Имплантаты, ортопедические протезы и зубные имплантаты изготавливаются в основном из титана и сплавов. Обработка ультразвуком используется для создания наноструктурированных поверхностей на металлических имплантатах. Ультразвуковое наноструктурирование позволяет модифицировать металлические поверхности, создавая равномерно распределенные наноразмерные узоры на поверхностях имплантатов. Эти наноструктурированные металлические имплантаты демонстрируют значительно улучшенный рост тканей и остеоинтеграцию, что приводит к улучшению показателей клинического успеха.

Ультразвуковые наноструктурированные имплантаты для улучшенной остеоинтеграции

Использование металлов, включая титан и сплавы, широко распространено при изготовлении ортопедических и зубных имплантатов из-за их благоприятных поверхностных свойств, позволяющих установить биосовместимый интерфейс с тканями периимплантата. Чтобы оптимизировать работу этих имплантатов, были разработаны стратегии по изменению природы этого интерфейса путем внедрения наноразмерных изменений на поверхности. Такие модификации оказывают заметное влияние на критические аспекты, включая адсорбцию белка, взаимодействие между клетками и поверхностью имплантата (клеточно-субстратные взаимодействия) и последующее развитие окружающих тканей. Точно проектируя эти изменения на нанометровом уровне, ученые стремятся улучшить биоинтеграцию и общую эффективность имплантатов, что приведет к улучшению клинических результатов в области имплантологии.
 

Протокол ультразвукового наноструктурирования титановых имплантатов

Несколько исследований продемонстрировали простое, но высокоэффективное наноструктурирование поверхностей титана и сплавов с использованием высокоинтенсивного ультразвука. Сонохимическая обработка (т.е. ультразвуковая обработка) приводит к образованию шероховатого слоя диоксида титана губчатой структуры, который, как видно, значительно усиливает пролиферацию клеток.
Структурирование поверхности титана с помощью сонохимической обработки: Образцы титана диаметром 20 × 20 × 0,5 мм предварительно шлифовали и промывали деионизированной водой, ацетоном и этанолом последовательно для устранения любых загрязнений. После этого образцы титана подвергались ультразвуковой обработке в 5-метровом растворе NaOH с использованием ультразвукового аппарата Hielscher UIP1000hd, работающего на частоте 20 кГц (см. Рисунок слева). Ультразвуковой аппарат был оснащен сонотродом BS2d22 (площадь поверхности наконечника 3,8 см2) и бустером B4-1,4, увеличивающим рабочую амплитуду в 1,4 раза. Механическая амплитуда составила ≈81 мкм. Генерируемая интенсивность составила 200 Вт·см−2. Максимальная потребляемая мощность составила 760 Вт в результате умножения интенсивности на фронтальную площадь (на 3,8 см2) использованного сонотрода BS2d22. Образцы титана фиксировали в самодельном тефлоновом держателе и обрабатывали в течение 5 мин.
(ср. Уласевич и др., 2020)
 

Морфология первозданной поверхности титана (а), сонохимически изготовленной мезопористой поверхности диоксида титана (ТМС) вид сверху и поперечное сечение (б), а также вид сверху и поперечное сечение нанотрубок диоксида титана (тротил), полученных электрохимическим окислением (в). На врезках показаны схемы наноструктурирования поверхности. Схема, показывающая осаждение гидроксиапатита (ГК) в поры матрицы диоксида титана (d-f). СЭМ-изображения сонохимических наноструктурированных поверхностей титана (ТМС) и ТНТ с химически осажденной ГК: ТМС-ГА (g) и TNT-HA (h) соответственно.
(исследование и изображения: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Механизм ультразвукового наноструктурирования металлических поверхностей

Ультразвуковая обработка металлических поверхностей приводит к механическому травлению титановых поверхностей, что вызывает образование мезопористой структуры на титане.
Механизм ультразвукового механизма основан на акустической кавитации, которая возникает, когда низкочастотные ультразвуковые волны высокой интенсивности соединяются в жидкость. Когда мощный ультразвук проходит через жидкость, образуются чередующиеся циклы высокого / низкого давления. Во время циклов низкого давления в жидкости возникают мельчайшие вакуумные пузырьки, так называемые кавитационные пузырьки. Эти кавитационные пузырьки растут в течение нескольких циклов давления, пока они не смогут поглощать дальнейшую энергию. В этой точке максимального роста пузырька кавитационный пузырь взрывается с сильным взрывом и создает высокоэнергетически плотную микросреду. Энергоемкое поле акустической/ультразвуковой кавитации характеризуется высокими перепадами давления и температуры с давлением до 2000 атм и температурой около 5000 К, высокоскоростными струями жидкостей со скоростями до 280 м/с и ударными волнами. Когда такая кавитация происходит вблизи металлической поверхности, происходят не только механические силы, но и химические реакции.
В этих условиях происходят окислительно-восстановительные реакции, приводящие к окислительным реакциям и образованию слоя диоксида. Помимо получения активных форм кислорода (АФК), которые окисляют поверхность титана, ультразвуковые окислительно-восстановительные реакции обеспечивают эффективное травление поверхности, в результате чего получается слой диоксида титана толщиной 1 мкм. Это означает, что диоксид титана частично растворяется в щелочном растворе, образуя поры, распределенные беспорядочно.
Сонохимический метод предлагает быстрый и универсальный способ изготовления наноструктурированных материалов, как неорганических, так и органических, которые часто недостижимы обычными методами. Основное преимущество этого метода заключается в том, что распространение кавитации генерирует большие локальные градиенты температуры в твердых телах, что приводит к получению материалов с пористым слоем и неупорядоченными наноструктурами в комнатных условиях. Кроме того, внешнее ультразвуковое облучение может быть использовано для запуска высвобождения инкапсулированных биомолекул через поры в наноструктурированном покрытии.
 

Схематическое изображение ультразвуковой ячейки (а), схематическое изображение процесса структурирования поверхности, происходящего при ультразвуковой обработке поверхности титана в водном щелочном растворе (б) и сформированной поверхности (в), фото титановых имплантатов (г): зеленоватый (левый образец в руке) - имплантат после ультразвуковой обработки, желтоватый (образец расположен справа) - немодифицированный имплантат.
(исследование и изображения: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для наноструктурирования металлических поверхностей имплантатов

Hielscher Ultrasonics предлагает полный спектр ультразвуковых аппаратов для нано-применений, таких как наноструктурирование металлических поверхностей (например, титана и сплавов). В зависимости от материала, площади поверхности и производительности имплантатов, Hielscher предлагает вам идеальный ультразвуковой аппарат и сонотрод (зонд) для вашего наноструктурирования.
Одним из основных преимуществ ультразвуковых аппаратов Hielscher является точный контроль амплитуды и способность обеспечивать очень высокие амплитуды при непрерывной работе 24/7. Амплитуда, которая является смещением ультразвукового зонда, отвечает за интенсивность обработки ультразвуком и, следовательно, является важнейшим параметром надежного и эффективного ультразвукового лечения.

Проектирование, производство и консалтинг – Качество Сделано в Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своим высочайшим качеством и стандартами дизайна. Надежность и простота в эксплуатации обеспечивают плавную интеграцию наших ультразвуковых аппаратов в промышленные объекты. Жесткие условия и требовательные условия легко обрабатываются ультразвуковыми аппаратами Hielscher.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, оснащенным самыми современными технологиями и удобством для пользователя. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.

Дифрактометрические модели титанового покрытия, изготовленные термической обработкой полированного титана (а) и сонохимически обработанного полированного титана (б); СЭМ-изображения полированной поверхности титана (c) и сонохимически генерируемой мезопористой поверхности диоксида титана (d). Обработка ультразвуком проводилась с использованием ультразвукового аппарата UIP1000hdT.
(исследование и изображения: ©Кувырков и др., 2018)