Имплантаты с сонохимически наноструктурированной поверхностью для улучшения остеоинтеграции

Имплантаты, ортопедические протезы и дентальные имплантаты изготавливают преимущественно из титана и сплавов. Обработку ультразвуком используют для создания наноструктурированных поверхностей металлических имплантатов. Ультразвуковое наноструктурирование позволяет модифицировать металлические поверхности, формируя на поверхности имплантатов равномерно распределённые наноразмерные структуры. Такие наноструктурированные металлические имплантаты демонстрируют значительно улучшенный рост тканей и остеоинтеграцию, что повышает показатели клинического успеха.

Имплантаты с ультразвуковой наноструктурированной поверхностью для улучшения остеоинтеграции

Металлы, включая титан и сплавы, широко используются при изготовлении ортопедических и дентальных имплантатов благодаря благоприятным свойствам их поверхности, позволяющим сформировать биосовместимую границу раздела с периимплантными тканями. Для оптимизации работы этих имплантатов разработаны стратегии изменения характера этой границы раздела путём внесения наноразмерных изменений в поверхность. Такие модификации оказывают заметное влияние на важнейшие аспекты, включая адсорбцию белков, взаимодействия между клетками и поверхностью имплантата (взаимодействия клеток с субстратом) и последующее развитие окружающей ткани. Точно управляя этими изменениями на нанометровом уровне, учёные стремятся улучшить биоинтеграцию и общую эффективность имплантатов, что приводит к улучшению клинических результатов в области имплантологии.
 

Протокол ультразвукового наноструктурирования титановых имплантатов

Несколько исследований продемонстрировали простое, но высокоэффективное наноструктурирование поверхностей титана и сплавов с помощью высокоинтенсивного ультразвука. Сонохимическая обработка (то есть обработка ультразвуком) приводит к образованию шероховатого слоя диоксида титана с губчатой структурой, который значительно усиливает пролиферацию клеток.
Структурирование поверхности титана посредством сонохимической обработки: образцы титана размером 20 × 20 × 0,5 mm предварительно полировали и последовательно промывали деионизированной водой, ацетоном и этанолом для удаления любых загрязнений. Затем образцы титана обрабатывали ультразвуком в растворе NaOH 5 m с помощью ультразвукового аппарата Hielscher UIP1000hd, работающего на частоте 20 kHz (см. изображение слева). Ультразвуковой аппарат был оснащён сонотродом BS2d22 (площадь поверхности наконечника 3,8 cm2) и бустером B4-1.4, увеличивающим рабочую амплитуду в 1,4 раза. Механическая амплитуда составляла ≈81 μm. Создаваемая интенсивность составляла 200 W cm−2. Максимальная подводимая мощность составляла 760 W и определялась умножением интенсивности на площадь торцевой поверхности (3,8 cm2) используемого сонотрода BS2d22. Образцы титана закрепляли в самодельном тефлоновом держателе и обрабатывали в течение 5 min.
(см. Ulasevich et al., 2020)
 

Морфология исходной поверхности титана (a), вид сверху и поперечное сечение сонохимически полученной мезопористой поверхности диоксида титана (TMS) (b), а также вид сверху и поперечное сечение нанотрубок диоксида титана (TNT), полученных электрохимическим окислением (c). На вставках представлены схемы наноструктурирования поверхности. Схема осаждения гидроксиапатита (HA) в поры матрицы диоксида титана (d–f). Изображения, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (SEM), сонохимически наноструктурированной поверхности титана (TMS) и поверхности TNT с химически осаждённым HA: соответственно TMS-HA (g) и TNT-HA (h).
(исследование и изображения: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Механизм ультразвукового наноструктурирования металлических поверхностей

Обработка металлических поверхностей ультразвуком приводит к механическому травлению поверхности титана, вызывающему образование мезопористой структуры на титане.
Механизм ультразвуковой обработки основан на акустической кавитации, которая возникает при передаче в жидкость низкочастотных высокоинтенсивных ультразвуковых волн. При распространении мощного ультразвука через жидкость возникают чередующиеся циклы высокого и низкого давления. Во время циклов низкого давления в жидкости возникают мельчайшие вакуумные пузырьки, называемые кавитационными пузырьками. Эти кавитационные пузырьки растут в течение нескольких циклов давления, пока не перестают поглощать дополнительную энергию. В момент максимального роста кавитационный пузырёк резко схлопывается и создаёт микросреду с очень высокой плотностью энергии. Поле акустической/ультразвуковой кавитации с высокой плотностью энергии характеризуется большими перепадами давления и температуры, при этом давление достигает 2 000atm, а температура составляет приблизительно 5000 K; также возникают высокоскоростные струи жидкости со скоростями до 280m/sec и ударные волны. Когда такая кавитация возникает вблизи металлической поверхности, действуют не только механические силы, но и протекают химические реакции.
В этих условиях протекают окислительно-восстановительные реакции, приводящие к реакциям окисления и образованию слоя диоксида титана. Помимо образования активных форм кислорода (ROS), которые окисляют поверхность титана, вызванные ультразвуком окислительно-восстановительные реакции обеспечивают эффективное травление поверхности, в результате которого образуется слой диоксида титана толщиной 1 μm. Это означает, что диоксид титана частично растворяется в щелочном растворе, образуя беспорядочно распределённые поры.
Сонохимический метод представляет собой быстрый и универсальный способ получения наноструктурированных материалов, как неорганических, так и органических, которые зачастую невозможно получить традиционными методами. Основное преимущество этой технологии заключается в том, что распространение кавитации создаёт большие локальные градиенты температуры в твёрдых телах, в результате чего в комнатных условиях образуются материалы с пористым слоем и неупорядоченными наноструктурами. Кроме того, внешнее ультразвуковое воздействие можно использовать для запуска высвобождения инкапсулированных биомолекул через поры наноструктурированного покрытия.
 

Схематическое изображение ячейки для обработки ультразвуком (a), схематическое изображение процесса структурирования поверхности, происходящего при обработке поверхности титана ультразвуком в водном щелочном растворе (b), и сформированная поверхность (c), фотография титановых имплантатов (d): зеленоватый имплантат (левый образец в руке) – после обработки ультразвуком, желтоватый имплантат (образец справа) – немодифицированный.
(исследование и изображения: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для наноструктурирования металлических поверхностей имплантатов

Hielscher Ultrasonics предлагает полный ассортимент ультразвуковых аппаратов для нанотехнологических применений, таких как наноструктурирование металлических поверхностей (например, титана и сплавов). В зависимости от материала, площади поверхности и производительности изготовления имплантатов Hielscher предлагает вам идеальный ультразвуковой аппарат и сонотрод (зонд) для вашей задачи наноструктурирования.
Одно из основных преимуществ ультразвуковых аппаратов Hielscher – точное регулирование амплитуды и возможность обеспечивать очень высокие амплитуды при непрерывной работе в режиме 24/7. Амплитуда, представляющая собой смещение ультразвукового зонда, определяет интенсивность обработки ультразвуком) и поэтому является важнейшим параметром надёжной и эффективной ультразвуковой обработки.

Проектирование, производство и консультирование – качество из Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher известны высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные предприятия. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями эксплуатации и высокими требованиями рабочей среды.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, сочетающим передовые технологии и удобство использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и отвечают требованиям UL, CSA и RoHs.

Рентгеновские дифрактограммы (XRD) покрытия из диоксида титана, полученного термической обработкой полированного титана (a) и сонохимически обработанного полированного титана (b); изображения, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (SEM), полированной поверхности титана (c) и сонохимически сформированной мезопористой поверхности диоксида титана (d). Обработку ультразвуком проводили с помощью ультразвукового аппарата UIP1000hdT.
(исследование и изображения: ©Kuvyrkov et al., 2018)