Sonochemically Nanostructured 임플란트는 골유착을 개선합니다.

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 크게 개선된 조직 성장과 골유착을 보여 임상 성공률을 향상시킵니다.

향상된 골유착을 위한 초음파 나노 구조 임플란트

티타늄 및 합금을 포함한 금속의 활용은 유리한 표면 특성으로 인해 정형외과 및 치과 임플란트 제조에 널리 퍼져 있어 임플란트 주변 조직과의 생체 적합성 인터페이스를 구축할 수 있습니다. 이러한 임플란트의 성능을 최적화하기 위해 표면에 나노 스케일 변경을 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 엔지니어링함으로써 임플란트의 생체 통합과 전반적인 효능을 향상시켜 임플란트 분야에서 임상 결과를 개선하는 것을 목표로 합니다.
 

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임플란트의 개선된 유착을 위한 메조다공성 금속 표면의 나노구조화. 사진은 Hielscher 초음파 처리기 UIP1000hdT를 사용하는 Daria Andreeva 박사를 보여줍니다.

D. Andreeva 박사는 티타늄 표면의 초음파 화학적 나노 구조를 시연했습니다 초음파 처리기 UIP1000hdT를 사용합니다.

티타늄 임플란트의 초음파 나노 구조화를위한 프로토콜

초음파 처리기 UIP1000hdT 금속 표면의 나노 구조화, 예를 들어. 티타늄 및 합금, 임플란트의 골형성 세포 증식 개선여러 연구 조사에서 고강도 초음파를 사용하여 티타늄 및 합금 표면의 간단하면서도 매우 효과적인 나노 구조화를 입증했습니다. 초음파 화학 처리 (즉, 초음파 처리)는 스폰지와 같은 구조의 거친 티타니아 층을 형성하여 세포 증식을 크게 향상시킵니다.
초음파 처리를 통한 티타늄 표면의 구조화: 20 × 20 × 0.5 mm의 티타늄 샘플을 이전에 연마하고 탈이온수, 아세톤 및 에탄올로 연속적으로 세척하여 오염 물질을 제거했습니다. 그 후, 티타늄 샘플은 20kHz에서 작동하는 Hielscher 초음파 처리기 UIP1000hd를 사용하여 5m NaOH 용액에서 초음파 처리되었습니다 (왼쪽 그림 참조). 초음파 처리기에는 sonotrode BS2d22 (팁의 표면적 3.8 cm2)와 부스터 B4-1.4가 장착되어 작동 진폭을 1.4 배 확대했습니다. 기계적 진폭은 ≈81 μm였다. 생성 된 강도는 200W cm-2였습니다. 최대 전력 입력은 사용 된 sonotrode BS2d22의 정면 영역 (3.8cm2)과 강도를 곱한 결과 760W였습니다. 티타늄 샘플을 수제 테프론 홀더에 고정하고 5분 동안 처리했습니다.
(Ulasevich et al., 2020 참조)
 

티타늄 표면의 sonochemical 나노 구조화의 과학적 계획. 강렬한 초음파 처리는 티타늄 표면에 스폰지와 같은 나노 패턴을 만듭니다

깨끗한 티타늄 표면의 형태 (a), 초음파 화학적으로 제조 된 티타니아 메조 다공성 표면 (TMS) 평면도 및 단면 (b), 및 전기 화학적 산화에 의해 얻어진 티타니아 나노 튜브 (TNT)의 평면도 및 단면 (c). 삽입물은 표면 나노 구조의 계획을 보여줍니다. 티타니아 매트릭스(d-f)의 공극 내로의 하이드록시아파타이트(HA)의 침착을 나타내는 반응식. 화학적으로 증착된 HA를 갖는 초음파 나노구조 티타늄(TMS) 및 TNT 표면의 SEM 이미지: 각각 TMS-HA (g) 및 TNT-HA (h).
(연구 및 이미지: ©Kuvyrkov et al., 2020)

처리되지 않은 초음파 나노 구조 티타늄 표면의 AFM 및 SEM 이미지.

a+b) AFM 및 e+f) 초기 티타늄 표면(a,e)의 SEM 이미지; Sonochemically 나노 구조 티타늄 표면 (B, F)
(연구 및 이미지: ©Ulasevich et al., 2021)

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초음파 프로세서 UIP1000hdT 진동 와이어 다이는 와이어 드로잉 및 청소 개선을 위해

금속 표면의 초음파 나노 구조화의 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 통과 할 때, 교대로 고압 / 저압 사이클이 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. 최대 기포 성장의 이 지점에서 캐비테이션 기포는 격렬한 파열과 함께 파열되어 에너지 밀도가 높은 미세 환경을 만듭니다. 음향/초음파 캐비테이션의 에너지 밀도가 높은 분야는 최대 2,000atm의 압력과 약 5000K의 온도를 나타내는 고압 및 온도 차동, 최대 280m/sec의 속도를 가진 고속 액체 제트 및 충격파가 특징입니다. 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 산화시키는 활성 산소 종 (ROS)을 생성하는 것 외에도, 초음파로 생성 된 산화 환원 반응은 1 μm 두께의 이산화 티타늄 층을 얻는 효과적인 표면 에칭을 제공합니다. 즉, 이산화 티타늄은 알칼리성 용액에 부분적으로 용해되어 기공이 무질서하게 분포되어 있습니다.
sonochemical 방법은 기존의 방법으로는 종종 달성할 수 없는 무기 및 유기 나노 구조 재료의 제조를 위한 빠르고 다재다능한 방법을 제공합니다. 이 기술의 주요 장점은 캐비테이션의 전파가 고체에서 큰 국부적 인 온도 구배를 생성하여 실내 조건에서 다공성 층과 무질서한 나노 구조를 가진 물질을 생성한다는 것입니다. 또한, 외부 초음파 조사는 나노 구조 코팅의 기공을 통해 캡슐화 된 생체 분자의 방출을 유발하는 데 사용될 수 있습니다.
 

티타늄의 Sonochemical 처리는 개선 된 골형성 특성을 나타내는 나노 구조의 메조 다공성 표면으로 이어집니다.

초음파 처리 셀의 개략도 (A), 알칼리 수용액 (B) 및 성형 표면 (C)에서 티타늄 표면의 초음파 처리 중에 발생하는 표면 구조화 공정의 개략도, 티타늄 임플란트 사진 (D) : 녹색 하나 (손의 왼쪽 샘플)는 초음파 처리 후 임플란트이고, 황색을 띠는 것 (샘플은 오른쪽에 위치)은 수정되지 않은 임플란트입니다.
(연구 및 이미지: ©Kuvyrkov et al., 2020)

 

금속 임플란트 표면의 나노 구조화를 위한 고성능 초음파 처리기

초음파 처리기 UIP1000hdT 정형 외과 임플란트의 나노 구조화를위한 초음파 프로브 및 셀.Hielscher 초음파는 금속 표면의 나노 구조화 (예 : 티타늄 및 합금)와 같은 나노 응용 분야를위한 모든 범위의 초음파 를 제공합니다. 임플란트의 재료, 표면적 및 생산 처리량에 따라 Hielscher는 나노 구조 응용 분야에 이상적인 초음파 처리기 및 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.

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Hielscher 초음파 는 최고 품질 및 디자인 표준으로 잘 알려져 있습니다. 견고성과 쉬운 작동으로 초음파 를 산업 시설에 원활하게 통합 할 수 있습니다. 거친 조건과 까다로운 환경은 Hielscher 초음파 로 쉽게 처리 할 수 있습니다.

Hielscher 초음파는 ISO 인증 회사이며 최첨단 기술과 사용자 친화성을 특징으로 하는 고성능 초음파 에 특히 중점을 둡니다. 물론, Hielscher 초음파 는 CE를 준수하고 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.

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초음파 처리는 티타늄 및 합금과 같은 금속 표면에 메조 다공성 나노 구조를 만듭니다. 초음파 나노 구조 티타늄은 향상된 골형성 세포 증식과 임플란트의 향상된 골유착을 보여줍니다.

연마 된 티타늄 (a) 및 초음파 화학 처리 된 연마 티타늄 (b)의 열처리에 의해 제조 된 티타니아 코팅의 XRD 패턴; 연마된 티타늄 표면(c)과 소노화학적으로 생성된 메조다공성 이산화티타늄 표면(d)의 SEM 이미지. 초음파 처리는 초음파 처리기 UIP1000hdT를 사용하여 수행되었습니다.
(연구 및 이미지: ©Kuvyrkov et al., 2018)

Hielscher 캐스카로드의 강력한 초음파 캐비테이션

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문학 / 참고 문헌

알만한 가치가있는 사실

골 유도성 또는 골형성 특성은 새로운 뼈 조직의 형성을 자극하는 물질의 고유한 능력을 나타냅니다(처음부터) 또는 이소성(비뼈 형성 부위에서). 이 특성은 뼈 조직 공학 및 재생 의학 분야에서 가장 중요합니다. 골 유도 물질은 세포 사건의 연속을 시작하는 특정 생물학적 신호 또는 성장 인자를 가지고 있어 줄기 세포를 골 형성을 담당하는 세포인 조골세포로 모집 및 분화시킵니다. 이 현상은 큰 뼈 결함이나 불유합 골절과 같이 뼈 재생이 필요한 부위에 새로운 뼈를 생성할 수 있도록 합니다. 새로운 골 형성 또는 비골 형성 부위에서 골 형성을 유도하는 능력은 골격 장애를 치료하고 뼈 복구 과정을 향상시키기 위한 혁신적인 접근 방식의 개발을 위한 상당한 치료 잠재력을 가지고 있습니다. 골유도성의 기본 메커니즘을 이해하고 활용하면 성공적인 뼈 재생을 촉진하는 효과적인 뼈 이식 대체물 및 임플란트 재료의 발전에 기여할 수 있습니다.


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