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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.
 

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

O Dr. D. Andreeva demonstrou a nanoestruturação sonoquímica de superfícies de titânio usando o sonicador 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 de células osteogênicas em implantesVários 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)
 

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

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)

Imagens AFM e SEM de superfícies de titânio não tratadas e ultrassônicamente nanoestruturadas.

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

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Processador ultrassônico UIP1000hdT para matrizes de fio vibratório para melhor trefilação e limpeza

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.
 

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

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

Ultrasonicator UIP1000hdT com sonda ultrassônica e célula para nanoestruturação de implantes ortopédicos.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.

Por que Hielscher Ultrasonics?

  • Alta eficiência
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  • recursos inteligentes (por exemplo, programável, protocolo de dados, controle remoto)
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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.

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A sonicação cria nanoestruturas mesoporosas em superfícies metálicas, como titânio e ligas. O titânio nanoestruturado por ultrassom mostra melhor proliferação de células osteogênicas e maior osseointegração de implantes.

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)

Cavitação ultrassônica poderosa em Hielscher Cascatrode

Cavitação ultrassônica poderosa em Hielscher Cascatrode



Literatura / Referências

Fatos, vale a pena conhecer

A 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 tecidos ósseos 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, as 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 de não consolidação. A capacidade de induzir a formação óssea de novo ou em locais não formadores de osso possui um potencial terapêutico significativo para o desenvolvimento de abordagens inovadoras para tratar distúrbios esqueléticos e melhorar os processos de reparo ósseo. Compreender e aproveitar os mecanismos subjacentes à osteoindutividade pode contribuir para o avanço de substitutos eficazes do enxerto ósseo e materiais de implante que promovam a regeneração óssea bem-sucedida.


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