Сонохимически наноструктурированные имплантаты, улучшающие остеоинтеграцию

Имплантаты, ортопедические протезы и зубные имплантаты изготавливаются в основном из титана и сплавов. Ультразвуковая обработка 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, в том числе титана и сплавов, преобладает при изготовлении ортопедических и дентальных имплантатов благодаря их благоприятным поверхностным свойствам, позволяющим создать биосовместимую границу с тканями периимплантата. Для оптимизации производительности 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 (взаимодействие между клеткой и субстратом) и последующее развитие окружающей ткани. Точно разрабатывая 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 научных исследований продемонстрировали простое, но высокоэффективное наноструктурирование поверхностей из титана и сплавов с помощью ультразвука высокой интенсивности. Сонохимическая обработка (т.е. ультразвуковая обработка) приводит к образованию шероховатого титанового слоя губчатой структуры, который значительно усиливает пролиферацию клеток.
Структурирование титановой поверхности с помощью сонохимической обработки: образцы титана размером от 20 × 20 × 0,5 мм предварительно отполировали и последовательно промывали деионизированной водой, ацетоном и этанолом для удаления любых загрязнений. После этого образцы титана подвергались ультразвуковой обработке в 5-метровом растворе NaOH с помощью ультразвукового аппарата Hielscher UIP1000hd, работающего на частоте 20 кГц (см. рисунок слева). Ультразвуковой аппарат оснащался сонотродом BS2d22 (площадь поверхности наконечника 3,8 см2) и усилителем В4-1,4, увеличивающим рабочую амплитуду в 1,4 раза. Механическая амплитуда составила ≈81 мкм. Интенсивность генерации составила 200 Вт см-2. Максимальная потребляемая мощность составила 760 Вт, полученная в результате умножения интенсивности на площадь лоба (на 3,8 см2) используемого сонотрода BS2d22. Титановые образцы были закреплены в самодельном тефлоновом держателе и обработаны в течение 5 мин.
(ср. Уласевич и др., 2020)
 

Морфология первозданной титановой поверхности (a), сонохимически изготовленной мезопористой поверхности титана (TMS) вид сверху и поперечное сечение (b), а также вид сверху и поперечное сечение титановых нанотрубок (TNT), полученных электрохимическим окислением (c). На врезках представлены схемы наноструктурирования поверхности. Схема, показывающая осаждение гидроксиапатита (HA) в поры титановой матрицы (d-f). СЭМ-изображения сонохимических наноструктурированных поверхностей титана (ТМС) и тротила с химически осажденными HA: TMS-HA(g) и TNT-HA (h) соответственно.
(исследование и фото: ©Кувырков и др., 2020)

Механизм ультразвукового наноструктурирования металлических поверхностей

Ультразвуковая обработка металлических поверхностей приводит к механическому травлению титановых поверхностей, что приводит к образованию на титане мезопористой структуры.
Механизм ультразвукового механизма основан на акустической кавитации, которая происходит, когда низкочастотные ультразвуковые волны высокой интенсивности соединяются с жидкостью. Когда мощный ультразвук проходит через жидкость, образуются чередующиеся циклы высокого и 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 не смогут поглощать дальнейшую энергию. В этой точке максимального роста пузыря кавитационный пузырь взрывается с сильным взрывом и создает высокоэнергоемкое микроокружение. Энергоемкое поле акустической/ультразвуковой кавитации характеризуется высокими перепадами давлений и температур с давлением до 2 000 атм и температурой около 5000 К, высокоскоростными струями жидкостей со скоростью до 280 м/с и ударными волнами. Когда такая кавитация происходит вблизи металлической поверхности не только механических сил, но и химических реакций.
В этих условиях протекают окислительно-восстановительные реакции, приводящие к окислительным реакциям и образованию слоя титана. Помимо образования активных форм кислорода (АФК), которые окисляют поверхность титана, ультразвуковые окислительно-восстановительные реакции обеспечивают эффективное поверхностное травление, в результате которого 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 с помощью обычных методов. Основное преимущество этого метода заключается в том, что распространение кавитации создает большие локальные градиенты температуры в твердых телах, в результате чего в комнатных условиях образуются материалы с пористым слоем и неупорядоченными наноструктурами. Кроме того, внешнее ультразвуковое облучение может быть использовано для запуска высвобождения инкапсулированных биомолекул через поры в наноструктурированном покрытии.
 

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

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для наноструктурирования металлических поверхностей имплантатов

Hielscher Ultrasonics предлагает полный ассортимент ультразвуковых аппаратов для нано-приложений, 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 нанесения наноструктурирования.
Одним из основных преимуществ ультразвуковых аппаратов Hielscher является точное управление амплитудой и способность выдавать очень высокие амплитуды в непрерывной работе в режиме 24/7. Амплитуда, которая представляет собой смещение ультразвукового зонда, отвечает за интенсивность ультразвукового преобразователя и, следовательно, является важнейшим параметром надежного и эффективного ультразвукового лечения.

Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.

Дифракционные модели титанового покрытия, изготовленные термической обработкой из полированного титана (a) и полированного титана, подвергнутого сонохимической обработке (b); СЭМ-изображения полированной титановой поверхности (c) и сонохимически сгенерированной мезопористой поверхности диоксида титана (d). Ультразвуковая обработка проводилась с помощью ультразвукового аппарата UIP1000hdT.
(исследование и изображения: ©Кувырков и др., 2018)