Sonoķīmiski nanostrukturēti implanti, kas uzlabo osseointegrāciju

Implanti, ortopēdiskās protēzes un zobu implanti tiek izgatavoti galvenokārt no titāna un sakausējumiem. Ultraskaņas apstrāde tiek izmantota, lai izveidotu nanostrukturētas virsmas uz metāla implantiem. Ultraskaņas nanostrukturēšana ļauj modificēt metāla virsmas, radot vienmērīgi sadalītus nano izmēra modeļus uz implantu virsmām. Šie nanostrukturētie metāliskie implanti uzrāda ievērojami uzlabotu audu augšanu un osseointegrāciju, kas uzlabo klīnisko panākumu rādītājus.

Ultrasoniski nanostrukturēti implanti uzlabotai osseointegrācijai

Metālu, tostarp titāna un sakausējumu, izmantošana ir izplatīta ortopēdisko un zobu implantu ražošanā to labvēlīgo virsmas īpašību dēļ, kas ļauj izveidot bioloģiski saderīgu saskarni ar periimplantu audiem. Lai optimizētu šo implantu veiktspēju, ir izstrādātas stratēģijas, lai mainītu šīs saskarnes raksturu, ieviešot nanomēroga izmaiņas uz virsmas. Šādām modifikācijām ir ievērojama ietekme uz kritiskajiem aspektiem, tostarp olbaltumvielu adsorbciju, mijiedarbību starp šūnām un implanta virsmu (šūnu un substrāta mijiedarbība) un turpmāko apkārtējo audu attīstību. Precīzi izstrādājot šīs nanometra līmeņa izmaiņas, zinātnieku mērķis ir uzlabot implantu biointegrāciju un vispārējo efektivitāti, kā rezultātā uzlabojas klīniskie rezultāti implantoloģijas jomā.
 

Titāna implantu ultraskaņas nanostrukturēšanas protokols

Vairāki pētījumi ir pierādījuši vienkāršu, bet ļoti efektīvu titāna un sakausējuma virsmu nanostrukturēšanu, izmantojot augstas intensitātes ultraskaņu. Sonoķīmiskā apstrāde (t.i., ultraskaņas apstrāde) noved pie raupja titāna slāņa veidošanās ar sūkļiem līdzīgu struktūru, kas ievērojami uzlabo šūnu proliferāciju.
Titāna virsmas strukturēšana, izmantojot sonoķīmisko apstrādi: 20 × 20 × 0,5 mm titāna paraugi iepriekš tika pulēti un secīgi mazgāti ar dejonizētu ūdeni, acetonu un etanolu, lai likvidētu jebkādus piesārņotājus. Pēc tam titāna paraugi tika ultrasoniski apstrādāti 5 m NaOH šķīdumā, izmantojot Hielscher ultrasonicator UIP1000hd, kas darbojas 20 kHz frekvencē (skatīt attēlu pa kreisi). Sonicator bija aprīkots ar sonotrode BS2d22 (gala virsmas laukums 3,8 cm2) un pastiprinātāju B4-1,4, palielinot darba amplitūdu 1,4 reizes. Mehāniskā amplitūda bija ≈81 μm. Radītā intensitāte bija 200 W cm−2. Maksimālā jauda bija 760 W, kas rodas, reizinot intensitāti ar izmantotā sonotroda BS2d22 frontālo laukumu (ar 3,8 cm2). Titāna paraugi tika fiksēti pašmāju teflona turētājā un apstrādāti 5 min.
(sal. ar Ulasevich et al., 2020)
 

Senatnīgās titāna virsmas (a) morfoloģija, sonoķīmiski izgatavota titāna mezopora virsma (TMS), skats no augšas un šķērsgriezums (b), kā arī titāna nanocaurulīšu (TNT) augšskats un šķērsgriezums, kas iegūts elektroķīmiskā oksidācijā (c). Ieliktņi parāda virsmas nanostrukturēšanas shēmas. Shēma, kurā parādīta hidroksiapatīta (HA) nogulsnēšanās titānijas matricas porās (d-f). Sonochemical nanostrukturētā titāna (TMS) un TNT virsmu SEM attēli ar ķīmiski nogulsnētām HA: TMS-HA (g) un TNT-HA (h).
(pētījums un attēli: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Metāla virsmu ultraskaņas nanostrukturēšanas mehānisms

Metāla virsmu ultraskaņas apstrāde noved pie titāna virsmu mehāniskas kodināšanas, kas izraisa mezoporas struktūras veidošanos uz titāna.
Ultraskaņas mehānisma mehānisms ir balstīts uz akustisko kavitāciju, kas rodas, kad zemas frekvences, augstas intensitātes ultraskaņas viļņi ir savienoti šķidrumā. Kad lieljaudas ultraskaņa pārvietojas pa šķidrumu, rodas mainīgi augstspiediena / zema spiediena cikli. Zema spiediena ciklu laikā šķidrumā rodas tā sauktie kavitācijas burbuļi. Šie kavitācijas burbuļi aug vairākos spiediena ciklos, līdz tie nevar absorbēt papildu enerģiju. Šajā maksimālās burbuļu augšanas punktā kavitācijas burbulis implodē ar spēcīgu pārrāvumu un rada ļoti enerģētiski blīvu mikrovidi. Enerģijas blīvo akustiskās / ultraskaņas kavitācijas lauku raksturo augsta spiediena un temperatūras starpības, kurām ir spiediens līdz 2,000atm un temperatūra aptuveni 5000 K, ātrgaitas šķidrumu strūklas ar ātrumu līdz 280m / sek un triecienviļņi. Ja šāda kavitācija notiek pie metāla virsmas, rodas ne tikai mehāniski spēki, bet arī ķīmiskas reakcijas.
Šādos apstākļos notiek redoksreakcijas, kas izraisa oksidatīvas reakcijas un titāna slāņa veidošanos. Papildus reaktīvo skābekļa sugu (ROS) ģenerēšanai, kas oksidēja titāna virsmu, ultrasoniski ģenerētās oksidācijas-reducēšanas reakcijas nodrošina efektīvu virsmas kodināšanu, kā rezultātā tiek iegūts 1 μm biezs titāna dioksīda slānis. Tas nozīmē, ka titāna dioksīds daļēji izšķīst sārmainā šķīdumā, radot poras, kas sadalās nekārtīgi.
Sonochemical metode piedāvā ātru un daudzpusīgu nanostrukturētu materiālu, gan neorganisku, gan organisku, izgatavošanai, kas bieži vien nav sasniedzami ar parastajām metodēm. Šīs metodes galvenā priekšrocība ir tā, ka kavitācijas izplatīšanās rada lielus vietējās temperatūras gradientus cietās vielās, kā rezultātā istabas apstākļos rodas materiāli ar porainu slāni un nesakārtotām nanostruktūrām. Turklāt ārējo ultraskaņas apstarošanu var izmantot, lai izraisītu iekapsulētu biomolekulu izdalīšanos caur porām nanostrukturētā pārklājumā.
 

Shematisks ultraskaņas šūnas attēls (a), Shematisks piemērs virsmas strukturēšanas procesam, kas notiek titāna virsmas ultraskaņas apstrādes laikā sārmainā ūdens šķīdumā(b) un veidotā virsma (c), titāna implantu fotoattēls (d): zaļganais (kreisais paraugs rokā) ir implants pēc ultraskaņas apstrādes, dzeltenīgs (paraugs atrodas labajā pusē) ir nemodificēts implants.
(pētījums un attēli: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Augstas veiktspējas ultraskaņas aparāti metālisku implantu virsmu nanostrukturēšanai

Hielscher Ultrasonics piedāvā pilnu ultraskaņas aparātu klāstu nano-lietojumiem, piemēram, metāla virsmu (piemēram, titāna un sakausējumu) nanostrukturēšanai. Atkarībā no materiāla, virsmas laukuma un implantu ražošanas caurlaidspējas, Hielscher piedāvā jums ideālu sonikatoru un sonotrode (zondi) jums nanostrukturēšanas pielietojumu.
Viena no galvenajām Hielscher sonikatoru priekšrocībām ir precīza amplitūdas kontrole un spēja nodrošināt ļoti augstas amplitūdas nepārtrauktā 24/7 darbībā. Amplitūda, kas ir ultraskaņas zondes pārvietojums, ir atbildīga par ultraskaņas intensitāti) un tāpēc ir būtisks uzticamas un efektīvas ultraskaņas apstrādes parametrs.

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Kvalitāte ražots Vācijā

Hielscher ultrasonikatori ir labi pazīstami ar saviem augstākajiem kvalitātes un dizaina standartiem. Robustums un viegla darbība ļauj vienmērīgi integrēt mūsu ultrasonikatorus rūpnieciskajās iekārtās. Hielscher ultrasonikatori viegli apstrādā neapstrādātus apstākļus un prasīgu vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums un īpašu uzsvaru liek uz augstas veiktspējas ultrasonikatoriem, kas piedāvā vismodernākās tehnoloģijas un lietotājdraudzīgumu. Protams, Hielscher ultrasonikatori atbilst CE prasībām un atbilst UL, CSA un RoHs prasībām.

XRD titāna pārklājuma modeļi, kas izgatavoti, termiski apstrādājot pulētu titānu (a) un sonoķīmiski apstrādātu pulētu titānu (b); SEM attēli no pulētas titāna virsmas (c) un sonoķīmiski ģenerētas mezopora titāna dioksīda virsmas (d). Ultraskaņas apstrāde tika veikta, izmantojot sonikatoru UIP1000hdT.
(pētījums un attēli: ©Kuvyrkov et al., 2018)