Sonochemicky nanoštruktúrované implantáty zlepšujúce oseointegráciu

Implantáty, ortopedické protézy a zubné implantáty sa vyrábajú prevažne z titánu a zliatin. Sonikácia sa používa na vytváranie nanoštruktúrovaných povrchov na kovových implantátoch. Ultrazvukové nanoštruktúrovanie umožňuje upravovať kovové povrchy vytváraním rovnomerne rozložených útvarov s nanometrovými rozmermi na povrchoch implantátov. Tieto nanoštruktúrované kovové implantáty vykazujú výrazne lepší rast tkaniva a oseointegráciu, čo vedie k vyššej miere klinickej úspešnosti.

Ultrazvukovo nanoštruktúrované implantáty na zlepšenie oseointegrácie

Kovy vrátane titánu a zliatin sa vo veľkej miere používajú pri výrobe ortopedických a zubných implantátov vďaka svojim priaznivým povrchovým vlastnostiam, ktoré umožňujú vytvorenie biokompatibilného rozhrania s periimplantátovými tkanivami. Na optimalizáciu funkčnosti týchto implantátov boli vyvinuté stratégie na úpravu charakteru tohto rozhrania prostredníctvom zmien povrchu v nanometrovej mierke. Takéto úpravy výrazne ovplyvňujú kľúčové aspekty vrátane adsorpcie proteínov, interakcií medzi bunkami a povrchom implantátu (interakcie bunka–substrát) a následného vývoja okolitého tkaniva. Presným navrhovaním týchto zmien na nanometrovej úrovni sa vedci usilujú zlepšiť biointegráciu a celkovú účinnosť implantátov, čo vedie k lepším klinickým výsledkom v oblasti implantológie.
 

Protokol ultrazvukového nanoštruktúrovania titánových implantátov

Viaceré výskumné štúdie preukázali jednoduché, no vysoko účinné nanoštruktúrovanie povrchov titánu a zliatin pomocou ultrazvuku s vysokou intenzitou. Sonochemické spracovanie (t. j. spracovanie ultrazvukom) vedie k vytvoreniu drsnej vrstvy oxidu titaničitého so špongiovitou štruktúrou, ktorá výrazne podporuje proliferáciu buniek.
Štruktúrovanie titánového povrchu sonochemickým spracovaním: Titánové vzorky s rozmermi 20 × 20 × 0,5 mm sa najprv vyleštili a postupne premyli deionizovanou vodou, acetónom a etanolom, aby sa odstránili všetky nečistoty. Následne sa titánové vzorky spracovali ultrazvukom v roztoku 5 m NaOH pomocou ultrazvukového prístroja Hielscher UIP1000hd pracujúceho pri frekvencii 20 kHz (pozri obrázok vľavo). Sonikátor bol vybavený sonotródou BS2d22 (plocha hrotu 3,8 cm2) a zosilňovačom amplitúdy B4-1.4, ktorý zvyšoval pracovnú amplitúdu 1,4-násobne. Mechanická amplitúda bola ≈81 μm. Vytvorená intenzita bola 200 W cm−2. Maximálny vstupný výkon bol 760 W, čo vyplývalo z vynásobenia intenzity čelnou plochou (3,8 cm2) použitej sonotródy BS2d22. Titánové vzorky sa upevnili do svojpomocne vyrobeného teflónového držiaka a spracovávali sa 5 min.
(porov. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfológia pôvodného titánového povrchu (a), pohľad zhora a priečny rez sonochemicky vytvoreným mezoporéznym povrchom oxidu titaničitého (TMS) (b) a pohľad zhora a priečny rez nanorúrkami oxidu titaničitého (TNT) získanými elektrochemickou oxidáciou (c). Vložené obrázky zobrazujú schémy nanoštruktúrovania povrchu. Schéma znázorňujúca ukladanie hydroxyapatitu (HA) do pórov matrice oxidu titaničitého (d–f). Snímky zo SEM zobrazujúce sonochemicky nanoštruktúrovaný titánový povrch (TMS) a povrch TNT s chemicky uloženým HA: TMS-HA (g) a TNT-HA (h) v uvedenom poradí.
(štúdia a obrázky: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mechanizmus ultrazvukového nanoštruktúrovania kovových povrchov

Ultrazvukové ošetrenie kovových povrchov vedie k mechanickému leptaniu titánových povrchov, ktoré spôsobuje vznik mezopórovitej štruktúry na titáne.
Ultrazvukový mechanizmus je založený na akustickej kavitácii, ku ktorej dochádza pri prenose nízkofrekvenčných ultrazvukových vĺn s vysokou intenzitou do kvapaliny. Keď kvapalinou prechádza vysokovýkonný ultrazvuk, vznikajú striedavé cykly vysokého a nízkeho tlaku. Počas cyklov nízkeho tlaku vznikajú v kvapaline nepatrné vákuové bubliny, takzvané kavitačné bubliny. Tieto kavitačné bubliny rastú počas niekoľkých tlakových cyklov, až kým už nedokážu absorbovať ďalšiu energiu. V tomto bode maximálneho rastu kavitačná bublina prudko imploduje a vytvorí mikroprostredie s veľmi vysokou hustotou energie. Pole akustickej/ultrazvukovej kavitácie s vysokou hustotou energie sa vyznačuje veľkými rozdielmi tlaku a teploty, pričom dosahuje tlaky až 2 000atm a teploty približne 5000 K, vysokorýchlostnými prúdmi kvapaliny s rýchlosťami až 280m/sec a rázovými vlnami. Keď k takejto kavitácii dochádza v blízkosti kovového povrchu, pôsobia nielen mechanické sily, ale prebiehajú aj chemické reakcie.
Za týchto podmienok prebiehajú redoxné reakcie, ktoré vedú k oxidačným reakciám a tvorbe vrstvy oxidu titaničitého. Okrem tvorby reaktívnych foriem kyslíka (ROS), ktoré oxidujú titánový povrch, zabezpečujú ultrazvukom vyvolané oxidačno-redukčné reakcie účinné leptanie povrchu, ktorého výsledkom je vrstva oxidu titaničitého s hrúbkou 1 μm. To znamená, že oxid titaničitý sa čiastočne rozpúšťa v alkalickom roztoku, pričom vznikajú neusporiadane rozmiestnené póry.
Sonochemická metóda ponúka rýchly a všestranný spôsob výroby anorganických aj organických nanoštruktúrovaných materiálov, ktoré sú konvenčnými metódami často nedosiahnuteľné. Hlavnou výhodou tejto techniky je, že šírenie kavitácie vytvára v tuhých látkach veľké lokálne teplotné gradienty, čo vedie k vzniku materiálov s pórovitou vrstvou a neusporiadanými nanoštruktúrami pri izbových podmienkach. Okrem toho možno vonkajšie ultrazvukové ožarovanie použiť na spustenie uvoľňovania enkapsulovaných biomolekúl cez póry v nanoštruktúrovanom povlaku.
 

Schematické znázornenie sonikačnej cely (a), schematické znázornenie procesu štruktúrovania povrchu, ktorý prebieha počas ultrazvukového ošetrenia titánového povrchu vo vodnom alkalickom roztoku (b), a vytvoreného povrchu (c), fotografia titánových implantátov (d): zelenkastý implantát (ľavá vzorka v ruke) je implantát po ultrazvukovom ošetrení, žltkastý implantát (vzorka umiestnená vpravo) je neupravený implantát.
(štúdia a obrázky: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Vysokovýkonné sonikátory na nanoštruktúrovanie kovových povrchov implantátov

Hielscher Ultrasonics ponúka kompletný sortiment sonikátorov na nanoaplikácie, ako je nanoštruktúrovanie kovových povrchov (napr. titánu a zliatin). V závislosti od materiálu, plochy povrchu a objemu výroby implantátov vám Hielscher ponúka ideálny sonikátor a sonotródu (sondu) pre vašu aplikáciu nanoštruktúrovania.
Jednou z hlavných výhod sonikátorov Hielscher je presná regulácia amplitúdy a schopnosť dosahovať veľmi vysoké amplitúdy v nepretržitej prevádzke 24/7. Amplitúda, ktorá predstavuje výchylku ultrazvukovej sondy, určuje intenzitu sonikácie, a preto je kľúčovým parametrom spoľahlivého a účinného ultrazvukového ošetrenia.

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojimi najvyššími štandardmi kvality a konštrukcie. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové prístroje Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

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

XRD difraktogramy povlaku oxidu titaničitého vytvoreného tepelným spracovaním lešteného titánu (a) a sonochemicky upraveného lešteného titánu (b); SEM snímky povrchu lešteného titánu (c) a sonochemicky vytvoreného mezoporézneho povrchu oxidu titaničitého (d). Sonikácia sa uskutočnila pomocou sonikátora UIP1000hdT.
(štúdia a snímky: ©Kuvyrkov et al., 2018)