Implanty, protezy ortopedyczne i implanty dentystyczne są wykonane głównie z tytanu i stopów. Sonikacja jest wykorzystywana do tworzenia nanostrukturalnych powierzchni na implantach metalowych. Nanostrukturyzacja ultradźwiękowa pozwala modyfikować powierzchnie metaliczne, generując równomiernie rozmieszczone nanorozmiarowe wzory na powierzchniach implantów. Te nanostrukturalne implanty metaliczne wykazują znacznie lepszy wzrost tkanki i osteointegrację, co prowadzi do poprawy wskaźników sukcesu klinicznego.

Nanostrukturalne implanty ultradźwiękowe dla lepszej osteointegracji

Wykorzystanie metali, w tym tytanu i stopów, jest powszechne w produkcji implantów ortopedycznych i dentystycznych ze względu na ich korzystne właściwości powierzchniowe, umożliwiające ustanowienie biokompatybilnego interfejsu z tkankami wokół implantu. Aby zoptymalizować działanie tych implantów, opracowano strategie modyfikacji charakteru tego interfejsu poprzez wprowadzenie nanoskalowych zmian na powierzchni. Takie modyfikacje wywierają znaczący wpływ na krytyczne aspekty, w tym adsorpcję białek, interakcje między komórkami a powierzchnią implantu (interakcje komórka-podłoże) oraz późniejszy rozwój otaczającej tkanki. Poprzez precyzyjną inżynierię tych zmian na poziomie nanometrów, naukowcy dążą do poprawy biointegracji i ogólnej skuteczności implantów, co prowadzi do poprawy wyników klinicznych w dziedzinie implantologii.
 

Protokół ultradźwiękowej nanostrukturyzacji implantów tytanowych

Kilka badań wykazało prostą, ale wysoce skuteczną nanostrukturyzację powierzchni tytanu i stopów za pomocą ultradźwięków o wysokiej intensywności. Obróbka sonochemiczna (tj. obróbka ultradźwiękowa) prowadzi do powstania szorstkiej warstwy tytanu o strukturze gąbczastej, która znacznie zwiększa proliferację komórek.
Strukturyzacja powierzchni tytanu poprzez obróbkę sonochemiczną: Próbki tytanu o wymiarach 20 × 20 × 0,5 mm zostały uprzednio wypolerowane i przemyte kolejno wodą dejonizowaną, acetonem i etanolem w celu wyeliminowania wszelkich zanieczyszczeń. Następnie próbki tytanu poddano obróbce ultradźwiękowej w 5 m roztworze NaOH przy użyciu ultrasonografu Hielscher UIP1000hd pracującego z częstotliwością 20 kHz (patrz zdjęcie po lewej). Sonikator był wyposażony w sonotrodę BS2d22 (powierzchnia końcówki 3,8 cm2) i wzmacniacz B4-1.4, powiększający amplitudę roboczą 1,4 razy. Amplituda mechaniczna wynosiła ≈81 μm. Generowane natężenie wynosiło 200 W cm-2. Maksymalna moc wejściowa wynosiła 760 W, co wynikało z pomnożenia natężenia przez powierzchnię czołową (3,8 cm2) zastosowanej sonotrody BS2d22. Próbki tytanu zostały zamocowane w domowej roboty uchwycie teflonowym i poddane obróbce przez 5 minut.
(por. Ulasevich i in., 2020)
 

Morfologia czystej powierzchni tytanu (a), sonochemicznie wytworzona mezoporowata powierzchnia tytanu (TMS) widok z góry i przekrój (b) oraz widok z góry i przekrój nanorurek tytanu (TNT) uzyskanych przez elektrochemiczne utlenianie (c). Wstawki pokazują schematy nanostrukturyzacji powierzchni. Schemat przedstawiający osadzanie hydroksyapatytu (HA) w porach matrycy tytanowej (d-f). Obrazy SEM sonochemicznie nanostrukturyzowanych powierzchni tytanu (TMS) i TNT z chemicznie osadzonym HA: odpowiednio TMS-HA (g) i TNT-HA (h).
(badanie i zdjęcia: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mechanizm ultradźwiękowej nanostrukturyzacji powierzchni metalowych

Obróbka ultradźwiękowa powierzchni metalowych prowadzi do mechanicznego trawienia powierzchni tytanu, co powoduje tworzenie się mezoporowatej struktury na tytanie.
Mechanizm ultradźwiękowy opiera się na kawitacji akustycznej, która występuje, gdy fale ultradźwiękowe o niskiej częstotliwości i wysokiej intensywności są sprzężone z cieczą. Gdy ultradźwięki o dużej mocy przechodzą przez ciecz, generowane są naprzemienne cykle wysokiego / niskiego ciśnienia. Podczas cykli niskociśnieniowych w cieczy powstają drobne pęcherzyki próżniowe, tzw. pęcherzyki kawitacyjne. Te pęcherzyki kawitacyjne rosną w ciągu kilku cykli ciśnieniowych, aż nie są w stanie wchłonąć dalszej energii. W tym momencie maksymalnego wzrostu pęcherzyk kawitacyjny imploduje z gwałtownym pęknięciem i tworzy mikrośrodowisko o dużej gęstości energii. Gęste energetycznie pole kawitacji akustycznej/ultradźwiękowej charakteryzuje się wysokimi różnicami ciśnienia i temperatury, wykazującymi ciśnienie do 2000atm i temperaturę ok. 5000 K, szybkimi strumieniami cieczy o prędkości do 280m/s i falami uderzeniowymi. Gdy taka kawitacja występuje w pobliżu metalowej powierzchni, występują nie tylko siły mechaniczne, ale także reakcje chemiczne.
W tych warunkach zachodzą reakcje redoks prowadzące do reakcji utleniania i tworzenia warstwy tytanu. Oprócz generowania reaktywnych form tlenu (ROS), które utleniają powierzchnię tytanu, ultradźwiękowo generowane reakcje utleniania-redukcji zapewniają skuteczne trawienie powierzchni, które skutkuje uzyskaniem warstwy dwutlenku tytanu o grubości 1 μm. Oznacza to, że dwutlenek tytanu częściowo rozpuszcza się w roztworze alkalicznym, tworząc nieuporządkowane pory.
Metoda sonochemiczna oferuje szybkie i wszechstronne wytwarzanie materiałów nanostrukturalnych, zarówno nieorganicznych, jak i organicznych, które są często nieosiągalne za pomocą konwencjonalnych metod. Główną zaletą tej techniki jest to, że propagacja kawitacji generuje duże lokalne gradienty temperatury w ciałach stałych, co skutkuje materiałami z porowatą warstwą i nieuporządkowanymi nanostrukturami w warunkach pokojowych. Dodatkowo, zewnętrzne napromieniowanie ultradźwiękowe może być wykorzystane do wyzwalania uwalniania zamkniętych biomolekuł przez pory w nanostrukturalnej powłoce.
 

Schematyczna ilustracja komórki sonikacyjnej (a), Schematyczna ilustracja procesu strukturyzacji powierzchni zachodzącego podczas ultradźwiękowej obróbki powierzchni tytanu w wodnym roztworze alkalicznym (b) i uformowanej powierzchni (c), zdjęcie implantów tytanowych (d): zielonkawy (lewa próbka w dłoni) to implant po obróbce ultradźwiękowej, żółtawy (próbka znajduje się po prawej) to niemodyfikowany implant.
(badanie i zdjęcia: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Wysokowydajne sonikatory do nanostrukturyzacji metalowych powierzchni implantów

Hielscher Ultrasonics oferuje pełną gamę sonikatorów do nano-zastosowań, takich jak nanostrukturyzacja powierzchni metalowych (np. tytanu i stopów). W zależności od materiału, powierzchni i wydajności produkcji implantów, Hielscher oferuje idealny sonikator i sonotrodę (sondę) do aplikacji nanostrukturyzacji.
Jedną z głównych zalet sonikatorów Hielscher jest precyzyjna kontrola amplitudy i możliwość dostarczania bardzo wysokich amplitud w ciągłej pracy 24/7. Amplituda, która jest przemieszczeniem sondy ultradźwiękowej, jest odpowiedzialna za intensywność sonikacji, a zatem jest kluczowym parametrem niezawodnego i skutecznego leczenia ultradźwiękowego.

Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany

Ultradźwięki firmy Hielscher są znane z najwyższej jakości i standardów konstrukcyjnych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwięków z obiektami przemysłowymi. Surowe warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na ultradźwięki o wysokiej wydajności, charakteryzujące się najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Wzory XRD powłoki tytanowej wytworzonej przez obróbkę termiczną polerowanego tytanu (a) i sonochemicznie obrabianego polerowanego tytanu (b); obrazy SEM polerowanej powierzchni tytanu (c) i sonochemicznie generowanej mezoporowatej powierzchni ditlenku tytanu (d). Sonikację przeprowadzono przy użyciu sonikatora UIP1000hdT.
(badanie i zdjęcia: ©Kuvyrkov et al., 2018)