Sonochemicky nanoštruktúrované implantáty zlepšujúce oseointegráciu

Implantáty, ortopedické protézy a zubné implantáty sú vyrobené prevažne z titánu a zliatin. Sonikácia sa používa na vytváranie nanoštruktúrovaných povrchov na kovových implantátoch. Ultrazvukové nanoštruktúrovanie umožňuje modifikovať kovové povrchy a vytvárať rovnomerne rozložené nano-veľké vzory na povrchoch implantátov. Tieto nanoštruktúrované kovové implantáty vykazujú výrazne zlepšený rast tkanív a oseointegráciu, čo vedie k zlepšeniu klinickej úspešnosti.

Ultrazvukovo nanoštruktúrované implantáty pre lepšiu oseointegráciu

Pri výrobe ortopedických a zubných implantátov prevláda využitie kovov vrátane titánu a zliatin vďaka ich priaznivým povrchovým vlastnostiam, ktoré umožňujú vytvorenie biokompatibilného rozhrania s tkanivami v obvode implantátu. Na optimalizáciu výkonu týchto implantátov boli vyvinuté stratégie na úpravu povahy tohto rozhrania implementáciou nanozmien na povrchu. Takéto modifikácie majú významný vplyv na kritické aspekty, vrátane adsorpcie proteínov, interakcií medzi bunkami a povrchom implantátu (interakcie bunka-substrát) a následného vývoja okolitého tkaniva. Presným inžinierstvom týchto zmien na úrovni nanometrov sa vedci snažia zlepšiť biointegráciu a celkovú účinnosť implantátov, čo vedie k zlepšeniu klinických výsledkov v oblasti implantológie.
 

Protokol pre ultrazvukové nanoštruktúrovanie titánových implantátov

Niekoľko výskumných štúdií preukázalo jednoduchú, ale vysoko účinnú nanoštruktúru povrchov titánu a zliatin pomocou ultrazvuku s vysokou intenzitou. Sonochemická úprava (t. j. ultrazvuková úprava) vedie k vytvoreniu hrubej titánovej vrstvy špongiovitej štruktúry, ktorá výrazne zvyšuje proliferáciu buniek.
Štruktúrovanie povrchu titánu sonochemickou úpravou: Vzorky titánu s rozmermi 20 × 20 × 0,5 mm boli predtým vyleštené a postupne premyté deionizovanou vodou, acetónom a etanolom, aby sa odstránili všetky nečistoty. Potom boli vzorky titánu ultrazvukovo ošetrené v 5 m roztoku NaOH pomocou ultrazvukového prístroja Hielscher UIP1000hd pracujúceho na 20 kHz (pozri obrázok vľavo). Sonikátor bol vybavený sonotródou BS2d22 (plocha hrotu 3,8 cm2) a zosilňovačom B4-1,4, ktorý zväčšil pracovnú amplitúdu 1,4-krát. Mechanická amplitúda bola ≈81 μm. Generovaná intenzita bola 200 W cm−2. Maximálny príkon bol 760 W vyplývajúci z vynásobenia intenzity s čelnou plochou (s 3,8 cm2) použitej sonotródy BS2d22. Vzorky titánu boli fixované v domácom teflónovom držiaku a ošetrené 5 minút.
(porovnaj Ulasevich et al., 2020)
 

Morfológia nedotknutého titánového povrchu (a), sonochemicky vyrobeného mezoporézneho povrchu titánu (TMS) zhora a prierez (b) a pohľad zhora a prierez titánových nanorúrok (TNT) získaných elektrochemickou oxidáciou (c). Vložky zobrazujú schémy povrchovej nanoštruktúry. Schéma znázorňujúca ukladanie hydroxyapatitu (HA) do pórov titánovej matrice (d-f). SEM snímky sonochemického nanoštruktúrovaného titánu (TMS) a TNT povrchov s chemicky naneseným HA: TMS-HA (g) a TNT-HA (h).
(štúdia a obrázky: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mechanizmus ultrazvukového nanoštruktúrovania kovových povrchov

Ultrazvuková úprava kovových povrchov vedie k mechanickému leptaniu titánových povrchov, čo spôsobuje tvorbu mezoporéznej štruktúry na titáne.
Mechanizmus ultrazvukového mechanizmu je založený na akustickej kavitácii, ku ktorej dochádza, keď sa nízkofrekvenčné ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou spoja do kvapaliny. Keď vysokovýkonný ultrazvuk prechádza kvapalinou, vytvárajú sa striedavé vysokotlakové / nízkotlakové cykly. Počas nízkotlakových cyklov vznikajú v kvapaline nepatrné vákuové bubliny, takzvané kavitačné bubliny. Tieto kavitačné bubliny rastú počas niekoľkých tlakových cyklov, až kým nedokážu absorbovať žiadnu ďalšiu energiu. V tomto bode maximálneho rastu bublín kavitačná bublina imploduje prudkým prasknutím a vytvára vysoko energeticky husté mikroprostredie. Energeticky husté pole akustickej / ultrazvukovej kavitácie sa vyznačuje vysokými tlakovými a teplotnými rozdielmi s tlakmi až 2 000 atm a teplotami cca. 5000 K, vysokorýchlostnými kvapalinovými tryskami s rýchlosťou až 280 m/s a rázovými vlnami. Keď k takejto kavitácii dochádza v blízkosti kovového povrchu, dochádza nielen k mechanickým silám, ale aj k chemickým reakciám.
Za týchto podmienok prebiehajú redoxné reakcie vedúce k oxidačným reakciám a tvorbe titánovej vrstvy. Okrem generovania reaktívnych foriem kyslíka (ROS), ktoré oxidovali povrch titánu, ultrazvukom generované oxidačno-redukčné reakcie poskytujú účinné povrchové leptanie, ktoré vedie k získaniu vrstvy oxidu titaničitého s hrúbkou 1 μm. To znamená, že oxid titaničitý sa čiastočne rozpúšťa v alkalickom roztoku a vytvára póry rozložené neusporiadane.
Sonochemická metóda ponúka rýchlu a všestrannú výrobu nanoštruktúrovaných materiálov, anorganických aj organických, ktoré sú často nedosiahnuteľné konvenčnými metódami. Hlavnou výhodou tejto techniky je, že šírenie kavitácie vytvára veľké lokálne teplotné gradienty v pevných látkach, čo vedie k materiálom s pórovitou vrstvou a neusporiadanými nanoštruktúrami v izbových podmienkach. Okrem toho sa vonkajšie ultrazvukové ožarovanie môže použiť na spustenie uvoľňovania zapuzdrených biomolekúl cez póry v nanoštruktúrovanom povlaku.
 

Schematické znázornenie sonikačnej bunky (a), Schematické znázornenie procesu štruktúrovania povrchu prebiehajúceho počas ultrazvukového ošetrenia povrchu titánu vo vodnom alkalickom roztoku (b) a vytvoreného povrchu (c), fotografia titánových implantátov (d): nazelenalý (ľavá vzorka v ruke) je implantovaný po ultrazvukovom ošetrení, žltkastý (vzorka je umiestnená vpravo) je nemodifikovaný implantát.
(štúdia a obrázky: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Vysokovýkonné sonikátory na nanoštruktúrovanie kovových povrchov implantátov

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ponúka celý rad sonikátorov pre nanoaplikácie, ako je nanoštruktúrovanie kovových povrchov (napr. titán a zliatiny). V závislosti od materiálu, povrchu a výrobnej kapacity implantátov vám spoločnosť Hielscher ponúka ideálny sonikátor a sonotródu (sondu) pre vašu aplikáciu nanoštruktúrovania.
Jednou z hlavných výhod sonikátorov Hielscher je presná regulácia amplitúdy a schopnosť poskytovať veľmi vysoké amplitúdy v nepretržitej prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Amplitúda, ktorá je posunom ultrazvukovej sondy, je zodpovedná za intenzitu sonikácie), a preto je rozhodujúcim parametrom spoľahlivého a účinného ultrazvukového ošetrenia.

Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie ľahko zvládnu ultrazvukové prístroje Hielscher.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

XRD vzory titánového povlaku vyrobené tepelným spracovaním lešteného titánu (a) a sonochemicky upraveného lešteného titánu (b); SEM snímky lešteného titánového povrchu (c) a sonochemicky generovaného mezoporézneho povrchu oxidu titaničitého (d). Sonikácia bola vykonaná pomocou sonikátora UIP1000hdT.
(štúdia a obrázky: ©Kuvyrkov et al., 2018)