オッセオインテグレーションを改善するソノケミカル・ナノ構造インプラント

インプラント、整形外科用補綴物、歯科用インプラントは、主にチタンと合金から作られている。超音波処理は、金属インプラントの表面をナノ構造化するために使用されます。超音波ナノ構造化により、金属表面を改質することができ、インプラント表面に均一に分布したナノサイズのパターンが形成される。これらのナノ構造化された金属インプラントは、組織の成長とオッセオインテグレーションを著しく改善し、臨床的成功率の向上につながる。

オッセオインテグレーションを改善する超音波ナノ構造インプラント

チタンや合金を含む金属は、その良好な表面特性により、インプラント周囲組織との生体適合性界面の確立を可能にするため、整形外科用および歯科用インプラントの製作に広く利用されている。これらのインプラントの性能を最適化するために、表面にナノスケールの変化を与えることによって、この界面の性質を修正する戦略が開発されてきた。このような修飾は、タンパク質の吸着、細胞とインプラント表面との相互作用（細胞-基質相互作用）、その後の周辺組織の発達など、重要な側面に顕著な影響を及ぼす。このようなナノメートルレベルの変化を精密に工学的に制御することで、科学者たちはインプラントのバイオインテグレーションと全体的な有効性を高め、インプラント学分野における臨床転帰の改善につなげることを目指している。
 

チタン製インプラントの超音波ナノ構造化プロトコール

いくつかの研究により、高強度超音波を用いたチタンや合金表面の簡便で効果的なナノ構造化が実証されている。ソノケミカル処理（すなわち超音波処理）は、スポンジのような構造を持つ粗いチタニア層の形成につながり、これは細胞増殖を著しく促進することを示している。
超音波処理によるチタン表面の構造化：20×20×0.5mmのチタン試料をあらかじめ研磨し、脱イオン水、アセトン、エタノールで連続して洗浄し、汚染物質を除去した。その後、Hielscher社製超音波発生装置UIP1000hdを用い、5m NaOH溶液中で超音波処理を行った（左写真参照）。ソニケーターにはソノトロードBS2d22（先端表面積3.8cm2）とブースターB4-1.4が装備され、作業振幅を1.4倍に拡大した。機械的振幅は≈81μmであった。発生強度は200W cm-2。最大入力電力は、使用したソノトロードBS2d22の正面面積（3.8 cm2）に強度を乗算した760 Wであった。チタン試料は、自家製のテフロン製ホルダーに固定し、5分間処理した。
(参照：Ulasevich et al.）
 

原始チタン表面のモルフォロジー（a）、ソノケミカル法で作製したチタニアメソポーラス表面（TMS）の上面図と断面図（b）、電気化学的酸化によって得られたチタニアナノチューブ（TNT）の上面図と断面図（c）。挿入図は表面ナノ構造化のスキームを示す。チタニアマトリックスの細孔へのハイドロキシアパタイト（HA）の沈着を示すスキーム（d-f）。化学的にHAを沈着させた超音波ナノ構造化チタン（TMS）とTNT表面のSEM像：それぞれTMS-HA（g）とTNT-HA（h）。
(研究および画像：©Kuvyrkov et al.）

金属表面の超音波ナノ構造化のメカニズム

金属表面の超音波処理は、チタン表面の機械的エッチングを引き起こし、チタンにメソポーラス構造を形成させる。
超音波のメカニズムは、低周波で高強度の超音波が液体に結合するときに発生する音響キャビテーションに基づいている。高出力の超音波が液体中を伝わると、高圧と低圧のサイクルが交互に発生する。低圧サイクルの間、液体中に微小な真空の気泡、いわゆるキャビテーションバブルが発生する。このキャビテーション気泡は、数回の圧力サイクルを経て、それ以上エネルギーを吸収できなくなるまで成長します。気泡が最大に成長するこの時点で、キャビテーション気泡は激しく破裂して崩壊し、エネルギー密度の高い微小環境が形成されます。音響/超音波キャビテーションのエネルギー密度の高い場は、最大2000気圧の圧力と約5000Kの温度を示す高い圧力と温度差、最大280m/秒の速度を持つ高速液体ジェット、衝撃波によって特徴付けられる。このようなキャビテーションが金属表面の近くで発生すると、機械的な力だけでなく化学反応も起こります。
このような条件下では酸化還元反応が起こり、酸化反応とチタニア層の形成が起こる。チタン表面を酸化させる活性酸素種（ROS）の生成に加え、超音波により生成された酸化還元反応は、効果的な表面エッチングをもたらし、その結果、厚さ1μmの二酸化チタン層が得られる。 つまり、二酸化チタンはアルカリ溶液に部分的に溶解し、無秩序に分布する細孔を生成する。
ソノケミカル法は、無機および有機のナノ構造材料を高速かつ汎用的に作製することができる。この手法の主な利点は、キャビテーションの伝播によって固体中に大きな局所的温度勾配が生じることであり、その結果、多孔質層や無秩序なナノ構造を有する材料が室温で得られる。さらに、外部からの超音波照射を利用することで、ナノ構造コーティングの細孔を通してカプセル化された生体分子を放出させることができる。
 

超音波処理セルの模式図(a)、アルカリ水溶液中でチタン表面を超音波処理する際に起こる表面構造化プロセスの模式図(b)と形成された表面(c)、チタンインプラントの写真(d)：緑がかったもの（手に持っている左側のサンプル）が超音波処理後のインプラント、黄色がかったもの（右側に位置するサンプル）が非改質インプラント。
(研究および画像：©Kuvyrkov et al.）

金属インプラント表面をナノ構造化する高性能ソニケーター

Hielscher Ultrasonicsは、金属表面（例：チタンや合金）のナノ構造化などのナノ応用のためのあらゆるソニケーターを提供しています。インプラントの材質、表面積、生産処理能力に応じて、Hielscherはお客様のナノ構造化アプリケーションに理想的なソニケーターとソノトロード（プローブ）を提供します。
Hielscher社製ソニケーターの主な利点の一つは、正確な振幅制御と24時間365日の連続運転で非常に高い振幅を供給できることです。超音波プローブの変位である振幅は、超音波処理強度を決定するため、信頼性が高く効果的な超音波処理の重要なパラメーターです。

デザイン、製造、コンサルティング – 品質 ドイツ製

Hielscher社の超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。頑丈で操作が簡単なため、産業設備にスムーズに組み込むことができます。過酷な条件や厳しい環境でも、Hielscherの超音波装置は容易に対応できます。

Hielscher Ultrasonics社は、ISO認証取得企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波振動子に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

研磨チタン（a）とソノケミカル処理した研磨チタン（b）を熱処理して作製したチタニアコーティングのXRDパターン；研磨チタン表面（c）とソノケミカル処理したメソポーラス酸化チタン表面（d）のSEM像。超音波処理はソニケーターUIP1000hdTを用いて行った。
(研究・画像：©Kuvyrkov et al.）