Implanturi nanostructurate sonochimic care îmbunătățesc osteointegrarea

Implanturile, protezele ortopedice și implanturile dentare sunt fabricate în principal din titan și aliaje. Sonicarea este utilizată pentru a crea suprafețe nanostructurate pe implanturile metalice. Nanostructurarea cu ultrasunete permite modificarea suprafețelor metalice, generând modele de dimensiuni nanometrice distribuite uniform pe suprafețele implanturilor. Aceste implanturi metalice nanostructurate prezintă o creștere tisulară și o osteointegrare semnificativ îmbunătățite, ceea ce duce la rate de succes clinic îmbunătățite.

Implanturi nanostructurate cu ultrasunete pentru o osteointegrare îmbunătățită

Utilizarea metalelor, inclusiv a titanului și a aliajelor, este predominantă în fabricarea implanturilor ortopedice și dentare datorită proprietăților lor de suprafață favorabile, care permit stabilirea unei interfețe biocompatibile cu țesuturile periimplantare. Pentru a optimiza performanța acestor implanturi, au fost dezvoltate strategii de modificare a naturii acestei interfețe prin implementarea unor modificări la scară nanometrică la nivelul suprafeței. Astfel de modificări exercită o influență notabilă asupra unor aspecte critice, inclusiv adsorbția proteinelor, interacțiunile dintre celule și suprafața implantului (interacțiuni celulă-substrat) și dezvoltarea ulterioară a țesutului înconjurător. Prin proiectarea precisă a acestor modificări la nivel nanometric, oamenii de știință urmăresc să îmbunătățească biointegrarea și eficacitatea generală a implanturilor, conducând 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 foarte eficientă, a suprafețelor de titan și de aliaje cu ajutorul ultrasunetelor de intensitate ridicată. Tratamentul sonochimic (adică tratamentul cu ultrasunete) conduce la formarea unui strat rugos de dioxid de titan cu structură spongioasă, care stimulează semnificativ proliferarea celulară.
Structurarea suprafeței de titan prin tratament sonochimic: Probele de titan de 20 × 20 × 0,5 mm au fost în prealabil lustruite și spălate succesiv cu apă deionizată, acetonă și etanol pentru a elimina orice contaminanți. Ulterior, probele de titan au fost tratate cu ultrasunete în soluție de NaOH 5 m folosind ultrasonicatorul Hielscher UIP1000hd operat la 20 kHz (vedeți imaginea din stânga). Sonicatorul a fost echipat cu sonotroda BS2d22 (suprafața vârfului 3,8 cm2) și cu boosterul B4-1.4, care amplifică amplitudinea de lucru de 1,4 ori. Amplitudinea mecanică a fost de ≈81 μm. Intensitatea generată a fost de 200 W cm−2. Puterea maximă introdusă a fost de 760 W, rezultată din înmulțirea intensității cu aria frontală (de 3,8 cm2) a sonotrodei BS2d22 utilizate. Probele de titan au fost fixate într-un suport din Teflon de fabricație proprie și tratate timp de 5 min.
(cf. Ulasevich et al., 2020)

Morfologia suprafeței de titan netratate (a), vederea de sus și secțiunea transversală ale suprafeței mezoporoase de dioxid de titan (TMS) fabricate sonochimic (b), precum și vederea de sus și secțiunea transversală ale nanotuburilor de dioxid de titan (TNT) obținute prin oxidare electrochimică (c). Inserțiile prezintă schemele nanostructurării suprafeței. Schemă care arată depunerea hidroxiapatitei (HA) în porii matricei de dioxid de titan (d-f). Imagini SEM ale suprafețelor de titan nanostructurat sonochimic (TMS) și TNT cu HA depusă 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 conduce la gravarea mecanică a suprafețelor de titan, ceea ce determină formarea unei structuri mezoporoase pe titan.
Mecanismul tratamentului cu ultrasunete se bazează pe cavitația acustică, care apare atunci când undele ultrasonice de joasă frecvență și intensitate ridicată sunt cuplate într-un lichid. Când ultrasunetele de mare putere se propagă printr-un lichid, se generează cicluri alternante de presiune înaltă / presiune joasă. În timpul ciclurilor de presiune joasă apar în lichid bule minuscule de vid, așa-numitele bule de cavitație. Aceste bule de cavitație cresc pe parcursul mai multor cicluri de presiune până când nu mai pot absorbi energie suplimentară. În acest punct de creștere maximă a bulei, bula de cavitație implodează violent și creează un micromediu cu densitate energetică foarte ridicată. Câmpul cu densitate energetică ridicată al cavitației acustice/ultrasonice se caracterizează prin diferențe mari de presiune și temperatură, cu presiuni de până la 2.000atm și temperaturi de aprox. 5000 K, jeturi de lichid de mare viteză, cu viteze de până la 280m/sec, și unde de șoc. Când o astfel de cavitație apare în apropierea unei suprafețe metalice, apar nu numai forțe mecanice, ci și reacții chimice.
În aceste condiții au loc reacții redox care conduc la reacții oxidative și la formarea stratului de dioxid de titan. Pe lângă generarea speciilor reactive de oxigen (ROS) care au oxidat suprafața titanului, reacțiile de oxido-reducere generate cu ultrasunete asigură o gravare eficientă a suprafeței, care are ca rezultat obținerea unui strat de dioxid de titan cu grosimea de 1 μm. Aceasta înseamnă că dioxidul de titan se dizolvă parțial în soluția alcalină, generând pori distribuiți dezordonat.
Metoda sonochimică oferă o cale rapidă și versatilă pentru fabricarea materialelor nanostructurate, atât anorganice, cât și organice, care sunt adesea imposibil de obținut prin metode convenționale. Avantajul major al acestei tehnici este că propagarea cavitației generează gradienți locali mari de temperatură în solide, rezultând materiale cu un strat poros și nanostructuri dezordonate în condiții ambientale. În plus, iradierea externă cu ultrasunete poate fi utilizată pentru a declanșa eliberarea biomoleculelor încapsulate prin porii acoperirii nanostructurate.

Ilustrarea schematică a celulei de 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), fotografia implanturilor din titan (d): cel verzui (proba din stânga, ținută în mână) este implantul după tratamentul cu ultrasunete, cel gălbui (proba situată în dreapta) este implantul nemodificat.
(studiu și imagini: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Sonicatoare de înaltă performanță pentru nanostructurarea suprafețelor implanturilor metalice

Hielscher Ultrasonics oferă gama completă de sonicatoare pentru nanoaplicații, cum ar fi nanostructurarea suprafețelor metalice (de ex. titan și aliaje). În funcție de material, de suprafață și de capacitatea de procesare a producției de implanturi, Hielscher vă oferă sonicatorul și sonotroda (sonda) ideale pentru aplicația dumneavoastră de nanostructurare.
Unul dintre principalele avantaje ale sonicatoarelor Hielscher este controlul precis al amplitudinii și capacitatea de a furniza amplitudini foarte mari în funcționare continuă 24/7. Amplitudinea, care reprezintă deplasarea sonotrodei, determină intensitatea sonicării) și este, prin urmare, un parametru crucial pentru un tratament cu ultrasunete fiabil și eficient.

Proiectare, fabricație și consultanță – calitate Made in Germany

Ultrasonicatoarele Hielscher sunt cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și operarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicatoarelor noastre în instalațiile industriale. Condițiile dificile și mediile solicitante sunt gestionate cu ușurință de ultrasonicatoarele Hielscher.

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

Difractogramele XRD ale acoperirii de dioxid de titan obținute prin tratamentul termic al titanului lustruit (a) și al titanului lustruit tratat sonochimic (b); imagini SEM ale suprafeței de titan lustruite (c) și ale suprafeței mezoporoase de dioxid de titan generate sonochimic (d). Sonicarea a fost realizată cu sonicatorul UIP1000hdT.
(studiu și imagini: ©Kuvyrkov et al., 2018)