Implantes Nanoestruturados Sonoquimicamente Melhorando a Osseointegração

Implantes, próteses ortopédicas e implantes dentários são feitos principalmente de titânio e ligas. A sonicação é usada para criar superfícies nanoestruturadas em implantes metálicos. A nanoestruturação ultrassônica permite modificar superfícies metálicas gerando padrões nanométricos uniformemente distribuídos nas superfícies dos implantes. Esses implantes metálicos nanoestruturados mostram um crescimento tecidual significativamente melhorado e osseointegração, levando a melhores taxas de sucesso clínico.

Implantes ultrassônicos nanoestruturados para melhor osseointegração

A utilização de metais, incluindo titânio e ligas, é predominante na fabricação 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 desses implantes, estratégias foram desenvolvidas para modificar a natureza dessa interface, implementando alterações em nanoescala na superfície. Tais modificações exercem uma influência notável em aspectos críticos, incluindo adsorção de proteínas, interações entre as células e a superfície do implante (interações célula-substrato) e o desenvolvimento subsequente do tecido circundante. Ao projetar com precisão essas mudanças em nível nanométrico, os cientistas pretendem melhorar a biointegração e a eficácia geral dos implantes, levando a melhores resultados clínicos no campo da implantodontia.
 

Protocolo para Nanoestruturação Ultrassônica de Implantes de Titânio

Vários estudos de pesquisa demonstraram a nanoestruturação simples, mas altamente eficaz, de superfícies de titânio e liga usando ultrassom de alta intensidade. O tratamento sonoquímico (ou seja, tratamento com ultrassom) leva à formação de uma camada áspera de titânia de estrutura esponjosa, que mostra significativamente aumenta a proliferação celular.
Estruturação da superfície de titânio via tratamento sonoquímico: As amostras de titânio de 20 × 20 × 0,5 mm foram previamente polidas e lavadas com água deionizada, acetona e etanol consecutivamente para eliminar quaisquer contaminantes. Posteriormente, as amostras de titânio foram tratadas por ultrassom em solução de NaOH 5 m usando o ultrassônico Hielscher UIP1000hd operado a 20 kHz (veja a figura à esquerda). O sonicador foi equipado com o sonotrodo BS2d22 (área de superfície da ponta 3,8 cm2) e o booster B4-1,4, ampliando a amplitude de trabalho em 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 em um suporte de teflon caseiro e tratadas por 5 min.
(cf. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologia da superfície de titânio intocado (a), superfície mesoporosa de titânia (TMS) fabricada sonoquimicamente vista superior e seção transversal (b) e vista superior e seção transversal de nanotubos de titânia (TNT) obtidos por oxidação eletroquímica (c). As inserções mostram os esquemas da nanoestruturação da superfície. Esquema mostrando a deposição de hidroxiapatita (HA) nos poros da matriz de titânia (df). Imagens de MEV das superfícies sonoquímicas nanoestruturadas de titânio (TMS) e TNT com AH depositado quimicamente: TMS-HA (g) e TNT-HA (h), respectivamente.
(estudo e imagens: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mecanismo de Nanoestruturação Ultrassônica de Superfícies Metálicas

O tratamento ultrassônico de superfícies metálicas leva à corrosão mecânica de superfícies de titânio, o que causa a formação de uma estrutura mesoporosa no titânio.
O mecanismo do mecanismo ultrassônico é baseado na cavitação acústica, que ocorre quando ondas ultrassônicas de baixa frequência e alta intensidade são acopladas em um líquido. Quando o ultrassom de alta potência viaja através de um líquido, são gerados ciclos alternados de alta / baixa pressão. Durante os ciclos de baixa pressão, bolhas de vácuo minúsculas, as chamadas bolhas de cavitação, surgem no líquido. Essas bolhas de cavitação crescem ao longo de vários ciclos de pressão até que não possam 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 de cavitação acústica/ultrassônica de alta densidade de energia é caracterizado por diferenciais de alta pressão e temperatura exibindo pressões de até 2.000 atm e temperaturas de aprox. 5000 K, jatos de líquidos de alta velocidade com velocidades de até 280 m/s e ondas de choque. Quando essa cavitação ocorre perto de uma superfície metálica, não apenas forças mecânicas, mas também reações químicas ocorrem.
Nessas condições, ocorrem reações redox levando a reações oxidativas e formação de camada de titânia. Além de gerar as espécies reativas de oxigênio (ROS) que oxidaram a superfície do titânio, as reações de oxidação-redução geradas por ultrassom fornecem corrosão superficial eficaz 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 a fabricação de materiais nanoestruturados, tanto inorgânicos quanto orgânicos, que muitas vezes são inatingíveis por meio de métodos convencionais. A principal vantagem desta técnica é que a propagação da cavitação gera grandes gradientes de temperatura local em sólidos, resultando em materiais com camada porosa e nanoestruturas desordenadas em condições ambientes. Além disso, a irradiação de ultrassom externo pode ser usada para desencadear a liberação de biomoléculas encapsuladas através de poros em revestimento nanoestruturado.
 

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

Sonicadores de alto desempenho para nanoestruturação de superfícies de implantes metálicos

A Hielscher Ultrasonics oferece a gama completa de sonicadores para nanoaplicações, como a nanoestruturação de superfícies metálicas (por exemplo, titânio e ligas). Dependendo do material, área de superfície e rendimento de produção dos implantes, a Hielscher oferece o sonicador e o sonotrodo (sonda) ideais para sua aplicação de nanoestruturação.
Uma das principais vantagens dos sonicadores Hielscher é o controle preciso da amplitude e a capacidade de fornecer amplitudes muito altas em operação contínua 24 horas por dia, 7 dias por semana. A amplitude, que é o deslocamento da sonda ultrassônica, é responsável pela intensidade da sonicação e, portanto, um parâmetro crucial do tratamento ultrassônico confiável e eficaz.

Projeto, Fabricação e Consultoria – Qualidade Made in Germany

Os ultrassônicos Hielscher são conhecidos por seus mais altos padrões de qualidade e design. A robustez e a fácil operação permitem a integração suave de nossos ultrasonicadores em instalações industriais. Condições adversas e ambientes exigentes são facilmente manuseados pelos ultrassônicos Hielscher.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa certificada pela ISO e dá ênfase especial aos ultrassônicos de alto desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de uso. Obviamente, os ultrassônicos Hielscher são compatíveis com CE e atendem aos requisitos da UL, CSA e RoHs.

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