Sonochemisch genanostructureerde implantaten die de osseo-integratie verbeteren

Implantaten, orthopedische prothesen en tandheelkundige implantaten worden voornamelijk gemaakt van titanium en legeringen. Sonicatie wordt gebruikt om nanogestructureerde oppervlakken op metalen implantaten te creëren. Met ultrasone nanostructurering kunnen metalen oppervlakken worden gemodificeerd, waarbij gelijkmatig verdeelde patronen op nanoschaal op implantaatoppervlakken worden gevormd. Deze nanogestructureerde metalen implantaten vertonen een aanzienlijk verbeterde weefselgroei en osseo-integratie, wat leidt tot hogere klinische succespercentages.

Ultrasoon genanostructureerde implantaten voor verbeterde osseo-integratie

Metalen, waaronder titanium en legeringen, worden veelvuldig gebruikt bij de vervaardiging van orthopedische en tandheelkundige implantaten vanwege hun gunstige oppervlakte-eigenschappen, die de vorming van een biocompatibel grensvlak met weefsels rond het implantaat mogelijk maken. Om de prestaties van deze implantaten te optimaliseren, zijn strategieën ontwikkeld om de aard van dit grensvlak te modificeren door veranderingen op nanoschaal aan het oppervlak aan te brengen. Dergelijke modificaties hebben een aanzienlijke invloed op cruciale aspecten, waaronder eiwitadsorptie, interacties tussen cellen en het implantaatoppervlak (cel-substraatinteracties) en de daaropvolgende ontwikkeling van het omringende weefsel. Door deze veranderingen op nanometerniveau nauwkeurig te ontwerpen, streven wetenschappers ernaar de bio-integratie en de algehele effectiviteit van implantaten te verbeteren, wat leidt tot betere klinische resultaten binnen de implantologie.
 

Protocol voor ultrasone nanostructurering van titaniumimplantaten

Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat oppervlakken van titanium en legeringen eenvoudig, maar zeer effectief kunnen worden genanostructureerd met ultrageluid van hoge intensiteit. De sonochemische behandeling (d.w.z. ultrasone behandeling) leidt tot de vorming van een ruwe titaandioxidelaag met een sponsachtige structuur, die de celproliferatie aanzienlijk bevordert.
Structurering van het titaniumoppervlak door sonochemische behandeling: de titaniummonsters van 20 × 20 × 0,5 mm werden vooraf gepolijst en achtereenvolgens gewassen met gedeïoniseerd water, aceton en ethanol om eventuele verontreinigingen te verwijderen. Vervolgens werden de titaniummonsters ultrasoon behandeld in een NaOH-oplossing van 5 m met behulp van de sonicator UIP1000hd van Hielscher, die op 20 kHz werd gebruikt (zie afbeelding links). De sonicator was uitgerust met de sonotrode BS2d22 (oppervlakte van de tip 3,8 cm2) en de booster B4-1.4, die de werkamplitude 1,4 keer vergrootte. De mechanische amplitude bedroeg ≈81 μm. De gegenereerde intensiteit bedroeg 200 W cm−2. Het maximale toegevoerde vermogen bedroeg 760 W, berekend door de intensiteit te vermenigvuldigen met het frontale oppervlak (van 3,8 cm2) van de gebruikte sonotrode BS2d22. De titaniummonsters werden vastgezet in een zelfgemaakte Teflon-houder en gedurende 5 min behandeld.
(vgl. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologie van het oorspronkelijke titaniumoppervlak (a), bovenaanzicht en dwarsdoorsnede van het sonochemisch vervaardigde mesoporeuze titaandioxideoppervlak (TMS) (b), en bovenaanzicht en dwarsdoorsnede van titaandioxidenanobuisjes (TNT) verkregen door elektrochemische oxidatie (c). Inzetfiguren tonen schema’s van de nanostructurering van het oppervlak. Schema dat de afzetting van hydroxyapatiet (HA) in de poriën van de titaandioxidematrix toont (d–f). SEM-beelden van de sonochemisch genanostructureerde titaniumoppervlakken (TMS) en de 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 mechanisch etsen van titaniumoppervlakken, waardoor op titanium een mesoporeuze structuur ontstaat.
Het mechanisme van de ultrasone behandeling is gebaseerd op akoestische cavitatie, die optreedt wanneer ultrasone golven met een lage frequentie en hoge intensiteit in een vloeistof worden gekoppeld. Wanneer ultrageluid met hoog vermogen door een vloeistof gaat, ontstaan afwisselende hogedruk- en lagedrukcycli. Tijdens de lagedrukcycli ontstaan in de vloeistof minuscule vacuümbelletjes, zogeheten cavitatiebelletjes. Deze cavitatiebelletjes groeien gedurende meerdere drukcycli totdat ze geen verdere energie meer kunnen opnemen. Op dit punt van maximale belgrootte implodeert het cavitatiebelletje met een hevige uitbarsting en creëert het een micro-omgeving met een zeer hoge energiedichtheid. Het energiedichte veld van akoestische/ultrasone cavitatie wordt gekenmerkt door grote druk- en temperatuurverschillen, met drukken tot 2.000atm en temperaturen van ca. 5000 K, snelle vloeistofstralen met snelheden tot 280m/sec en schokgolven. Wanneer dergelijke cavitatie optreedt nabij een metalen oppervlak, treden niet alleen mechanische krachten, maar ook chemische reacties op.
Onder deze omstandigheden vinden redoxreacties plaats die leiden tot oxidatieve reacties en de vorming van een titaandioxidelaag. Naast het genereren van reactieve zuurstofsoorten (ROS) die het titaniumoppervlak oxideerden, zorgen ultrasoon gegenereerde oxidatie-reductiereacties voor effectief etsen van het oppervlak, waardoor een titaandioxidelaag van 1 μm dik wordt verkregen. Dit betekent dat titaandioxide gedeeltelijk oplost in een alkalische oplossing, waardoor onregelmatig verdeelde poriën ontstaan.
De sonochemische methode biedt een snelle en veelzijdige manier om nanogestructureerde materialen te vervaardigen, zowel anorganische als organische, die vaak niet met conventionele methoden kunnen worden verkregen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat de voortplanting van cavitatie grote lokale temperatuurgradiënten in vaste stoffen genereert, wat onder kameromstandigheden resulteert in materialen met een poreuze laag en ongeordende nanostructuren. Bovendien kan externe ultrasone bestraling worden gebruikt om de afgifte van ingekapselde biomoleculen via poriën in een nanogestructureerde coating te activeren.
 

Schematische weergave van de sonicatiecel (a), schematische weergave van het proces van oppervlaktestructurering 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 groenachtige exemplaar (het linker monster in de hand) is een implantaat na ultrasone behandeling; het geelachtige exemplaar (het monster rechts) is een niet-gemodificeerd implantaat.
(onderzoek en afbeeldingen: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Sonicatoren met hoge prestaties voor het nanostructureren van metalen implantaatoppervlakken

Hielscher Ultrasonics biedt het volledige assortiment sonicatoren voor nanotoepassingen, zoals het nanostructureren van metalen oppervlakken (bijv. titanium en legeringen). Afhankelijk van het materiaal, de oppervlakte en de productiedoorvoer van implantaten biedt Hielscher u de ideale sonicator en sonotrode (sonde) voor uw toepassing voor nanostructurering.
Een van de belangrijkste voordelen van sonicatoren van Hielscher is de nauwkeurige amplituderegeling en het vermogen om bij continu gebruik, 24/7, zeer hoge amplitudes te leveren. De amplitude, oftewel de verplaatsing van de ultrasone sonde, bepaalt de sonicatie-intensiteit) en is daarom een cruciale parameter voor een betrouwbare en effectieve ultrasone behandeling.

Ontwerp, productie en advies – kwaliteit uit Duitsland

Sonicatoren van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze sonicatoren in industriële installaties mogelijk. Sonicatoren van Hielscher kunnen zware omstandigheden en veeleisende omgevingen gemakkelijk aan.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op sonicatoren met hoge prestaties, geavanceerde technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard voldoen sonicatoren van Hielscher aan de CE-eisen en aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

De XRD-patronen van de titaandioxidecoating vervaardigd door thermische behandeling van gepolijst titanium (a) en sonochemisch behandeld gepolijst titanium (b); SEM-beelden van het gepolijste titaniumoppervlak (c) en het sonochemisch gegenereerde mesoporeuze titaandioxideoppervlak (d). De sonicatie werd uitgevoerd met behulp van de sonicator UIP1000hdT.
(onderzoek en afbeeldingen: ©Kuvyrkov et al., 2018)