Sonoķīmiski nanostrukturēti implanti osteointegrācijas uzlabošanai

Implantus, ortopēdiskās protēzes un zobu implantus izgatavo galvenokārt no titāna un sakausējumiem. Apstrādi ar ultraskaņu izmanto, lai uz metāla implantiem izveidotu nanostrukturētas virsmas. Nanostrukturēšana ar ultraskaņu ļauj modificēt metāla virsmas, uz implantu virsmām veidojot vienmērīgi izvietotas nanometru izmēra struktūras. Šādiem nanostrukturētiem metāla implantiem ir novērojama ievērojami uzlabota audu augšana un osteointegrācija, kas palielina klīniski veiksmīgu rezultātu īpatsvaru.

Ar ultraskaņu nanostrukturēti implanti osteointegrācijas uzlabošanai

Metālus, tostarp titānu un sakausējumus, plaši izmanto ortopēdisko un zobu implantu izgatavošanā to labvēlīgo virsmas īpašību dēļ, kas ļauj izveidot biosaderīgu saskares virsmu ar audiem ap implantu. Lai optimizētu šo implantu veiktspēju, ir izstrādātas stratēģijas šīs saskares virsmas īpašību modificēšanai, veicot virsmas izmaiņas nanomērogā. Šādas modifikācijas būtiski ietekmē tādus svarīgus aspektus kā olbaltumvielu adsorbcija, mijiedarbība starp šūnām un implanta virsmu (šūnu un substrāta mijiedarbība), kā arī turpmākā apkārtējo audu attīstība. Precīzi veidojot šīs nanometru mēroga izmaiņas, zinātnieki cenšas uzlabot implantu biointegrāciju un vispārējo efektivitāti, tādējādi uzlabojot klīniskos rezultātus implantoloģijā.
 

Titāna implantu nanostrukturēšanas ar ultraskaņu protokols

Vairākos pētījumos ir demonstrēta vienkārša, tomēr ļoti efektīva titāna un sakausējumu virsmu nanostrukturēšana, izmantojot augstas intensitātes ultraskaņu. Sonoķīmiskās apstrādes (t. i., apstrādes ar ultraskaņu) rezultātā veidojas raupjš titāna dioksīda slānis ar sūklim līdzīgu struktūru, kas ievērojami pastiprina šūnu proliferāciju.
Titāna virsmas strukturēšana ar sonoķīmisko apstrādi: titāna paraugi ar izmēriem 20 × 20 × 0,5 mm iepriekš tika pulēti un secīgi mazgāti ar dejonizētu ūdeni, acetonu un etanolu, lai likvidētu jebkādus piesārņotājus. Pēc tam titāna paraugus apstrādāja ar ultraskaņu 5 m NaOH šķīdumā, izmantojot Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīci UIP1000hd, kas darbojās ar 20 kHz frekvenci (skatīt attēlu pa kreisi). Ultraskaņas apstrādes ierīce bija aprīkota ar sonotrodi BS2d22 (uzgaļa virsmas laukums 3,8 cm2) un amplitūdas pastiprinātāju B4-1.4, kas palielināja darba amplitūdu 1,4 reizes. Mehāniskā amplitūda bija ≈81 μm. Radītā intensitāte bija 200 W cm−2. Maksimālā ievadītā jauda bija 760 W, ko aprēķināja, reizinot intensitāti ar izmantotās sonotrodes BS2d22 gala virsmas laukumu (3,8 cm2). Titāna paraugus nostiprināja pašizgatavotā Teflon turētājā un apstrādāja 5 min.
(sal. Ulasevich et al., 2020)
 

Sākotnējās titāna virsmas morfoloģija (a), sonoķīmiski izveidotās titāna dioksīda mezoporainās virsmas (TMS) skats no augšas un šķērsgriezums (b), kā arī elektroķīmiskās oksidēšanas ceļā iegūto titāna dioksīda nanocaurulīšu (TNT) skats no augšas un šķērsgriezums (c). Ielaidumos parādītas virsmas nanostrukturēšanas shēmas. Shēma, kurā parādīta hidroksiapatīta (HA) nogulsnēšana titāna dioksīda matricas porās (d-f). Sonoķīmiski nanostrukturēta titāna (TMS) un TNT virsmu SEM attēli ar ķīmiski nogulsnētu HA: attiecīgi TMS-HA (g) un TNT-HA (h).
(pētījums un attēli: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Metāla virsmu nanostrukturēšanas ar ultraskaņu mehānisms

Metāla virsmu apstrāde ar ultraskaņu izraisa titāna virsmu mehānisku kodināšanu, kuras rezultātā uz titāna veidojas mezoporaina struktūra.
Ultraskaņas iedarbības mehānisma pamatā ir akustiskā kavitācija, kas rodas, kad šķidrumā tiek ievadīti zemas frekvences, augstas intensitātes ultraskaņas viļņi. Lieljaudas ultraskaņai izplatoties šķidrumā, veidojas mainīgi augsta spiediena / zema spiediena cikli. Zema spiediena ciklu laikā šķidrumā rodas sīki vakuuma burbulīši, tā dēvētie kavitācijas burbulīši. Šie kavitācijas burbulīši aug vairāku spiediena ciklu laikā, līdz vairs nespēj absorbēt papildu enerģiju. Šajā maksimālā burbulīša izmēra sasniegšanas brīdī kavitācijas burbulītis strauji sabrūk uz iekšu, radot spēcīgu enerģijas izlādi un mikrovidi ar ļoti augstu enerģijas blīvumu. Akustiskās/ultraskaņas kavitācijas lauku ar augstu enerģijas blīvumu raksturo lielas spiediena un temperatūras atšķirības, spiedienam sasniedzot līdz 2 000atm un temperatūrai aptuveni 5000 K, ātrgaitas šķidruma strūklas ar ātrumu līdz 280m/sec un triecienviļņi. Ja šāda kavitācija rodas metāla virsmas tuvumā, darbojas ne tikai mehāniski spēki, bet notiek arī ķīmiskas reakcijas.
Šādos apstākļos notiek oksidēšanās–reducēšanās reakcijas, kas izraisa oksidēšanās reakcijas un titāna dioksīda slāņa veidošanos. Papildus reaktīvo skābekļa formu (ROS) ģenerēšanai, kuras oksidē titāna virsmu, ultraskaņas izraisītās oksidēšanās–reducēšanās reakcijas nodrošina efektīvu virsmas kodināšanu, kuras rezultātā iegūst 1 μm biezu titāna dioksīda slāni. Tas nozīmē, ka titāna dioksīds daļēji izšķīst sārmainā šķīdumā, veidojot nesakārtoti izvietotas poras.
Sonoķīmiskā metode piedāvā ātru un daudzpusīgu veidu, kā izgatavot gan neorganiskus, gan organiskus nanostrukturētus materiālus, kurus bieži nav iespējams iegūt ar tradicionālām metodēm. Šīs metodes galvenā priekšrocība ir tā, ka kavitācijas izplatīšanās cietvielās rada lielus lokālus temperatūras gradientus, tādējādi istabas apstākļos iegūstot materiālus ar porainu slāni un nesakārtotām nanostruktūrām. Turklāt ārēju ultraskaņas apstarošanu var izmantot, lai ierosinātu iekapsulētu biomolekulu izdalīšanos caur nanostrukturētā pārklājuma porām.
 

Ultraskaņas apstrādes šūnas shematisks attēlojums (a), virsmas strukturēšanas procesa, kas norisinās titāna virsmas apstrādes laikā ar ultraskaņu sārmainā ūdens šķīdumā, shematisks attēlojums (b) un izveidotā virsma (c), titāna implantu fotogrāfija (d): zaļganais implants (kreisais paraugs rokā) ir implants pēc apstrādes ar ultraskaņu, bet dzeltenīgais implants (paraugs labajā pusē) ir nemodificēts implants.
(pētījums un attēli: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes ierīces metāla implantu virsmu nanostrukturēšanai

Hielscher Ultrasonics piedāvā pilnu ultraskaņas apstrādes ierīču klāstu nanotehnoloģiju lietojumiem, piemēram, metāla virsmu (piemēram, titāna un sakausējumu) nanostrukturēšanai. Atkarībā no implantu materiāla, virsmas laukuma un ražošanas apjoma Hielscher piedāvā jums ideāli piemērotu ultraskaņas apstrādes ierīci un sonotrodi (zondi) jūsu nanostrukturēšanas lietojumam.
Viena no galvenajām Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīču priekšrocībām ir precīza amplitūdas kontrole un spēja nodrošināt ļoti lielas amplitūdas nepārtrauktā 24/7 darbībā. Amplitūda, kas ir ultraskaņas zondes pārvietojums, nosaka ultraskaņas apstrādes intensitāti un tādēļ ir būtisks parametrs uzticamai un efektīvai apstrādei ar ultraskaņu.

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte

Hielscher ultraskaņas aparāti ir plaši pazīstami ar visaugstākajiem kvalitātes un konstrukcijas standartiem. Izturība un vienkārša lietošana ļauj mūsu ultraskaņas aparātus viegli integrēt rūpnieciskajās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas aparāti viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas aparātiem ar vismodernākajām tehnoloģijām un lietotājam draudzīgu darbību. Protams, Hielscher ultraskaņas aparāti atbilst CE prasībām un izpilda UL, CSA un RoHs prasības.

Titāna dioksīda pārklājuma XRD difraktogrammas pēc pulēta titāna (a) un sonoķīmiski apstrādāta pulēta titāna (b) termiskās apstrādes; pulēta titāna virsmas (c) un sonoķīmiski izveidotas mezoporainas titāna dioksīda virsmas (d) SEM attēli. Apstrāde ar ultraskaņu tika veikta, izmantojot ultraskaņas aparātu UIP1000hdT.
(pētījums un attēli: ©Kuvyrkov et al., 2018)