Implantes nanoestruturados por sonoquímica que melhoram a osteointegração

Os implantes, as próteses ortopédicas e os implantes dentários são fabricados principalmente em titânio e ligas. A sonicação é utilizada para criar superfícies nanoestruturadas em implantes metálicos. A nanoestruturação ultrassónica permite modificar superfícies metálicas, gerando padrões de dimensão nanométrica uniformemente distribuídos nas superfícies dos implantes. Estes implantes metálicos nanoestruturados apresentam um crescimento tecidular e uma osteointegração significativamente melhorados, conduzindo a melhores taxas de sucesso clínico.

Implantes nanoestruturados por ultrassons para uma melhor osteointegração

A utilização de metais, incluindo titânio e ligas, é predominante no fabrico de implantes ortopédicos e dentários devido às suas propriedades superficiais favoráveis, que permitem estabelecer 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 escala nanométrica na superfície. Estas modificações exercem uma influência considerável em aspetos críticos, incluindo a adsorção de proteínas, as interações entre as células e a superfície do implante (interações célula-substrato) e o desenvolvimento subsequente do tecido circundante. Ao conceberem com precisão estas alterações à escala nanométrica, os cientistas procuram melhorar a biointegração e a eficácia global dos implantes, conduzindo a melhores resultados clínicos no domínio da implantologia.
 

Protocolo para a nanoestruturação ultrassónica de implantes de titânio

Vários estudos de investigação demonstraram a nanoestruturação simples, mas altamente eficaz, de superfícies de titânio e ligas utilizando ultrassons de alta intensidade. O tratamento sonoquímico (isto é, o tratamento por ultrassons) conduz à formação de uma camada rugosa de dióxido de titânio com uma estrutura semelhante à de uma esponja, 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 consecutivamente com água desionizada, acetona e etanol para eliminar quaisquer contaminantes. Em seguida, as amostras de titânio foram tratadas por ultrassons numa solução de NaOH de 5 m utilizando o sonicador Hielscher UIP1000hd a funcionar a 20 kHz (ver imagem à esquerda). O sonicador estava equipado com o sonotrodo BS2d22 (área superficial da ponta de 3,8 cm2) e o amplificador B4-1.4, que amplificava a amplitude de trabalho 1,4 vezes. A amplitude mecânica era de ≈81 μm. A intensidade gerada era de 200 W cm−2. A potência máxima de entrada era de 760 W, resultante da multiplicação da intensidade pela área frontal (de 3,8 cm2) do sonotrodo BS2d22 utilizado. As amostras de titânio foram fixadas num suporte de Teflon de fabrico próprio e tratadas durante 5 min.
(cf. Ulasevich et al., 2020)
 

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

Mecanismo de nanoestruturação ultrassónica de superfícies metálicas

O tratamento ultrassónico de superfícies metálicas provoca a gravação mecânica das superfícies de titânio, que causa a formação de uma estrutura mesoporosa no titânio.
O mecanismo do tratamento ultrassónico baseia-se na cavitação acústica, que ocorre quando ondas ultrassónicas de baixa frequência e alta intensidade são acopladas a um líquido. Quando os ultrassons de alta potência se propagam através de um líquido, são gerados ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão. Durante os ciclos de baixa pressão, surgem no líquido minúsculas bolhas de vácuo, denominadas bolhas de cavitação. Estas bolhas de cavitação crescem ao longo de vários ciclos de pressão até deixarem de conseguir absorver mais energia. Neste ponto de crescimento máximo da bolha, a bolha de cavitação implode violentamente e cria um microambiente com uma densidade energética muito elevada. O campo de elevada densidade energética da cavitação acústica/ultrassónica caracteriza-se por grandes diferenças de pressão e temperatura, apresentando pressões de até 2 000atm e temperaturas de aprox. 5000 K, jatos de líquido a alta velocidade com velocidades de até 280m/sec e ondas de choque. Quando esta cavitação ocorre perto de uma superfície metálica, ocorrem não só forças mecânicas, mas também reações químicas.
Nestas condições, ocorrem reações redox que conduzem a reações oxidativas e à formação de uma camada de dióxido de titânio. Além de gerarem as espécies reativas de oxigénio (ROS) que oxidaram a superfície de titânio, as reações de oxidação-redução geradas por ultrassons proporcionam uma gravação eficaz da superfície, que resulta na obtenção de uma camada de dióxido de titânio com 1 μm de espessura. Isto significa que o dióxido de titânio se dissolve parcialmente em solução alcalina, gerando poros distribuídos de forma desordenada.
O método sonoquímico oferece uma via rápida e versátil para o fabrico de materiais nanoestruturados, tanto inorgânicos como orgânicos, que muitas vezes não podem ser obtidos por métodos convencionais. A principal vantagem desta técnica é que a propagação da cavitação gera grandes gradientes locais de temperatura nos sólidos, resultando em materiais com uma camada porosa e nanoestruturas desordenadas em condições ambiente. Além disso, a irradiação ultrassónica externa pode ser utilizada para desencadear a libertação de biomoléculas encapsuladas através dos poros do revestimento nanoestruturado.
 

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 aquosa alcalina (b) e da superfície formada (c), fotografia de implantes de titânio (d): o esverdeado (a amostra à esquerda na mão) é um implante após tratamento ultrassónico; o amarelado (a amostra situada à direita) é um implante não modificado.
(estudo e imagens: ©Kuvyrkov et al., 2020)

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

A Hielscher Ultrasonics oferece a gama completa de sonicadores para aplicações à escala nanométrica, como a nanoestruturação de superfícies metálicas (por exemplo, titânio e ligas). Dependendo do material, da área superficial e da capacidade de 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 24/7. A amplitude, que corresponde ao deslocamento da sonda ultrassónica, é responsável pela intensidade da sonicação) e, por conseguinte, é um parâmetro crucial para um tratamento ultrassónico fiável e eficaz.

Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha

Os sonicadores Hielscher são bem conhecidos pelos seus padrões de qualidade e conceção do mais alto nível. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração sem dificuldades dos nossos sonicadores em instalações industriais. Os sonicadores Hielscher lidam facilmente com condições adversas e ambientes exigentes.

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

Os padrões de difração de raios X (XRD) do revestimento de dióxido de titânio fabricado por tratamento térmico de titânio polido (a) e de titânio polido tratado por sonoquímica (b); imagens de microscopia eletrónica de varrimento (SEM) da superfície de titânio polido (c) e da superfície mesoporosa de dióxido de titânio gerada por sonoquímica (d). A sonicação foi realizada utilizando o sonicador UIP1000hdT.
(estudo e imagens: ©Kuvyrkov et al., 2018)