Sonochemically nanostructured Implants로 골유착 개선

임플란트, 정형외과용 보철물 및 치과용 임플란트는 주로 티타늄과 합금으로 만들어집니다. 초음파 처리는 금속 임플란트에 나노 구조 표면을 만드는 데 사용됩니다. 초음파 나노 구조화는 금속 표면을 수정하여 임플란트 표면에 균일하게 분포 된 나노 크기의 패턴을 생성 할 수 있습니다. 이러한 나노 구조 금속 임플란트는 조직 성장과 골유착이 크게 개선되어 임상 성공률이 향상되었습니다.

향상된 골유착을 위한 초음파 나노 구조 임플란트

티타늄 및 합금을 포함한 금속의 활용은 유리한 표면 특성으로 인해 정형외과 및 치과용 임플란트 제조에 널리 사용되며, 이를 통해 임플란트 주변 조직과 생체 적합성 인터페이스를 구축할 수 있습니다. 이러한 임플란트의 성능을 최적화하기 위해, 표면에 나노 단위의 변화를 구현하여 이 계면의 특성을 수정하는 전략이 개발되었습니다. 이러한 변형은 단백질 흡착, 세포와 임플란트 표면 간의 상호 작용(세포-기질 상호 작용) 및 주변 조직의 후속 발달을 포함한 중요한 측면에 주목할만한 영향을 미칩니다. 과학자들은 이러한 나노미터 수준의 변화를 정밀하게 엔지니어링하여 임플란트의 생체 통합 및 전반적인 효능을 향상시켜 임플란트 분야의 임상 결과를 개선하는 것을 목표로 합니다.
 

티타늄 임플란트의 초음파 나노 구조화를 위한 프로토콜

여러 연구 연구는 고강도 초음파를 사용하여 티타늄 및 합금 표면의 간단하면서도 효과적인 나노 구조화를 입증했습니다. 초음파 화학 처리 (즉, 초음파 처리)는 스폰지와 같은 구조의 거친 티타니아 층을 형성하여 세포 증식을 크게 향상시키는 것으로 나타났습니다.
초음파 처리를 통한 티타늄 표면의 구조화: 20 × 20 × 0.5mm의 티타늄 샘플은 이전에 탈이온수, 아세톤 및 에탄올로 연속적으로 연마하고 세척하여 오염 물질을 제거했습니다. 그 후, 티타늄 샘플은 20kHz에서 작동하는 Hielscher 초음파 장치 UIP1000hd를 사용하여 5m NaOH 용액에서 초음파 처리되었습니다 (왼쪽 그림 참조). 초음파 발생기에는 sonotrode BS2d22 (팁의 표면적 3.8cm2)와 부스터 B4-1.4가 장착되어 작동 진폭을 1.4 배 확대했습니다. 기계적 진폭은 ≈81 μm였습니다. 생성된 강도는 200W cm−2였습니다. 최대 전원 입력은 사용 된 sonotrode BS2d22의 정면 영역 (3.8cm2)과의 강도를 곱한 결과 760 W였습니다. 티타늄 샘플을 수제 테프론 홀더에 고정하고 5분 동안 처리했습니다.
(Ulasevich et al., 2020 참조)
 

자연 그대로의 티타늄 표면(a), 초음파화학적으로 제조된 티타니아 메조다공성 표면(TMS) 평면도 및 단면(b), 전기화학적 산화(c)로 얻은 티타니아 나노튜브(TNT)의 평면도 및 단면의 형태. 삽입물은 표면 nanostructuring의 계획을 보여줍니다. 티타니아 매트릭스(d-f)의 공극으로의 하이드록시아파타이트(HA)의 증착을 보여주는 계획. 화학적으로 증착된 HA가 있는 초음파 화학 나노 구조 티타늄(TMS) 및 TNT 표면의 SEM 이미지: 각각 TMS-HA(g) 및 TNT-HA(h).
(연구 및 이미지: ©Kuvyrkov et al., 2020)

금속 표면의 초음파 나노 구조화 메커니즘

금속 표면의 초음파 처리는 티타늄 표면의 기계적 에칭으로 이어져 티타늄에 메조 다공성 구조를 형성합니다.
초음파 메커니즘의 메커니즘은 저주파, 고강도 초음파가 액체에 결합 될 때 발생하는 음향 캐비테이션을 기반으로합니다. 고출력 초음파가 액체를 통과할 때 고압/저압 사이클이 교대로 생성됩니다. 저압 사이클 동안 미세한 진공 기포, 소위 캐비테이션 기포가 액체에서 발생합니다. 이러한 캐비테이션 기포는 더 이상 에너지를 흡수할 수 없을 때까지 여러 압력 주기에 걸쳐 성장합니다. 기포가 최대 성장하는 이 지점에서 캐비테이션 기포는 격렬한 폭발과 함께 붕괴되어 에너지 밀도가 높은 미세 환경을 생성합니다. 음향 / 초음파 캐비테이션의 에너지 밀도가 높은 필드는 최대 2,000atm의 압력과 약 5000K의 온도를 나타내는 고압 및 온도 차이, 최대 280m / sec의 속도를 가진 고속 액체 제트 및 충격파를 특징으로합니다. 이러한 캐비테이션이 금속 표면 근처에서 발생하면 기계적 힘뿐만 아니라 화학 반응도 발생합니다.
이러한 조건에서 산화 환원 반응이 일어나 산화 반응과 티타니아 층 형성이 발생합니다. 티타늄 표면을 산화시킨 활성산소종(ROS)을 생성하는 것 외에도 초음파로 생성된 산화-환원 반응은 효과적인 표면 에칭을 제공하여 1μm 두께의 이산화티타늄 층을 얻습니다. 이것은 이산화 티타늄이 알칼리 용액에 부분적으로 용해되어 기공이 무질서하게 분포되어 있음을 의미합니다.
초음파 화학적 방법은 기존의 방법으로는 종종 달성 할 수없는 무기 및 유기 나노 구조 물질의 제조에 빠르고 다재다능한 방법을 제공합니다. 이 기술의 가장 큰 장점은 캐비테이션의 전파가 고체에서 큰 국부적 온도 구배를 생성하여 실내 조건에서 다공성 층과 무질서한 나노 구조를 가진 물질을 생성한다는 것입니다. 게다가, 외부 초음파 조사는 nanostructured 코팅에 있는 구멍을 통해서 캡슐화된 biomolecules의 방출을 방아쇠를 당기기 위하여 이용될 수 있습니다.
 

초음파 처리 셀 (a)의 개략도, 알칼리 수용액 (b) 및 성형 표면 (c)에서 티타늄 표면의 초음파 처리 중에 발생하는 표면 구조 공정의 개략도, 티타늄 임플란트 사진 (d) : 녹색 (손의 왼쪽 샘플)은 초음파 처리 후 임플란트이며, 노란색 (샘플은 오른쪽에 있음)은 수정되지 않은 임플란트입니다.
(연구 및 이미지: ©Kuvyrkov et al., 2020)

금속 임플란트 표면을 구조화하는 고성능 초음파 발생기

Hielscher 초음파는 금속 표면 (예 : 티타늄 및 합금)의 나노 구조화와 같은 나노 응용 분야를위한 모든 범위의 초음파 발생기를 제공합니다. 임플란트의 재료, 표면적 및 생산 처리량에 따라 Hielscher는 나노 구조화 응용 분야에 이상적인 초음파 발생기와 sonotrode (프로브)를 제공합니다.
Hielscher 초음파 발생기의 주요 장점 중 하나는 정확한 진폭 제어와 연속 24/7 작동에서 매우 높은 진폭을 제공 할 수있는 능력입니다. 초음파 프로브의 변위 인 진폭은 초음파 처리 강도를 담당하므로 신뢰할 수 있고 효과적인 초음파 치료의 중요한 매개 변수입니다.

설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 만든 품질

Hielscher 초음파는 최고의 품질과 디자인 표준으로 잘 알려져 있습니다. 견고 함과 쉬운 작동으로 초음파를 산업 시설에 원활하게 통합 할 수 있습니다. 거친 조건과 까다로운 환경은 Hielscher 초음파기로 쉽게 처리 할 수 있습니다.

Hielscher 초음파는 ISO 인증 회사이며 최첨단 기술과 사용자 친화성을 갖춘 고성능 초음파에 특히 중점을 둡니다. 물론, Hielscher 초음파는 CE를 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.

연마 된 티타늄 (a) 및 초음파 화학 처리 된 광택 티타늄 (b)의 열처리로 제작 된 티타니아 코팅의 XRD 패턴; 연마 된 티타늄 표면 (c) 및 초음파 화학적으로 생성 된 메조 다공성 이산화 티타늄 표면 (d)의 SEM 이미지. 초음파 처리는 초음파 발생기 UIP1000hdT를 사용하여 수행되었습니다.
(연구 및 이미지: ©Kuvyrkov et al., 2018)