Implanturi nanostructurate sonochimic care îmbunătățesc osteointegrarea

Implanturile, protezele ortopedice și implanturile dentare sunt realizate în principal din titan și aliaje. Sonicare este utilizat pentru a crea suprafețe nanostructurate pe implanturi metalice. Nanostructurarea cu ultrasunete permite modificarea suprafețelor metalice generând modele nano-dimensiuni distribuite uniform pe suprafețele implanturilor. Aceste implanturi metalice nanostructurate prezintă o creștere semnificativ îmbunătățită a țesuturilor și o osteointegrare, ceea ce duce la îmbunătățirea ratelor de succes clinic.

Ultrasonically nanostructurate implanturi pentru osteointegrare îmbunătățită

Utilizarea metalelor, inclusiv a titanului și a aliajelor, este predominantă în fabricarea implanturilor ortopedice și dentare datorită proprietăților lor favorabile ale suprafeței, permițând stabilirea unei interfețe biocompatibile cu țesuturile peri-implant. Pentru a optimiza performanța acestor implanturi, au fost dezvoltate strategii pentru a modifica natura acestei interfețe prin implementarea modificărilor la scară nanometrică pe suprafață. Astfel de modificări exercită o influență notabilă asupra aspectelor critice, inclusiv adsorbția proteinelor, interacțiunile dintre celule și suprafața implantului (interacțiunile celulă-substrat) și dezvoltarea ulterioară a țesutului înconjurător. Prin ingineria precisă a acestor modificări la nivel nanometric, oamenii de știință își propun să sporească biointegrarea și eficacitatea generală a implanturilor, ceea ce duce la rezultate clinice îmbunătățite în domeniul implantologiei.
 

Protocol pentru nanostructurarea cu ultrasunete a implanturilor din titan

Mai multe studii de cercetare au demonstrat nanostructurarea simplă, dar eficientă a suprafețelor din titan și aliaje folosind ultrasunete de înaltă intensitate. Tratamentul sonochimic (adică tratamentul cu ultrasunete) duce la formarea unui strat dur de titanie cu structură asemănătoare buretelui, care arată că îmbunătățește semnificativ proliferarea celulelor.
Structurarea suprafeței titanului prin tratament sonochimic: Probele de titan de 20 × 20 × 0,5 mm au fost lustruite anterior și spălate cu apă deionizată, acetonă și etanol consecutiv pentru a elimina orice contaminanți. După aceea, probele de titan au fost tratate ultrasonically în 5 m soluție NaOH folosind ultrasonicator Hielscher UIP1000hd operat la 20 kHz (vezi imaginea din stânga). Sonicatorul a fost echipat cu sonotrode BS2d22 (suprafața vârfului 3.8 cm2) și rapelul B4-1.4, mărind amplitudinea de lucru 1.4 ori. Amplitudinea mecanică a fost de ≈81 μm. Intensitatea generată a fost de 200 W cm−2. Puterea maximă de intrare a fost de 760 W rezultată din înmulțirea intensității cu suprafața frontală (cu 3,8 cm2) a sonotrodului BS2d22 utilizat. Probele de titan au fost fixate într-un suport de teflon de casă și tratate timp de 5 minute.
(cf. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologia suprafeței de titan imaculat (a), a secțiunii superioare și transversale a suprafeței mezoporoase a titanului (TMS) fabricate sonochimic (b) și a secțiunii superioare și transversale a nanotuburilor de titan (TNT) obținute prin oxidare electrochimică (c). Inserțiile arată schemele nanostructurării suprafeței. Schemă care arată depunerea hidroxiapatitei (HA) în porii matricei titaniei (d-f). Imagini SEM ale suprafețelor sonochimice nanostructurate din titan (TMS) și TNT cu HA DEPUS CHIMIC: TMS-HA (g) și, respectiv, TNT-HA (h).
(studiu și imagini: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mecanismul nanostructurării cu ultrasunete a suprafețelor metalice

Tratamentul cu ultrasunete al suprafețelor metalice duce la gravarea mecanică a suprafețelor de titan, ceea ce determină formarea unei structuri mezoporoase pe titan.
Mecanismul mecanismului cu ultrasunete se bazează pe cavitație acustică, care apare atunci când undele cu ultrasunete de joasă frecvență, de înaltă intensitate sunt cuplate într-un lichid. Când ultrasunetele de mare putere se deplasează printr-un lichid, se generează cicluri alternative de înaltă presiune / joasă presiune. În timpul ciclurilor de joasă presiune apar bule de vid minute, așa-numitele bule de cavitație apar în lichid. Aceste bule de cavitație cresc pe parcursul mai multor cicluri de presiune până când nu mai pot absorbi nicio altă energie. În acest punct de creștere maximă a bulelor, bula de cavitație implodează cu o explozie violentă și creează un micro-mediu extrem de dens din punct de vedere energetic. Câmpul dens energetic al cavitației acustice / ultrasonice se caracterizează prin diferențe ridicate de presiune și temperatură care prezintă presiuni de până la 2.000atm și temperaturi de aproximativ 5000 K, jeturi lichide de mare viteză cu viteze de până la 280m / sec și unde de șoc. Atunci când o astfel de cavitație are loc în apropierea unei suprafețe metalice, apar nu numai forțe mecanice, ci și reacții chimice.
În aceste condiții, au loc reacții redox care duc la reacții oxidative și formarea stratului de titan. Pe lângă generarea speciilor reactive de oxigen (ROS) care au oxidat suprafața titanului, reacțiile de oxidare-reducere generate ultrasonically asigură o gravare eficientă a suprafeței care are ca rezultat obținerea stratului de dioxid de titan de 1 μm grosime. Aceasta înseamnă că dioxidul de titan se dizolvă parțial în soluție alcalină generând porii distribuiți dezordonat.
Metoda sonochimică oferă o soluție rapidă și versatilă pentru fabricarea materialelor nanostructurate, atât anorganice, cât și organice, care sunt adesea imposibil de realizat prin metode convenționale. Avantajul major al acestei tehnici este că propagarea cavitației generează gradienți mari de temperatură locală în solide, rezultând materiale cu un strat poros și nanostructuri dezordonate în condiții de cameră. În plus, iradierea externă cu ultrasunete poate fi utilizată pentru a declanșa eliberarea biomoleculelor încapsulate prin pori în acoperire nanostructurată.
 

Ilustrarea schematică a celulei sonicare (a), Ilustrarea schematică a procesului de structurare a suprafeței care are loc în timpul tratamentului cu ultrasunete al unei suprafețe de titan în soluție alcalină apoasă (b) și suprafața formată (c), fotografie a implanturilor de titan (d): cea verzuie (proba stângă în mână) este implant după tratamentul cu ultrasunete, cea gălbuie (proba este situată pe dreapta) este implant nemodificat.
(studiu și imagini: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Sonicatori de înaltă performanță pentru nanostructurarea suprafețelor implanturilor metalice

Hielscher Ultrasonics oferă întreaga gamă de sonicatori pentru nano-aplicații, ar fi nanostructurarea suprafețelor metalice (de exemplu, titan și aliaje). În funcție de materialul, suprafața și randamentul producției de implanturi, Hielscher vă oferă sonicator ideal și sonotrode (sondă) pentru aplicarea nano-structurare.
Unul dintre principalele avantaje ale sonicatoare Hielscher este controlul precis al amplitudinii și capacitatea de a furniza amplitudini foarte mari în funcționare continuă 24/7. Amplitudinea, care este deplasarea sondei cu ultrasunete, este responsabil pentru intensitatea sonicare) și, prin urmare, un parametru crucial al tratamentului cu ultrasunete fiabil și eficient.

Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt ușor de manipulat de ultrasonicators Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicators de înaltă performanță cu tehnologie de ultimă oră și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicators Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Modelele XRD de acoperire cu titan fabricate prin tratament termic al titanului lustruit (a) și al titanului lustruit tratat sonochimic (b); Imagini SEM ale suprafeței de titan lustruit (c) și ale suprafeței mezoporoase de dioxid de titan generate sonochimic (d). Sonicare a fost efectuată folosind sonicator UIP1000hdT.
(studiu și imagini: ©Kuvyrkov et al., 2018)