オッセオインテグレーションを向上させるソノケミカルにナノ構造化したインプラント

インプラント、整形外科用人工補綴物、歯科インプラントは、主にチタンおよび合金で作られています。超音波処理は、金属製インプラントにナノ構造表面を形成するために使用されます。超音波によるナノ構造化では、金属表面を改質し、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を形成できます。こうしたナノ構造化された金属製インプラントでは、組織の成長とオッセオインテグレーションが大幅に改善され、臨床的成功率の向上につながります。

オッセオインテグレーションを向上させる超音波でナノ構造化したインプラント

チタンおよび合金を含む金属は、その良好な表面特性によってインプラント周囲の組織との間に生体適合性のある界面を形成できるため、整形外科用および歯科用インプラントの製造に広く使用されています。これらのインプラントの性能を最適化するため、表面にナノスケールの変化を加えることで、この界面の性質を改質する手法が開発されています。このような改質は、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（細胞と基材の相互作用）、その後の周囲組織の発達など、重要な側面に顕著な影響を及ぼします。科学者は、こうしたナノメートルレベルの変化を精密に設計することで、インプラントの生体組織との一体化と全体的な有効性を高め、インプラント学の分野における臨床成績の向上を目指しています。
 

チタン製インプラントの超音波ナノ構造化プロトコル

複数の研究により、高強度超音波を用いることで、チタンおよび合金の表面を簡単かつ非常に効果的にナノ構造化できることが実証されています。ソノケミカル処理（すなわち超音波処理）によって、スポンジ状構造を持つ粗いチタニア層が形成され、細胞増殖が大幅に促進されます。
ソノケミカル処理によるチタン表面の構造化：20 × 20 × 0.5 mmのチタン試料をあらかじめ研磨し、汚染物質を除去するため、脱イオン水、アセトン、エタノールで順次洗浄しました。その後、20 kHzで動作するHielscher超音波処理装置UIP1000hdを用いて、5 m NaOH溶液中でチタン試料を超音波処理しました（左の写真を参照）。超音波処理装置には、ソノトロードBS2d22（先端の表面積3.8 cm2）と、動作振幅を1.4倍に増幅するブースターB4-1.4を装備しました。機械的振幅は≈81 μmでした。発生した強度は200 W cm−2でした。最大入力電力は760 Wで、これは強度に、使用したソノトロードBS2d22の前面面積（3.8 cm2）を乗じた値です。チタン試料を自作のテフロン製ホルダーに固定し、5 min処理しました。
（参照：Ulasevich et al., 2020）
 

未処理のチタン表面の形態（a）、ソノケミカルに作製したチタニアメソポーラス表面（TMS）の上面像および断面像（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）の上面像および断面像（c）。挿入図は、表面のナノ構造化の模式図を示しています。チタニアマトリックスの細孔内へのハイドロキシアパタイト（HA）の析出を示す模式図（d–f）。HAを化学的に析出させた、ソノケミカルにナノ構造化したチタン（TMS）表面およびTNT表面のSEM画像：それぞれTMS-HA（g）およびTNT-HA（h）。
（研究および画像：©Kuvyrkov et al., 2020）

金属表面の超音波ナノ構造化のメカニズム

金属表面を超音波処理すると、チタン表面が機械的にエッチングされ、チタン上にメソポーラス構造が形成されます。
超音波処理のメカニズムは、低周波・高強度の超音波を液体に結合させた際に生じる音響キャビテーションに基づいています。高出力超音波が液体中を伝播すると、高圧と低圧が交互に繰り返されるサイクルが発生します。低圧サイクルでは、キャビテーション気泡と呼ばれる微小な真空気泡が液体中に発生します。これらのキャビテーション気泡は、それ以上エネルギーを吸収できなくなるまで、複数の圧力サイクルにわたって成長します。気泡が最大まで成長した時点で、キャビテーション気泡は激しく破裂するように内破し、極めてエネルギー密度の高い微小環境を形成します。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、大きな圧力差と温度差を特徴とし、最大2,000atmの圧力、約5000 Kの温度、最大280m/secの速度の高速液体ジェット、および衝撃波を示します。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生じます。
こうした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につながります。超音波によって生じる酸化還元反応は、チタン表面を酸化する活性酸素種（ROS）を生成するだけでなく、効果的な表面エッチングをもたらし、厚さ1 μmの二酸化チタン層が得られます。つまり、二酸化チタンがアルカリ溶液中で部分的に溶解し、不規則に分布した細孔が形成されます。
ソノケミカル法は、従来の方法では得られないことも多い、無機および有機のナノ構造材料を作製するための迅速で多用途な手法です。この技術の主な利点は、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、室内条件下で多孔質層と不規則なナノ構造を持つ材料が得られることです。さらに、外部からの超音波照射を利用して、ナノ構造コーティングの細孔を通じた、封入された生体分子の放出を誘発できます。
 

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）、チタン製インプラントの写真（d）：緑がかったもの（手の中の左側の試料）は超音波処理後のインプラント、黄色がかったもの（右側にある試料）は未改質のインプラントです。
（研究および画像：©Kuvyrkov et al., 2020）

金属製インプラント表面のナノ構造化に適した高性能超音波処理装置

Hielscher Ultrasonicsは、金属表面（チタンおよび合金など）のナノ構造化をはじめとするナノ用途向けに、超音波処理装置の全ラインアップを提供しています。インプラントの材料、表面積、生産処理能力に応じて、Hielscherはお客様のナノ構造化用途に最適な超音波処理装置とソノトロード（プローブ）を提供します。
Hielscher超音波処理装置の主な利点の一つは、精密な振幅制御と、24/7の連続運転で非常に高い振幅を提供できることです。超音波プローブの変位である振幅は、超音波処理の強度）を決定するため、信頼性が高く効果的な超音波処理における重要なパラメータです。

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscher超音波処理装置は、最高の品質と設計基準で知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を産業設備に円滑に組み込めます。Hielscher超音波処理装置は、過酷な条件や厳しい環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置に特に力を入れています。もちろん、Hielscher超音波処理装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

研磨したチタンの熱処理（a）および研磨したチタンのソノケミカル処理（b）によって作製したチタニアコーティングのXRDパターン。研磨したチタン表面（c）およびソノケミカルに形成したメソポーラス二酸化チタン表面（d）のSEM画像。超音波処理には超音波処理装置UIP1000hdTを使用しました。
（研究および画像：©Kuvyrkov et al., 2018）