Implanty nanostrukturyzowane sonochemicznie poprawiające osteointegrację

Implanty, protezy ortopedyczne i implanty stomatologiczne są wytwarzane głównie z tytanu i stopów. Sonikacja służy do tworzenia nanostrukturyzowanych powierzchni na implantach metalowych. Nanostrukturyzacja ultradźwiękowa umożliwia modyfikację powierzchni metalowych poprzez wytwarzanie równomiernie rozmieszczonych struktur o rozmiarach nanometrycznych na powierzchniach implantów. Te nanostrukturyzowane implanty metalowe wykazują znacznie lepszy wzrost tkanek i osteointegrację, co prowadzi do wyższych wskaźników powodzenia klinicznego.

Implanty nanostrukturyzowane ultradźwiękowo dla lepszej osteointegracji

Metale, w tym tytan i stopy, są powszechnie wykorzystywane do wytwarzania implantów ortopedycznych i stomatologicznych ze względu na korzystne właściwości ich powierzchni, umożliwiające powstanie biokompatybilnej powierzchni kontaktu z tkankami otaczającymi implant. Aby zoptymalizować działanie tych implantów, opracowano strategie modyfikacji charakteru tej powierzchni kontaktu poprzez wprowadzanie zmian powierzchniowych w nanoskali. Takie modyfikacje wywierają istotny wpływ na kluczowe aspekty, w tym adsorpcję białek, oddziaływania między komórkami a powierzchnią implantu (oddziaływania komórka–podłoże) oraz późniejszy rozwój otaczającej tkanki. Poprzez precyzyjne projektowanie tych zmian na poziomie nanometrycznym naukowcy dążą do poprawy biointegracji i ogólnej skuteczności implantów, co prowadzi do lepszych wyników klinicznych w implantologii.
 

Protokół ultradźwiękowej nanostrukturyzacji implantów tytanowych

W kilku badaniach wykazano prostą, a zarazem wysoce skuteczną nanostrukturyzację powierzchni tytanu i stopów za pomocą ultradźwięków o wysokim natężeniu. Obróbka sonochemiczna (tj. obróbka ultradźwiękowa) prowadzi do powstania szorstkiej warstwy dwutlenku tytanu o strukturze przypominającej gąbkę, która znacznie zwiększa proliferację komórek.
Strukturyzacja powierzchni tytanu poprzez obróbkę sonochemiczną: Próbki tytanu o wymiarach 20 × 20 × 0,5 mm wcześniej wypolerowano i kolejno przemyto wodą dejonizowaną, acetonem i etanolem, aby usunąć wszelkie zanieczyszczenia. Następnie próbki tytanu poddano obróbce ultradźwiękowej w roztworze NaOH o stężeniu 5 m za pomocą sonikatora Hielscher UIP1000hd pracującego przy częstotliwości 20 kHz (patrz zdjęcie po lewej). Sonikator był wyposażony w sonotrodę BS2d22 (pole powierzchni końcówki 3,8 cm2) oraz wzmacniacz amplitudy B4-1.4, zwiększający amplitudę roboczą 1,4 raza. Amplituda mechaniczna wynosiła ≈81 μm. Wytwarzane natężenie wynosiło 200 W cm−2. Maksymalna moc doprowadzona wynosiła 760 W, co wynikało z pomnożenia natężenia przez pole powierzchni czołowej (wynoszące 3,8 cm2) zastosowanej sonotrody BS2d22. Próbki tytanu zamocowano w samodzielnie wykonanym uchwycie teflonowym i poddano obróbce przez 5 min.
(por. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologia pierwotnej powierzchni tytanu (a), widok z góry i przekrój mezoporowatej powierzchni dwutlenku tytanu wytworzonej sonochemicznie (TMS) (b) oraz widok z góry i przekrój nanorurek dwutlenku tytanu (TNT) otrzymanych przez utlenianie elektrochemiczne (c). Wstawki przedstawiają schematy nanostrukturyzacji powierzchni. Schemat przedstawiający osadzanie hydroksyapatytu (HA) w porach matrycy dwutlenku tytanu (d–f). Obrazy SEM nanostrukturyzowanej sonochemicznie powierzchni tytanu (TMS) i powierzchni TNT z chemicznie osadzonym HA: odpowiednio TMS-HA (g) i TNT-HA (h).
(badanie i obrazy: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mechanizm ultradźwiękowej nanostrukturyzacji powierzchni metalowych

Obróbka ultradźwiękowa powierzchni metalowych prowadzi do mechanicznego trawienia powierzchni tytanu, co powoduje powstanie mezoporowatej struktury na tytanie.
Mechanizm obróbki ultradźwiękowej opiera się na kawitacji akustycznej, która zachodzi, gdy fale ultradźwiękowe o niskiej częstotliwości i wysokim natężeniu są sprzęgane z cieczą. Gdy ultradźwięki o dużej mocy rozchodzą się w cieczy, powstają naprzemienne cykle wysokiego / niskiego ciśnienia. Podczas cykli niskiego ciśnienia w cieczy powstają drobne pęcherzyki próżniowe, tak zwane pęcherzyki kawitacyjne. Pęcherzyki te rosną przez kilka cykli ciśnienia, aż nie mogą już pochłaniać dalszej energii. W tym punkcie maksymalnego wzrostu pęcherzyk kawitacyjny gwałtownie imploduje i tworzy mikrośrodowisko o bardzo dużej gęstości energii. Pole kawitacji akustycznej/ultradźwiękowej o dużej gęstości energii charakteryzuje się dużymi różnicami ciśnienia i temperatury, osiągając ciśnienia do 2 000atm i temperatury około 5000 K, szybkimi strumieniami cieczy o prędkościach do 280m/sec oraz falami uderzeniowymi. Gdy taka kawitacja zachodzi w pobliżu powierzchni metalowej, występują zarówno siły mechaniczne, jak i reakcje chemiczne.
W tych warunkach zachodzą reakcje redoks prowadzące do reakcji utleniania i powstania warstwy dwutlenku tytanu. Oprócz wytwarzania reaktywnych form tlenu (ROS), które utleniły powierzchnię tytanu, wywołane ultradźwiękami reakcje utleniania i redukcji zapewniają skuteczne trawienie powierzchni, prowadzące do otrzymania warstwy dwutlenku tytanu o grubości 1 μm. Oznacza to, że dwutlenek tytanu częściowo rozpuszcza się w roztworze alkalicznym, tworząc nieregularnie rozmieszczone pory.
Metoda sonochemiczna zapewnia szybki i wszechstronny sposób wytwarzania materiałów nanostrukturyzowanych, zarówno nieorganicznych, jak i organicznych, których często nie można uzyskać metodami konwencjonalnymi. Główną zaletą tej techniki jest to, że propagacja kawitacji wytwarza duże lokalne gradienty temperatury w ciałach stałych, co prowadzi do powstania materiałów z porowatą warstwą i nieuporządkowanymi nanostrukturami w warunkach pokojowych. Ponadto zewnętrzne oddziaływanie ultradźwięków może służyć do wyzwalania uwalniania enkapsulowanych biomolekuł przez pory w nanostrukturyzowanej powłoce.
 

Schemat komory sonikacyjnej (a), schemat procesu strukturyzacji powierzchni zachodzącego podczas obróbki ultradźwiękowej powierzchni tytanu w wodnym roztworze alkalicznym (b) oraz powstała powierzchnia (c), zdjęcie implantów tytanowych (d): zielonkawy implant (próbka po lewej stronie w dłoni) jest implantem po obróbce ultradźwiękowej, a żółtawy (próbka po prawej stronie) jest implantem niemodyfikowanym.
(badanie i obrazy: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Wysokowydajne sonikatory do nanostrukturyzacji powierzchni implantów metalowych

Hielscher Ultrasonics oferuje pełną gamę sonikatorów do zastosowań w nanoskali, takich jak nanostrukturyzacja powierzchni metalowych (np. tytanu i stopów). W zależności od materiału, pola powierzchni i wydajności produkcji implantów Hielscher oferuje idealny sonikator i sonotrodę (sondę) do danego zastosowania w nanostrukturyzacji.
Jedną z głównych zalet sonikatorów Hielscher jest precyzyjna kontrola amplitudy oraz zdolność do zapewniania bardzo wysokich amplitud podczas ciągłej pracy 24/7. Amplituda, czyli przemieszczenie sondy ultradźwiękowej, odpowiada za natężenie sonikacji) i dlatego jest kluczowym parametrem niezawodnej i skutecznej obróbki ultradźwiękowej.

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Sonikatory Hielscher są dobrze znane z najwyższych standardów jakości i projektowania. Wytrzymałość i łatwa obsługa umożliwiają sprawną integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie w trudnych warunkach i wymagających środowiskach.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikatem ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne sonikatory wykorzystujące najnowocześniejszą technologię i zapewniające łatwość obsługi. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Dyfraktogramy XRD powłoki dwutlenku tytanu wytworzonej przez obróbkę termiczną wypolerowanego tytanu (a) i wypolerowanego tytanu poddanego obróbce sonochemicznej (b); obrazy SEM wypolerowanej powierzchni tytanu (c) i mezoporowatej powierzchni dwutlenku tytanu wytworzonej sonochemicznie (d). Sonikację przeprowadzono za pomocą sonikatora UIP1000hdT.
(badanie i obrazy: ©Kuvyrkov et al., 2018)