სონოქიმიურად ნანოსტრუქტურირებული იმპლანტები ოსეოინტეგრაციის გაუმჯობესებისთვის

იმპლანტები, ორთოპედიული პროთეზები და სტომატოლოგიური იმპლანტები ძირითადად ტიტანისა და შენადნობებისგან მზადდება. ულტრაბგერითი დამუშავება გამოიყენება მეტალის იმპლანტებზე ნანოსტრუქტურირებული ზედაპირების შესაქმნელად. ულტრაბგერითი ნანოსტრუქტურირება საშუალებას გვაძლევს შევცვალოთ მეტალის ზედაპირები, იმპლანტის ზედაპირებზე ერთგვაროვნად განაწილებული ნანომეტრიანი ზომის სტრუქტურების შექმნით. ეს ნანოსტრუქტურირებული მეტალის იმპლანტები აჩვენებს ქსოვილის ზრდისა და ოსეოინტეგრაციის მნიშვნელოვან გაუმჯობესებას, რაც კლინიკური წარმატების მაჩვენებლების ზრდას იწვევს.

ულტრაბგერითი ნანოსტრუქტურირებული იმპლანტები ოსეოინტეგრაციის გაუმჯობესებისთვის

მეტალების, მათ შორის ტიტანისა და შენადნობების, გამოყენება ფართოდ გავრცელებულია ორთოპედიული და სტომატოლოგიური იმპლანტების წარმოებაში მათი ხელსაყრელი ზედაპირული თვისებების გამო, რაც იმპლანტის გარშემო ქსოვილებთან ბიოთავსებადი ინტერფეისის დამყარებას უზრუნველყოფს. ამ იმპლანტების ეფექტურობის ოპტიმიზაციის მიზნით, შემუშავდა სტრატეგიები ზედაპირზე ნანომეტრიული ცვლილებების განხორციელებით ინტერფეისის ბუნების შესაცვლელად. ასეთი ცვლილებები მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს კრიტიკულ ასპექტებზე, მათ შორის ცილების ადსორბციაზე, უჯრედებსა და იმპლანტის ზედაპირს შორის ურთიერთქმედებაზე (უჯრედი-სუბსტრატი ურთიერთქმედება) და შემდგომ გარშემო ქსოვილის განვითარებაზე. ამ ნანომეტრული დონის ცვლილებების ზუსტი პროექტირებით, მეცნიერები იმპლანტების ბიოინტეგრაციისა და ზოგადი ეფექტურობის გაუმჯობესებას ისახავენ მიზნად, რაც იმპლანტოლოგიის სფეროში კლინიკური შედეგების გაუმჯობესებას იწვევს.
 

ტიტანის იმპლანტების ულტრაბგერითი ნანოსტრუქტურირების პროტოკოლი

რამდენიმე სამეცნიერო კვლევამ აჩვენა ტიტანისა და შენადნობების ზედაპირების მარტივი, მაგრამ მაღალეფექტური ნანოსტრუქტურირება მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერის გამოყენებით. სონოქიმიური დამუშავება (ანუ ულტრაბგერითი დამუშავება) იწვევს ღრუბლისებრი სტრუქტურის მქონე ხორკლიანი ტიტანის დიოქსიდის ფენის წარმოქმნას, რაც მნიშვნელოვნად აძლიერებს უჯრედების პროლიფერაციას.
ტიტანის ზედაპირის სტრუქტურირება სონოქიმიური დამუშავების გზით: 20 × 20 × 0,5 mm ზომის ტიტანის ნიმუშები წინასწარ გაპრიალდა და დეიონიზებული წყლით, აცეტონითა და ეთანოლით თანმიმდევრულად გაიწმინდა ნებისმიერი დამაზიანებლის მოსაშორებლად. შემდეგ, ტიტანის ნიმუშები ულტრაბგერითად დამუშავდა 5 m NaOH ხსნარში Hielscher ულტრაბგერითი დამუშავების აპარატ UIP1000hd-ის გამოყენებით, რომელიც მუშაობდა 20 kHz სიხშირეზე (იხ. მარცხნივ სურათი). ულტრაბგერითი დამუშავების აპარატი აღჭურვილი იყო სონოტროდით BS2d22 (წვერის ზედაპირის ფართობი 3,8 cm2) და ბუსტერით B4-1.4, რომელიც სამუშაო ამპლიტუდას 1,4-ჯერ ზრდიდა. მექანიკური ამპლიტუდა იყო ≈81 μm. გენერირებული ინტენსივობა იყო 200 W cm−2. მაქსიმალური სიმძლავრის შეყვანა იყო 760 W, რაც მიღებული იქნა ინტენსივობის გამრავლებით გამოყენებული სონოტროდის BS2d22 წინა ზედაპირის ფართობზე (3,8 cm2). ტიტანის ნიმუშები დამაგრებული იყო სახლის პირობებში დამზადებულ Teflon-ის დამჭერში და დამუშავდა 5 წთ-ის განმავლობაში.
(იხ. Ulasevich et al., 2020)
 

საწყისი ტიტანის ზედაპირის მორფოლოგია (a), სონოქიმიურად მიღებული ტიტანის დიოქსიდის მეზოპოროვანი ზედაპირის (TMS) ზედხედი და განივი კვეთი (b), და ელექტროქიმიური ჟანგვის გზით მიღებული ტიტანის დიოქსიდის ნანომილების (TNT) ზედხედი და განივი კვეთი (c). ჩანართებზე ნაჩვენებია ზედაპირის ნანოსტრუქტურირების სქემები. სქემა, რომელიც აჩვენებს ჰიდროქსიაპატიტის (HA) დალექვას ტიტანის დიოქსიდის მატრიცის ფორებში (d-f). სონოქიმიურად ნანოსტრუქტურირებული ტიტანის (TMS) და TNT ზედაპირების SEM სურათები ქიმიურად დალექილი HA-ით: TMS-HA (g) და TNT-HA (h), შესაბამისად.
(კვლევა და სურათები: ©Kuvyrkov et al., 2020)

მეტალის ზედაპირების ულტრაბგერითი ნანოსტრუქტურირების მექანიზმი

მეტალის ზედაპირების ულტრაბგერითი დამუშავება იწვევს ტიტანის ზედაპირების მექანიკურ ამოჭმას, რაც ტიტანზე მეზოპოროვანი სტრუქტურის წარმოქმნას იწვევს.
ულტრაბგერითი მექანიზმი ეფუძნება აკუსტიკურ კავიტაციას, რომელიც ხდება მაშინ, როდესაც დაბალი სიხშირის, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღები გადაეცემა სითხეს. როდესაც მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა სითხეში ვრცელდება, წარმოიქმნება მონაცვლეობითი მაღალი წნევის / დაბალი წნევის ციკლები. დაბალი წნევის ციკლების დროს სითხეში წარმოიქმნება უმცირესი ვაკუუმური ბუშტუკები, ე.წ. კავიტაციური ბუშტუკები. ეს კავიტაციური ბუშტუკები იზრდება წნევის რამდენიმე ციკლის განმავლობაში, სანამ ისინი ვეღარ შეძლებენ დამატებითი ენერგიის შთანთქმას. ბუშტუკის მაქსიმალური ზრდის ამ მომენტში კავიტაციური ბუშტუკი ძალზე ინტენსიურად კოლაფსირებს და ქმნის ენერგიის მაღალი სიმკვრივის მქონე მიკროგარემოს. აკუსტიკური/ულტრაბგერითი კავიტაციის ენერგიის მაღალი სიმკვრივის მქონე ველი ხასიათდება წნევისა და ტემპერატურის დიდი სხვაობებით: წნევა აღწევს 2,000 atm-ს, ხოლო ტემპერატურა – დაახლოებით 5000 K-ს; ასევე წარმოიქმნება სითხის მაღალსიჩქარიანი ჭავლები, რომელთა სიჩქარე 280 m/sec-მდეა, და დარტყმითი ტალღები. როდესაც ასეთი კავიტაცია ხდება მეტალის ზედაპირთან ახლოს, მექანიკური ძალების მოქმედებასთან ერთად ქიმიური რეაქციებიც მიმდინარეობს.
ამ პირობებში მიმდინარეობს ჟანგვა-აღდგენითი რეაქციები, რაც იწვევს ჟანგვის რეაქციებს და ტიტანის დიოქსიდის ფენის წარმოქმნას. გარდა იმისა, რომ წარმოიქმნება ჟანგბადის რეაქტიული ფორმები (ROS), რომლებიც ჟანგავენ ტიტანის ზედაპირს, ულტრაბგერითად გენერირებული ჟანგვა-აღდგენითი რეაქციები უზრუნველყოფს ზედაპირის ეფექტურ ამოჭმას, რის შედეგადაც მიიღება 1 μm სისქის ტიტანის დიოქსიდის ფენა. ეს ნიშნავს, რომ ტიტანის დიოქსიდი ნაწილობრივ იხსნება ტუტე ხსნარში, რაც ქმნის ქაოსურად განლაგებულ ფორებს.
სონოქიმიური მეთოდი უზრუნველყოფს სწრაფ და მრავალმხრივ გზას როგორც არაორგანული, ისე ორგანული ნანოსტრუქტურირებული მასალების მისაღებად, რომელთა მიღება ჩვეულებრივი მეთოდებით ხშირად შეუძლებელია. ამ ტექნიკის მთავარი უპირატესობა ისაა, რომ კავიტაციის გავრცელება ქმნის დიდ ადგილობრივ ტემპერატურულ გრადიენტებს მყარ სხეულებში, რის შედეგადაც ოთახის პირობებში მიიღება მასალები ფოროვანი ფენით და მოუწესრიგებელი ნანოსტრუქტურებით. გარდა ამისა, გარედან ულტრაბგერითი დასხივება შეიძლება გამოყენებულ იქნეს ინკაფსულირებული ბიომოლეკულების გამოთავისუფლების დასაწყებად ნანოსტრუქტურირებული საფარის ფორების გავლით.

ულტრაბგერითი დამუშავების კამერის სქემატური ილუსტრაცია (a), ზედაპირის სტრუქტურირების პროცესის სქემატური ილუსტრაცია, რომელიც მიმდინარეობს ტიტანის ზედაპირის ულტრაბგერითი დამუშავების დროს ტუტის წყალხსნარში (b), და წარმოქმნილი ზედაპირი (c), ტიტანის იმპლანტების ფოტო (d): მომწვანო ნიმუში (ხელში მარცხნივ) არის იმპლანტი ულტრაბგერითი დამუშავების შემდეგ, ხოლო მოყვითალო ნიმუში (მარჯვნივ) არის არამოდიფიცირებული იმპლანტი.
(კვლევა და სურათები: ©Kuvyrkov et al., 2020)

მაღალი ეფექტურობის სონიკატორები მეტალის იმპლანტების ზედაპირების ნანოსტრუქტურირებისთვის

Hielscher Ultrasonics გთავაზობთ სონიკატორების სრულ ასორტიმენტს ნანოტექნოლოგიური ამოცანებისთვის, როგორიცაა მეტალის ზედაპირების (მაგ. ტიტანისა და შენადნობების) ნანოსტრუქტურირება. იმპლანტების მასალის, ზედაპირის ფართობისა და წარმოების წარმადობის მიხედვით, Hielscher გთავაზობთ იდეალურ სონიკატორსა და სონოტროდს (ზონდს) თქვენი ნანოსტრუქტურირების ამოცანისთვის.
Hielscher-ის სონიკატორების ერთ-ერთი მთავარი უპირატესობაა ამპლიტუდის ზუსტი კონტროლი და ძალიან მაღალი ამპლიტუდების უზრუნველყოფის შესაძლებლობა უწყვეტი 24/7 რეჟიმში მუშაობისას. ამპლიტუდა, რომელიც ულტრაბგერითი ზონდის გადაადგილებას წარმოადგენს, განსაზღვრავს ულტრაბგერითი დამუშავების ინტენსივობას და, შესაბამისად, საიმედო და ეფექტური ულტრაბგერითი დამუშავების გადამწყვეტი პარამეტრია.

პროექტირება, წარმოება და კონსულტირება – გერმანიაში შექმნილი ხარისხი

Hielscher-ის ულტრაბგერითი აპარატები ცნობილია თავისი უმაღლესი ხარისხისა და დიზაინის სტანდარტებით. მდგრადობა და მარტივი ექსპლუატაცია საშუალებას გვაძლევს, ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატები მარტივად ინტეგრირდეს სამრეწველო ობიექტებში. Hielscher-ის ულტრაბგერითი აპარატები მარტივად უმკლავდებიან მძიმე პირობებსა და მოთხოვნად გარემოს.

Hielscher Ultrasonics არის ISO-ს სერტიფიცირებული კომპანია, რომელიც განსაკუთრებულ ყურადღებას უთმობს მაღალეფექტურ ულტრაბგერით აპარატებს, რომლებიც გამოირჩევა თანამედროვე ტექნოლოგიითა და გამოყენების სიმარტივით. რა თქმა უნდა, Hielscher-ის ულტრაბგერითი აპარატები შეესაბამება CE-ს მოთხოვნებს და აკმაყოფილებს UL-ის, CSA-სა და RoHs-ის მოთხოვნებს.

პოლირებული ტიტანის თერმული დამუშავებით მიღებული ტიტანის დიოქსიდის საფარის (a) და სონოქიმიურად დამუშავებული პოლირებული ტიტანის საფარის (b) რენტგენული დიფრაქციის (XRD) სურათები; პოლირებული ტიტანის ზედაპირის (c) და სონოქიმიურად მიღებული მეზოპოროვანი ტიტანის დიოქსიდის ზედაპირის (d) სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპიის (SEM) სურათები. ულტრაბგერითი დამუშავება ჩატარდა UIP1000hdT სონიკატორის გამოყენებით.
(კვლევა და სურათები: ©Kuvyrkov et al., 2018)