インプラント、整形外科用補綴物、歯科インプラントは、主にチタンと合金で作られています。超音波処理は、金属インプラント上にナノ構造表面を作成するために使用されます。超音波ナノ構造化は、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生成する金属表面を変更することを可能にする。これらのナノ構造の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の大幅な改善を示し、臨床の成功率を向上させます。

改善されたオッセオインテグレーションのための超音波ナノ構造インプラント

チタンや合金などの金属の利用は、その好ましい表面特性のために整形外科および歯科インプラントの製造に普及しており、インプラント周囲組織との生体適合性インターフェースの確立を可能にします。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更を実装することによって、この界面の性質を変更するための戦略が開発されています。このような修飾は、タンパク質吸着、細胞とインプラント表面との間の相互作用(細胞-基質相互作用)、およびその後の周辺組織の発達を含む重要な側面に顕著な影響を及ぼします。これらのナノメートルレベルの変化を正確に操作することにより、科学者はインプラントの生体統合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転帰の改善につながることを目指しています。
 

チタンインプラントの超音波ナノ構造化のためのプロトコル

いくつかの調査研究は、高強度超音波を使用してチタンおよび合金表面の単純でありながら高効率のナノ構造化を実証している。ソノケミカル処理(すなわち超音波処理)は、スポンジ状構造の粗いチタニア層の形成をもたらし、これは細胞増殖を有意に増強することを示す。
ソノケミカル処理によるチタン表面の構造化:20×20 × 0.5mmのチタンサンプルを事前に研磨し、イオン交換水、アセトン、エタノールで連続して洗浄して汚染物質を除去しました。その後、チタンサンプルは、20 kHzで動作するヒールシャー超音波装置UIP1000hdを使用して、5 m NaOH溶液で超音波処理されました(左の写真を参照)。超音波処理器は、ソノトロードBS2d22(先端の表面積3.8cm2)とブースターB4-1.4を装備し、作業振幅を1.4倍に拡大しました。機械的振幅は≈81μmであった。発生強度は200W cm−2であった。最大電力入力は、使用済みソノトロードBS2d22の前部面積(3.8cm2)との強度の乗算に起因する760Wであった。 チタンサンプルを自家製のテフロンホルダーに固定し、5分間処理しました。
(ウラセビッチら、2020年参照)
 

手付かずのチタン表面の形態(a)、ソノ化学的に作製されたチタニアメソポーラス表面(TMS)の上面図および断面(b)、ならびに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)の上面図および断面(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(d−f)の細孔へのハイドロキシアパタイト(HA)の堆積を示すスキーム。化学的に堆積したHAを有するソノケミカルナノ構造チタン(TMS)およびTNT表面のSEM画像:それぞれTMS-HA(g)およびTNT-HA(h)。
(研究と画像:©クビルコフら、2020年)

金属表面の超音波ナノ構造化機構

金属表面の超音波処理は、チタン上にメソポーラス構造の形成を引き起こすチタン表面の機械的エッチングをもたらす。
超音波機構のメカニズムは、低周波、高強度の超音波が液体に結合されたときに発生す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を通過すると、高圧/低圧サイクルが交互に生成されます。低圧サイクル中に微小な真空気泡、いわゆるキャビテーション気泡が液体中に生じる。これらのキャビテーション気泡は、それ以上のエネルギーを吸収できなくなるまで、いくつかの圧力サイクルにわたって成長します。最大の気泡成長のこの時点で、キャビテーション気泡は激しい破裂で爆発し、非常にエネルギー密度の高い微小環境を作り出します。音響/超音波キャビテーションのエネルギー密度の高いフィールドは、最大2,000atmの圧力と約5000Kの温度を示す高圧と温度差、最大280m/秒の速度を持つ高速液体ジェット、および衝撃波によって特徴付けられます。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起こります。
これらの条件では、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。チタン表面を酸化した活性酸素種(ROS)を生成することに加えて、超音波生成酸化還元反応は、1μmの厚さの二酸化チタン層を得る結果となる効果的な表面エッチングを提供する。 これは、二酸化チタンがアルカリ溶液に部分的に溶解し、細孔が無秩序に分布することを意味する。
ソノケミカル法は、従来の方法では達成できないことが多い無機および有機の両方のナノ構造材料の製造に迅速かつ汎用性を提供します。この技術の主な利点は、キャビテーションの伝播が固体中に大きな局所的な温度勾配を生成し、その結果、室温条件で多孔質層と無秩序なナノ構造を有する材料が得られることです。さらに、外部超音波照射を使用して、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の放出をトリガーすることができます。
 

超音波処理セルの概略図(a)、アルカリ水溶液中のチタン表面の超音波処理中に行われる表面構造化プロセスの概略図(b)および形成された表面(c)、チタンインプラントの写真(d):緑がかったもの(手の中の左のサンプル)は超音波処理後のインプラントであり、黄色がかったもの(サンプルは右側にあります)は非修飾インプラントです。
(研究と画像:©クビルコフら、2020年)

金属インプラント表面をナノ構造化するための高性能超音波処理装置

ヒールシャー超音波は、金属表面(例えばチタンや合金)のナノ構造化などのナノアプリケーションのための超音波処理器のフルレンジを提供しています。インプラントの材料、表面積、生産スループットに応じて、ヒールシャーはあなたのナノ構造化アプリケーションのための理想的な超音波処理器とソノトロード(プローブ)を提供しています。
ヒールシャー超音波処理器の主な利点の1つは、正確な振幅制御と連続24/7操作で非常に高い振幅を提供する能力です。超音波プローブの変位である振幅は、超音波処理強度の原因です)したがって、信頼性が高く効果的な超音波処理の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

ヒールシャー超音波処理器は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。堅牢性と簡単な操作により、当社の超音波装置を産業施設にスムーズに統合できます。過酷な条件と要求の厳しい環境は、ヒールシャー超音波処理器によって簡単に処理されます。

ヒールシャー超音波はISO認定企業であり、最先端の技術と使いやすさを備えた高性能超音波装置に特に重点を置いています。もちろん、ヒールシャー超音波処理器はCEに準拠しており、UL、CSAおよびRoHsの要件を満たしています。

研磨チタンの熱処理によって作製されたチタニアコーティングのXRDパターン (a) およびソノ化学的に処理された研磨チタン (b);研磨されたチタン表面(c)およびソノ化学的に生成されたメソポーラス二酸化チタン表面(d)のSEM画像。超音波処理は、超音波処理器UIP1000hdTを用いて行った。
(研究と画像:©クビルコフら、2018年)