Implantes nanoestruturados sonoquimicamente que melhoram a osteointegração

Os implantes, as próteses ortopédicas e os implantes dentários são feitos principalmente de titânio e ligas. A sonicação é utilizada para criar superfícies nanoestruturadas em implantes metálicos. A nanoestruturação ultra-sónica permite modificar as superfícies metálicas, gerando padrões nanométricos uniformemente distribuídos nas superfícies dos implantes. Estes implantes metálicos nanoestruturados apresentam uma melhoria significativa do crescimento dos tecidos e da osteointegração, o que conduz a melhores taxas de sucesso clínico.

Implantes nanoestruturados por ultra-sons para uma melhor osseointegração

A utilização de metais, incluindo titânio e ligas, é predominante no fabrico de implantes ortopédicos e dentários devido às suas propriedades superficiais favoráveis, permitindo o estabelecimento de uma interface biocompatível com os tecidos peri-implantares. Para otimizar o desempenho destes implantes, foram desenvolvidas estratégias para modificar a natureza desta interface através da implementação de alterações à nanoescala na superfície. Tais modificações exercem uma influência notável em aspectos críticos, incluindo a adsorção de proteínas, as interações entre as células e a superfície do implante (interações célula-substrato) e o subsequente desenvolvimento do tecido circundante. Através da engenharia precisa destas alterações ao nível nanométrico, os cientistas pretendem melhorar a biointegração e a eficácia global dos implantes, conduzindo a melhores resultados clínicos no domínio da implantologia.
 

Protocolo para a nanoestruturação ultra-sónica de implantes de titânio

Vários estudos de investigação demonstraram a nanoestruturação simples, mas altamente eficaz, de superfícies de titânio e de ligas com recurso a ultra-sons de alta intensidade. O tratamento sonoquímico (ou seja, o tratamento por ultra-sons) leva à formação de uma camada rugosa de titânia com uma estrutura semelhante a uma esponja, o que aumenta significativamente a proliferação celular.
Estruturação da superfície de titânio através de tratamento sonoquímico: As amostras de titânio de 20 × 20 × 0,5 mm foram previamente polidas e lavadas com água desionizada, acetona e etanol consecutivamente para eliminar quaisquer contaminantes. Posteriormente, as amostras de titânio foram tratadas por ultra-sons em solução de NaOH 5 m usando Hielscher ultrasonicator UIP1000hd operado a 20 kHz (ver imagem à esquerda). O sonicador foi equipado com o sonotrodo BS2d22 (área de superfície da ponta 3,8 cm2) e o reforço B4-1,4, ampliando a amplitude de trabalho 1,4 vezes. A amplitude mecânica foi de ≈81 μm. A intensidade gerada foi de 200 W cm-2. A potência máxima de entrada foi de 760 W resultante da multiplicação da intensidade com a área frontal (com 3,8 cm2) do sonotrodo BS2d22 utilizado. As amostras de titânio foram fixadas num suporte de Teflon caseiro e tratadas durante 5 min.
(cf. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologia da superfície de titânio pristina (a), vista superior e secção transversal da superfície mesoporosa de titânia fabricada por sonoquímica (TMS) (b) e vista superior e secção transversal de nanotubos de titânia (TNT) obtidos por oxidação eletroquímica (c). As inserções mostram os esquemas da nanoestruturação da superfície. Esquema que mostra a deposição de hidroxiapatite (HA) nos poros da matriz de titânia (d-f). Imagens SEM das superfícies de titânio nanoestruturado por sonoquímica (TMS) e TNT com HA depositada quimicamente: TMS-HA (g) e TNT-HA (h), respetivamente.
(estudo e imagens: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mecanismo de nanoestruturação ultra-sónica de superfícies metálicas

O tratamento ultrassónico das superfícies metálicas conduz ao ataque mecânico das superfícies de titânio, o que provoca a formação de uma estrutura mesoporosa no titânio.
O mecanismo do mecanismo ultrassónico baseia-se na cavitação acústica, que ocorre quando ondas de ultra-sons de baixa frequência e alta intensidade são acopladas a um líquido. Quando os ultra-sons de alta potência atravessam um líquido, são gerados ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão. Durante os ciclos de baixa pressão, surgem no líquido pequenas bolhas de vácuo, as chamadas bolhas de cavitação. Estas bolhas de cavitação crescem ao longo de vários ciclos de pressão até não conseguirem absorver mais energia. Neste ponto de crescimento máximo da bolha, a bolha de cavitação implode com uma explosão violenta e cria um microambiente altamente denso em energia. O campo denso de energia da cavitação acústica/ultrassónica é caracterizado por diferenciais de alta pressão e temperatura que exibem pressões de até 2.000atm e temperaturas de aproximadamente 5000 K, jactos de líquidos de alta velocidade com velocidades de até 280m/seg e ondas de choque. Quando esta cavitação ocorre perto de uma superfície metálica, ocorrem não só forças mecânicas, mas também reacções químicas.
Nestas condições, as reações redox ocorrem levando a reações oxidativas e formação de camada de titânia. Além de gerar as espécies reativas de oxigênio (ROS) que oxidaram a superfície de titânio, as reações de oxidação-redução geradas por ultrassom fornecem gravura de superfície efetiva que resulta na obtenção da camada de dióxido de titânio de 1 μm de espessura. Isso significa que o dióxido de titânio se dissolve parcialmente em solução alcalina gerando os poros distribuídos desordenadamente.
O método sonoquímico oferece um método rápido e versátil para o fabrico de materiais nanoestruturados, tanto inorgânicos como orgânicos, que são frequentemente inatingíveis através de métodos convencionais. A principal vantagem desta técnica é que a propagação da cavitação gera grandes gradientes de temperatura local nos sólidos, resultando em materiais com uma camada porosa e nanoestruturas desordenadas em condições ambientes. Além disso, a irradiação externa de ultra-sons pode ser utilizada para desencadear a libertação de biomoléculas encapsuladas através de poros em revestimentos nanoestruturados.
 

A ilustração esquemática da célula de sonicação (a), ilustração esquemática do processo de estruturação da superfície que ocorre durante o tratamento ultrassónico de uma superfície de titânio em solução alcalina aquosa (b) e superfície formada (c), foto de implantes de titânio (d): o esverdeado (a amostra da esquerda na mão) é o implante após o tratamento ultrassónico, o amarelado (a amostra está situada à direita) é o implante não modificado.
(estudo e imagens: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Sonicadores de elevado desempenho para a nanoestruturação de superfícies de implantes metálicos

A Hielscher Ultrasonics oferece uma gama completa de sonicadores para nano-aplicações, tais como a nanoestruturação de superfícies metálicas (por exemplo, titânio e ligas). Dependendo do material, da área de superfície e do rendimento da produção de implantes, a Hielscher oferece-lhe o sonicador e o sonotrodo (sonda) ideais para a sua aplicação de nanoestruturação.
Uma das principais vantagens dos sonicadores Hielscher é o controlo preciso da amplitude e a capacidade de fornecer amplitudes muito elevadas em funcionamento contínuo 24 horas por dia, 7 dias por semana. A amplitude, que é o deslocamento da sonda ultra-sónica, é responsável pela intensidade da sonicação) e, por conseguinte, um parâmetro crucial de um tratamento ultrassónico fiável e eficaz.

Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha

Os ultrassons Hielscher são conhecidos pelos seus elevados padrões de qualidade e design. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração harmoniosa dos nossos ultrassons nas instalações industriais. As condições difíceis e os ambientes exigentes são facilmente controlados pelos ultrassons Hielscher.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa certificada pela ISO e dá especial ênfase aos ultrassons de alto desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os ultrassons da Hielscher estão em conformidade com a CE e cumprem os requisitos da UL, CSA e RoHs.

Os padrões XRD do revestimento de titânia fabricado por tratamento térmico de titânio polido (a) e titânio polido tratado sonoquimicamente (b); imagens SEM da superfície de titânio polido (c) e da superfície de dióxido de titânio mesoporoso gerado sonoquimicamente (d). A sonicação foi realizada utilizando o sonicador UIP1000hdT.
(estudo e imagens: ©Kuvyrkov et al., 2018)