Implantes Sonoquimicamente Nanoestruturados 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 ultra-sônica permite modificar superfícies metálicas gerando padrões nanométricos uniformemente distribuídos em superfícies de implantes. Estes implantes metálicos nanoestruturados mostram um crescimento tecidual significativamente melhorado e osseointegração, levando a melhores taxas de sucesso clínico.

Implantes Ultrassonicamente Nanoestruturados para Melhor Osseointegração

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

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Nanoestruturação de superfícies metálicas mesoporosas para melhor oseeointegração de implantes. A imagem mostra a Dra. Daria Andreeva usando o sonicator Hielscher UIP1000hdT.

Dr. D. Andreeva demonstrou a nanoestruturação sonoquímica de superfícies de titânio usando o sonicator UIP1000hdT.

Protocolo para Nanoestruturação Ultrassônica de Implantes de Titânio

Sonicator UIP1000hdT para a nanoestruturação de superfícies metálicas, por exemplo. titânio e ligas, para melhorar a proliferação celular osteogênica em implantesVárias pesquisas têm demonstrado a nanoestruturação simples, mas altamente eficaz, de superfícies de titânio e ligas usando ultrassom de alta intensidade. O tratamento sonoquímico (ou seja, o tratamento com ultrassom) leva à formação de uma camada rugosa de titânia de estrutura semelhante a uma esponja, que mostra aumentar significativamente 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 consecutivamente com água deionizada, acetona e etanol para eliminar quaisquer contaminantes. Em seguida, as amostras de titânio foram tratadas ultrassonicamente em solução de NaOH de 5 m usando o ultrasonicator Hielscher UIP1000hd operado a 20 kHz (ver figura à esquerda). O sonicador foi equipado com o sonotrodo BS2d22 (área de superfície da ponta de 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. Amostras de titânio foram fixadas em suporte de teflon caseiro e tratadas por 5 min.
(Cf. Ulasevich et al., 2020)
 

Esquema científico de nanoestruturação sonoquímica de superfícies de titânio. A sonicação intensa cria nanopadrões semelhantes a esponjas na superfície do titânio

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

Imagens de AFM e MEV de superfícies de titânio não tratadas e ultrassonicamente nanoestruturadas.

a+b) AFM e e+f) imagens de MEV da superfície inicial de titânio (a,e); Superfície de titânio sonoquimicamente nanoestruturada (B,F)
(estudo e imagens: ©Ulasevich et al., 2021)

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Processador ultrassônico UIP1000hdT para fios vibratórios morre para melhor desenho e limpeza de fios

Mecanismo de Nanoestruturação Ultrassônica de Superfícies Metálicas

O tratamento ultra-sônico de superfícies metálicas leva ao condicionamento mecânico de superfícies de titânio que causa a formação de uma estrutura mesoporosa sobre titânio.
O mecanismo do ultrassom é baseado na cavitação acústica, que ocorre quando ondas de ultrassom de baixa frequência e alta intensidade são acopladas em um líquido. Quando o ultrassom de alta potência viaja através de um líquido, ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão são gerados. Durante os ciclos de baixa pressão, surgem bolhas de vácuo minúsculas no líquido. Essas bolhas de cavitação crescem ao longo de vários ciclos de pressão até que não consigam absorver mais energia. Neste ponto de crescimento máximo de bolhas, a bolha de cavitação implode com uma explosão violenta e cria um microambiente altamente denso em energia. O campo de energia densa da cavitação acústica/ultra-sônica é caracterizado por diferenciais de alta pressão e temperatura exibindo pressões de até 2.000atm e temperaturas de aproximadamente 5000 K, jatos líquidos de alta velocidade com velocidades de até 280m/seg e ondas de choque. Quando essa cavitação ocorre perto de uma superfície metálica ocorrem não apenas forças mecânicas, mas também reações químicas.
Nessas condições, ocorrem reações redox que levam a reações oxidativas e formação de camada de titânia. Além de gerar as espécies reativas de oxigênio (EROs) que oxidaram a superfície do titânio, as reações de oxidação-redução geradas ultrassonicamente proporcionam um condicionamento superficial efetivo que resulta na obtenção da camada de dióxido de titânio de 1 μm de espessura. Isto significa que o dióxido de titânio dissolve-se 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 através de 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 camada porosa e nanoestruturas desordenadas em condições ambientes. Adicionalmente, a irradiação com ultrassom externo pode ser utilizada para desencadear a liberação de biomoléculas encapsuladas através de poros em revestimento nanoestruturado.
 

O tratamento sonoquímico do titânio leva a superfícies mesoporosas nanoestruturadas, que exibem propriedades osteogênicas melhoradas.

A ilustração esquemática da célula de sonicação (a), Ilustração esquemática do processo de estruturação da superfície que ocorre durante o tratamento ultra-sônico 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 ultra-sônico, o amarelado (a amostra está situada à direita) é implante não modificado.
(estudo e imagens: ©Kuvyrkov et al., 2020)

 

Sonicators de Alto Desempenho para Superfícies de Implantes Metálicos Nanoestruturantes

Ultrasonicator UIP1000hdT com sonda ultra-sônica e célula para nanoestruturação de implantes ortopédicos.Hielscher Ultrasonics oferece a gama completa de sonicators para nano-aplicações, tais 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 sonotrodo (sonda) ideais para sua aplicação de nanoestruturação.
Uma das principais vantagens dos sonicators Hielscher é o controle preciso de 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 ultra-sônica, é responsável pela intensidade da sonicação) e, portanto, um parâmetro crucial de tratamento ultra-sônico confiável e eficaz.

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

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A sonicação cria nanoestruturas mesoporosas em superfícies metálicas como titânio e ligas. O titânio ultrassonicamente nanoestruturado mostra melhora da proliferação celular osteogênica e maior osseointegração dos implantes.

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

Cavitação ultra-sônica poderosa em Hielscher Cascatrode

Cavitação ultra-sônica poderosa em Hielscher Cascatrode



Literatura / Referências

Fatos, vale a pena conhecer

Osteoindutividade ou propriedade osteogênica refere-se à capacidade intrínseca de um material de estimular a formação de novo tecido ósseo de novo (desde o início) ou ectopicamente (em locais não formadores de osso). Esta propriedade é de suma importância no campo da engenharia de tecido ósseo e medicina regenerativa. Os materiais osteoindutores possuem sinais biológicos específicos ou fatores de crescimento que iniciam uma cascata de eventos celulares, levando ao recrutamento e diferenciação de células-tronco em osteoblastos, células responsáveis pela formação óssea. Esse fenômeno permite a criação de novo osso em áreas onde a regeneração óssea é necessária, como grandes defeitos ósseos ou fraturas sem união. A capacidade de induzir a formação óssea de novo ou em sítios não formadores de osso tem um potencial terapêutico significativo para o desenvolvimento de abordagens inovadoras para tratar distúrbios esqueléticos e melhorar os processos de reparo ósseo. A compreensão e o aproveitamento dos mecanismos subjacentes à osteoindutividade podem contribuir para o avanço de substitutos efetivos de enxertos ósseos e materiais de implante que promovam regeneração óssea bem-sucedida.


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