Implantaten, orthopedische prothesen en tandheelkundige implantaten worden voornamelijk gemaakt van titanium en legeringen. Sonificatie wordt gebruikt om nanogestructureerde oppervlakken te creëren op metalen implantaten. Ultrasone nanostructurering maakt het mogelijk om metalen oppervlakken te modificeren door uniform verdeelde nanopatronen op implantaatoppervlakken te genereren. Deze nanogestructureerde metalen implantaten vertonen een aanzienlijk verbeterde weefselgroei en osseo-integratie, wat leidt tot verbeterde klinische succespercentages.

Ultrasonisch nanogestructureerde implantaten voor verbeterde osseo-integratie

Het gebruik van metalen, waaronder titanium en legeringen, is gebruikelijk bij de vervaardiging van orthopedische en tandheelkundige implantaten vanwege hun gunstige oppervlakte-eigenschappen, waardoor een biocompatibele interface met peri-implantaire weefsels kan worden gecreëerd. Om de prestaties van deze implantaten te optimaliseren, werden strategieën ontwikkeld om de aard van deze interface te wijzigen door nanoschaalwijzigingen op het oppervlak aan te brengen. Dergelijke wijzigingen oefenen een opmerkelijke invloed uit op kritieke aspecten, waaronder eiwitadsorptie, interacties tussen cellen en het implantaatoppervlak (cel-substraatinteracties) en de daaropvolgende ontwikkeling van het omringende weefsel. Door deze veranderingen op nanometerniveau precies uit te voeren, willen wetenschappers de bio-integratie en algehele doeltreffendheid van implantaten verbeteren, wat leidt tot betere klinische resultaten op het gebied van implantologie.
 

Protocol voor ultrasone nanostructurering van titanium implantaten

Verschillende onderzoeken hebben de eenvoudige, maar zeer effectieve nanostructurering van titanium en legeringsoppervlakken aangetoond met behulp van ultrasoon geluid met hoge intensiteit. De sonochemische behandeling (d.w.z. ultrasone behandeling) leidt tot de vorming van een ruwe titania laag met een sponsachtige structuur, die de celproliferatie aanzienlijk verbetert.
Structureren van titanium oppervlak via sonochemische behandeling: De titaniummonsters van 20 × 20 × 0,5 mm werden vooraf gepolijst en gewassen met achtereenvolgens gedeïoniseerd water, aceton en ethanol om verontreinigingen te verwijderen. Daarna werden de titaniummonsters ultrasoon behandeld in een 5 m NaOH-oplossing met behulp van de Hielscher ultrasoon UIP1000hd die werkte bij 20 kHz (zie foto links). De sonicator was uitgerust met de sonotrode BS2d22 (oppervlak van de tip 3,8 cm2) en de booster B4-1.4, die de werkamplitude 1,4 keer vergrootte. De mechanische amplitude was ≈81 μm. De gegenereerde intensiteit was 200 W cm-2. Het maximaal opgenomen vermogen was 760 W als gevolg van de vermenigvuldiging van de intensiteit met het frontale oppervlak (3,8 cm2) van de gebruikte sonotrode BS2d22. Titaniummonsters werden gefixeerd in een zelfgemaakte teflonhouder en gedurende 5 minuten behandeld.
(vgl. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologie van het ongerepte titaniumoppervlak (a), sonochemisch vervaardigd titania mesoporeus oppervlak (TMS) bovenaanzicht en doorsnede (b), en bovenaanzicht en doorsnede van titania nanobuisjes (TNT) verkregen door elektrochemische oxidatie (c). De inzet toont de schema's van de nanostructurering van het oppervlak. Schema van de afzetting van hydroxyapatiet (HA) in de poriën van de titania matrix (d-f). SEM-afbeeldingen van de sonochemisch nanogestructureerde titaan (TMS) en TNT oppervlakken met chemisch afgezet HA: respectievelijk TMS-HA (g) en TNT-HA (h).
(onderzoek en afbeeldingen: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mechanisme van ultrasone nanostructurering van metaaloppervlakken

De ultrasone behandeling van metaaloppervlakken leidt tot het mechanisch etsen van titaniumoppervlakken, wat de vorming van een mesoporeuze structuur op titanium veroorzaakt.
Het mechanisme van het ultrasone mechanisme is gebaseerd op akoestische cavitatie, die optreedt wanneer ultrasone geluidsgolven met een lage frequentie en hoge intensiteit worden gekoppeld in een vloeistof. Wanneer ultrageluid met een hoog vermogen door een vloeistof gaat, worden afwisselend hoge-druk/lage-drukcycli gegenereerd. Tijdens de lagedrukcycli ontstaan minuscule vacuümbelletjes, zogenaamde cavitatiebelletjes in de vloeistof. Deze cavitatiebelletjes groeien gedurende verschillende drukcycli totdat ze geen energie meer kunnen absorberen. Op dit punt van maximale bellengroei implodeert de cavitatiebel met een gewelddadige uitbarsting en creëert een zeer energiedichte micro-omgeving. Het energiedichte veld van akoestische/ultrasone cavitatie wordt gekenmerkt door hoge druk- en temperatuurverschillen met drukken tot 2000 atm en temperaturen tot ongeveer 5000 K, vloeistofstralen met hoge snelheid tot 280 m/sec en schokgolven. Wanneer dergelijke cavitatie optreedt in de buurt van een metalen oppervlak, treden niet alleen mechanische krachten maar ook chemische reacties op.
In deze omstandigheden vinden redoxreacties plaats die leiden tot oxidatieve reacties en titania laagvorming. Naast het genereren van reactieve zuurstofsoorten (ROS) die het titaniumoppervlak oxideren, zorgen ultrasoon gegenereerde oxidatiereductiereacties voor een effectieve etsing van het oppervlak die resulteert in het verkrijgen van een titaandioxide laag met een dikte van 1 μm. Dit betekent dat titaandioxide gedeeltelijk oplost in een alkalische oplossing waardoor de poriën wanordelijk verdeeld worden.
De sonochemische methode biedt een snelle en veelzijdige manier voor de fabricage van nanogestructureerde materialen, zowel anorganisch als organisch, die vaak onbereikbaar zijn via conventionele methoden. Het grote voordeel van deze techniek is dat de propagatie van cavitatie grote lokale temperatuurgradiënten genereert in vaste stoffen, wat resulteert in materialen met een poreuze laag en ongeordende nanostructuren bij kamertemperatuur. Bovendien kan de externe ultrasone bestraling worden gebruikt om het vrijkomen van ingekapselde biomoleculen door poriën in een nanogestructureerde coating te triggeren.
 

Schematische afbeelding van de sonicatiecel (a), schematische afbeelding van het oppervlaktestructureringsproces dat plaatsvindt tijdens de ultrasone behandeling van een titaniumoppervlak in een waterige alkalische oplossing (b) en het gevormde oppervlak (c), foto van titaniumimplantaten (d): het groenige implantaat (het linkermonster in de hand) is een implantaat na de ultrasone behandeling, het geelachtige implantaat (het monster bevindt zich rechts) is een niet-gemodificeerd implantaat.
(onderzoek en afbeeldingen: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Sonificatoren met hoge prestaties voor nanostructurering van metalen implantaatoppervlakken

Hielscher Ultrasonics biedt een volledig assortiment sonicatoren voor nanotoepassingen zoals de nanostructurering van metalen oppervlakken (bijv. titanium en legeringen). Afhankelijk van het materiaal, het oppervlak en de productiedoorvoer van implantaten, biedt Hielscher u de ideale sonicator en sonotrode (sonde) voor uw nano-structureringstoepassing.
Een van de belangrijkste voordelen van Hielscher sonicators is de nauwkeurige amplituderegeling en de mogelijkheid om zeer hoge amplitudes te leveren in continue 24/7 werking. De amplitude, de verplaatsing van de ultrasone sonde, is verantwoordelijk voor de sonicatie-intensiteit en daarom een cruciale parameter voor een betrouwbare en effectieve ultrasone behandeling.

Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit gemaakt in Duitsland

Hielscher ultrasoonapparaten staan bekend om hun hoogste kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze ultrasoonapparaten in industriële installaties mogelijk. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.

Hielscher Ultrasonics is een ISO gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasoontoestellen met de modernste technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn Hielscher ultrasone apparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

De XRD-patronen van titania coating vervaardigd door thermische behandeling van gepolijst titanium (a) en sonochemisch behandeld gepolijst titanium (b); SEM-afbeeldingen van gepolijst titanium oppervlak (c) en sonochemisch gegenereerd mesoporeus titanium dioxide oppervlak (d). Sonificatie werd uitgevoerd met de sonicator UIP1000hdT.
(studie en afbeeldingen: ©Kuvyrkov et al., 2018)