismo del trattamento a ultrasuoni si basa sulla cavitazione acustica, che si verifica quando onde ultrasoniche a bassa frequenza e ad alta intensità vengono accoppiate a un liquido. Quando gli ultrasuoni ad alta potenza attraversano un liquido, si generano cicli alternati di alta pressione / bassa pressione. Durante i cicli di bassa pressione si formano nel liquido minuscole bolle di vuoto, dette bolle di cavitazione. Queste bolle di cavitazione crescono nel corso di diversi cicli di pressione finché non possono più assorbire ulteriore energia. A questo punto di massima crescita, la bolla di cavitazione implode violentemente e crea un microambiente ad alta densità energetica. Il campo ad alta densità energetica della cavitazione acustica/ultrasonica è caratterizzato da elevate differenze di pressione e temperatura, con pressioni fino a 2.000atm e temperature di circa 5000 K, getti di liquido ad alta velocità fino a 280m/sec e onde d’urto. Quando tale cavitazione si verifica vicino a una superficie metallica, si producono sia forze meccaniche sia reazioni chimiche.
In queste condizioni si verificano reazioni redox che portano a reazioni ossidative e alla formazione di uno strato di biossido di titanio. Oltre a generare le specie reattive dell’ossigeno (ROS) che ossidano la superficie del titanio, le reazioni di ossidoriduzione generate dagli ultrasuoni producono un’efficace incisione superficiale che consente di ottenere uno strato di biossido di titanio dello spessore di 1 μm. Ciò significa che il biossido di titanio si dissolve parzialmente in soluzione alcalina, generando pori distribuiti in modo disordinato.
Il metodo sonochimico offre una modalità rapida e versatile per la fabbricazione di materiali nanostrutturati, sia inorganici sia organici, spesso non ottenibili con i metodi convenzionali. Il principale vantaggio di questa tecnica è che la propagazione della cavitazione genera forti gradienti locali di temperatura nei solidi, producendo materiali con uno strato poroso e nanostrutture disordinate in condizioni ambientali. Inoltre, l’irradiazione ultrasonica esterna può essere utilizzata per innescare il rilascio di biomolecole incapsulate attraverso i pori del rivestimento nanostrutturato.
 

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), fotografia di impianti in titanio (d): quello verdastro (il campione a sinistra nella mano) è un impianto dopo il trattamento a ultrasuoni, quello giallastro (il campione situato a destra) è un impianto non modificato.
(studio e immagini: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Sonicatori ad alte prestazioni per la nanostrutturazione delle superfici degli impianti metallici

Hielscher Ultrasonics offre una gamma completa di sonicatori per applicazioni su scala nanometrica, come la nanostrutturazione delle superfici metalliche (ad es. titanio e leghe). In base al materiale, all’area superficiale e alla capacità produttiva degli impianti, Hielscher vi offre il sonicatore e il sonotrodo (sonda) ideali 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 durante il funzionamento continuo 24/7. L’ampiezza, ossia lo spostamento della sonda a ultrasuoni, determina l’intensità della sonicazione ed è quindi un parametro cruciale per un trattamento a ultrasuoni affidabile ed efficace.

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

I sonicatori Hielscher sono rinomati per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la facilità d’uso consentono un’integrazione agevole dei nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano facilmente condizioni gravose e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e pone particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni caratterizzati da tecnologia all’avanguardia e facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoHs.

Diffrattogrammi XRD del rivestimento di biossido di titanio fabbricato mediante trattamento termico del titanio lucidato (a) e del titanio lucidato trattato per via sonochimica (b); immagini SEM della superficie di titanio lucidato (c) e della superficie mesoporosa di biossido di titanio generata per via sonochimica (d). La sonicazione è stata eseguita utilizzando il sonicatore UIP1000hdT.
(studio e immagini: ©Kuvyrkov et al., 2018)