Sonochemesch nanostrukturéiert Implantater fir eng verbessert Osseointegratioun

Implantater, orthopedesch Protheesen an Zännimplantater ginn haaptsächlech aus Titan a Legierunge gemaach. D’Ultraschallbehandlung gëtt agesat, fir nanostrukturéiert Uewerflächen op metalleschen Implantater ze schafen. D’Nanostrukturéierung mat Ultraschall erméiglecht et, metallesch Uewerflächen ze veränneren an dobäi gläichméisseg verdeelt Musteren am Nanoberäich op den Implantatuewerflächen ze bilden. Dës nanostrukturéiert metallesch Implantater weisen e wesentlech verbessert Tissuswuesstem an eng wesentlech verbessert Osseointegratioun, wat zu verbesserte klineschen Erfollegsquote féiert.

Mat Ultraschall nanostrukturéiert Implantater fir eng verbessert Osseointegratioun

Metaller, dorënner Titan a Legierungen, gi bei der Hierstellung vun orthopedeschen Implantater an Zännimplantater wäit verbreet agesat, well hir gënschteg Uewerflächeneegenschaften d’Bildung vun enger biokompatibeler Grenzfläch mam Tissu ronderëm d’Implantat erméiglechen. Fir d’Leeschtung vun dësen Implantater ze optiméieren, goufe Strategien entwéckelt, fir d’Beschafenheet vun dëser Grenzfläch duerch Verännerungen op der Uewerfläch am Nanoberäich unzepassen. Esou Modifikatiounen hunn e bemierkenswäerten Afloss op entscheedend Aspekter, dorënner d’Proteinadsorptioun, d’Interaktiounen tëscht Zellen an der Implantatuewerfläch (Zell-Substrat-Interaktiounen) an déi uschléissend Entwécklung vum Tissu ronderëm d’Implantat. Andeems si dës Verännerungen op Nanometerniveau präzis gestalten, striewen d’Wëssenschaftler eng verbessert Biointegratioun a Gesamtwierksamkeet vun den Implantater un, wat zu verbesserte klinesche Resultater am Beräich vun der Implantologie féiert.
 

Protokoll fir d’Nanostrukturéierung vun Titanimplantater mat Ultraschall

Verschidde Fuerschungsstudien hunn déi einfach, awer héichwierksam Nanostrukturéierung vun Titan- a Legierungsuewerfläche mat Ultraschall mat héijer Intensitéit nogewisen. Déi sonochemesch Behandlung (d. h. d’Ultraschallbehandlung) féiert zur Bildung vun enger rauer Titandioxidschicht mat enger schwammänlecher Struktur, déi d’Zellproliferatioun wesentlech verbessert.
Strukturéierung vun der Titanuewerfläch duerch sonochemesch Behandlung: D’Titanprouwe vun 20 × 20 × 0,5 mm goufe virdru poléiert an duerno successiv mat deioniséiertem Waasser, Aceton an Ethanol gewäsch, fir all Veronrengegungen ze eliminéieren. Duerno goufen d’Titanprouwen an enger 5 m NaOH-Léisung mam Hielscher Ultraschallapparat UIP1000hd, dee bei 20 kHz bedriwwe gouf, mat Ultraschall behandelt (kuckt d’Bild lénks). Den Ultraschallapparat war mat der Sonotrod BS2d22 (Uewerfläch vun der Spëtzt 3,8 cm2) an dem Booster B4-1.4 ekipéiert, deen d’Aarbechtsamplitud ëm de Faktor 1,4 vergréissert huet. Déi mechanesch Amplitud war ≈81 μm. Déi generéiert Intensitéit war 200 W cm−2. Déi maximal zougeféiert Leeschtung war 760 W a gouf duerch d’Multiplikatioun vun der Intensitéit mat der viischter Fläch (mat 3,8 cm2) vun der benotzter Sonotrod BS2d22 berechent. D’Titanprouwe goufen an engem selwer hiergestallten Teflonhalter fixéiert a fir 5 min behandelt.
(vgl. Ulasevich et al., 2020)
 

Morphologie vun der ursprénglecher Titanuewerfläch (a), Vue vun uewen a Querschnëtt vun der sonochemesch hiergestallter mesoporéiser Titandioxiduewerfläch (TMS) (b) souwéi Vue vun uewen a Querschnëtt vun Titandioxid-Nanoréier (TNT), déi duerch elektrochemesch Oxidatioun erhale goufen (c). Déi ageblend Illustratioune weisen d’Schemae vun der Nanostrukturéierung vun der Uewerfläch. Schema, dat d’Oflagerung vun Hydroxyapatit (HA) an de Pore vun der Titandioxidmatrix weist (d–f). SEM-Biller vun der sonochemesch nanostrukturéierter Titanuewerfläch (TMS) an den TNT-Uewerfläche mat chemesch ofgelagertem HA: respektiv TMS-HA (g) an TNT-HA (h).
(Etüd a Biller: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mechanismus vun der Nanostrukturéierung vu Metalluewerfläche mat Ultraschall

D’Ultraschallbehandlung vu Metalluewerfläche féiert zu enger mechanescher Ätzung vun Titanuewerflächen, déi d’Bildung vun enger mesoporöser Struktur um Titan verursaacht.
De Mechanismus vum Ultraschallmechanismus baséiert op akustescher Kavitatioun, déi entsteet, wann Ultraschallwelle mat niddreger Frequenz an héijer Intensitéit an eng Flëssegkeet agekoppelt ginn. Wann héichleeschtungsfäegen Ultraschall sech duerch eng Flëssegkeet ausbreet, entstinn ofwiesselnd Héichdrock- / Nidderdrockzyklen. Wärend den Nidderdrockzyklen entstinn an der Flëssegkeet winzeg Vakuumblosen, sougenannt Kavitatiounsblosen. Dës Kavitatiounsblose wuessen iwwer e puer Drockzyklen, bis se keng weider Energie méi ophuele kënnen. Op dësem Punkt vum maximale Blosewuesstem implodéiert d’Kavitatiounsblos mat engem heftege Knall a schaaft eng Mikroëmwelt mat enger ganz héijer Energiedicht. D’Feld vun der akustescher/Ultraschallkavitatioun mat senger héijer Energiedicht ass duerch grouss Drock- an Temperaturënnerscheeder gekennzeechent, mat Drécker vu bis zu 2.000atm an Temperature vun ongeféier 5000 K, séiere Flëssegkeetsstrale mat Vitessë vu bis zu 280m/sec a Stousswellen. Wann esou eng Kavitatioun no bei enger metallescher Uewerfläch entsteet, trieden net nëmme mechanesch Kräften, mee och cheemesch Reaktiounen op.
Ënner dëse Bedéngunge fanne Redoxreaktioune statt, déi zu oxidativen Reaktiounen an der Bildung vun enger Titandioxidschicht féieren. Nieft der Bildung vun de reaktive Sauerstoffspezies (ROS), déi d’Titanuewerfläch oxidéiert hunn, suergen duerch Ultraschall ausgeléisten Oxidatiouns-Reduktiounsreaktioune fir eng effektiv Ätzung vun der Uewerfläch, duerch déi eng 1 μm déck Titandioxidschicht entsteet. Dat bedeit, datt sech den Titandioxid deelweis an alkalescher Léisung opléist, wouduerch onreegelméisseg verdeelt Poren entstinn.
Déi sonocheemesch Method bitt eng séier a villsäiteg Méiglechkeet fir d’Hierstellung vun nanostrukturéierte Materialien, souwuel anorganeschen ewéi och organeschen, déi dacks mat konventionelle Methoden net hiergestallt kënne ginn. Den Haaptvirdeel vun dëser Technik ass, datt d’Ausbreedung vun der Kavitatioun grouss lokal Temperaturgradienten a Feststoffer erzeugt, wouduerch ënner Raumbedéngunge Materialie mat enger poröser Schicht an onuerdentlechen Nanostrukturen entstinn. Zousätzlech kann déi extern Ultraschallbestralung benotzt ginn, fir d’Fräisetzung vun agekapselte Biomoleküllen duerch Poren an enger nanostrukturéierter Beschichtung auszeléisen.
 

Schematesch Duerstellung vun der Ultraschallbehandlungszell (a), schematesch Duerstellung vum Prozess vun der Uewerflächestrukturéierung, dee wärend der Ultraschallbehandlung vun enger Titanuewerfläch an enger wässerlecher alkalescher Léisung stattfënnt (b), an déi entstanen Uewerfläch (c), Foto vun Titanimplantater (d): dat grénglecht (déi lénks Prouf an der Hand) ass en Implantat no der Ultraschallbehandlung, dat gielzegt (d’Prouf ass riets) ass en onverännert Implantat.
(Etüd a Biller: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Héichleeschtungs-Ultraschallapparater fir d’Nanostrukturéierung vu metalleschen Implantatuewerflächen

Hielscher Ultrasonics bitt déi komplett Gamme vun Ultraschallapparater fir Nanoapplikatiounen, wéi d’Nanostrukturéierung vu metalleschen Uewerflächen (z. B. Titan a Legierungen). Jee no Material, Uewerflächegréisst a Produktiounsduerchsaz vun den Implantater bitt Hielscher Iech den idealen Ultraschallapparat an déi ideal Sonotrod (Sond) fir Är Nanostrukturéierungsapplikatioun.
Ee vun den Haaptvirdeeler vun den Hielscher Ultraschallapparater ass déi prezis Amplitudereegelung an d’Fäegkeet, ganz héich Amplituden am kontinuéierleche 24/7-Betrib ze liwweren. D’Amplitud, déi der Auslenkung vun der Ultraschallsond entsprécht, ass fir d’Intensitéit vun der Ultraschallbehandlung verantwortlech) an domat e wesentleche Parameter fir eng zouverlässeg an effektiv Ultraschallbehandlung.

Design, Fabrikatioun a Berodung – Qualitéit aus Däitschland

Hielscher Ultraschallapparater si fir hir héchst Qualitéits- an Designstandarde bekannt. Hir Robustheet an einfach Bedéngung erméiglechen eng reiwungslos Integratioun vun eisen Ultraschallapparater an industriell Anlagen. Hielscher Ultraschallapparater gi liicht mat haarde Bedéngungen an usprochsvollen Ëmfelder eens.

Hielscher Ultrasonics ass eng ISO-zertifizéiert Entreprise a leet besonnesche Wäert op héichleeschtungsfäeg Ultraschallapparater mat modernster Technologie an héijer Benotzerfrëndlechkeet. Natierlech sinn Hielscher Ultraschallapparater CE-konform an erfëllen d’Ufuerderunge vun UL, CSA a RoHs.

D’XRD-Mustere vun enger Titandioxidbeschichtung, déi duerch thermesch Behandlung vu poléiertem Titan (a) a sonocheemesch behandeltem poléiertem Titan (b) hiergestallt gouf; SEM-Biller vun enger poléierter Titanuewerfläch (c) an enger sonocheemesch erzeugter mesoporéiser Titandioxiduewerfläch (d). D’Beschallung gouf mam Ultraschallapparat UIP1000hdT duerchgefouert.
(Etüd a Biller: ©Kuvyrkov et al., 2018)