Sonokemično nanostrukturirani vsadki za izboljšanje oseointegracije

Implantati, ortopedske proteze in zobni implantati so izdelani predvsem iz titana in zlitin. Sonication se uporablja za ustvarjanje nanostrukturiranih površin na kovinskih vsadkih. Ultrazvočno nanostrukturiranje omogoča spreminjanje kovinskih površin, ki ustvarjajo enakomerno porazdeljene nano-velike vzorce na površinah vsadkov. Ti nanostrukturirani kovinski vsadki kažejo znatno izboljšano rast tkiva in oseointegracijo, kar vodi do izboljšane stopnje klinične uspešnosti.

Ultrazvočno nanostrukturirani vsadki za boljšo oseointegracijo

Uporaba kovin, vključno s titanom in zlitinami, prevladuje pri izdelavi ortopedskih in zobnih implantatov zaradi njihovih ugodnih površinskih lastnosti, ki omogočajo vzpostavitev biokompatibilnega vmesnika s tkivi znotraj implantata. Za optimizacijo delovanja teh vsadkov so bile razvite strategije za spreminjanje narave tega vmesnika z izvajanjem nanoskalnih sprememb na površini. Takšne spremembe imajo opazen vpliv na kritične vidike, vključno z adsorpcijo beljakovin, interakcijami med celicami in površino vsadka (interakcije celica-substrat) in kasnejšim razvojem okoliškega tkiva. Z natančnim inženiringom teh nanometrskih sprememb si znanstveniki prizadevajo izboljšati biointegracijo in splošno učinkovitost vsadkov, kar vodi do izboljšanih kliničnih rezultatov na področju implantologije.
 

Protokol za ultrazvočno nanostrukturiranje titanovih implantatov

Več raziskovalnih študij je pokazalo preprosto, a visoko učinkovito nanostrukturiranje titanovih in zlitinskih površin z uporabo ultrazvoka visoke intenzivnosti. Sonokemična obdelava (tj. Ultrazvočna obdelava) vodi do nastanka grobe titanijeve plasti spužvaste strukture, ki znatno poveča proliferacijo celic.
Strukturiranje titanove površine s sonokemično obdelavo: Vzorci titana 20 × 20 × 0,5 mm so bili predhodno polirani in oprani z deionizirano vodo, acetonom in etanolom, da se odstranijo morebitna onesnaževalca. Nato so bili vzorci titana ultrazvočno obdelani v 5 m raztopini NaOH z uporabo Hielscherjevega ultrazvočnega UIP1000hd, ki deluje pri 20 kHz (glej sliko levo). Sonikator je bil opremljen s sonotrodo BS2d22 (površina konice 3,8 cm2) in pospeševalnikom B4-1,4, ki je povečal delovno amplitudo 1,4-krat. Mehanska amplituda je bila ≈81 μm. Ustvarjena intenzivnost je bila 200 W cm−2. Največja vhodna moč je bila 760 W, ki je posledica množenja intenzivnosti s čelno površino (s 3,8 cm2) uporabljene sonotrode BS2d22. Vzorci titana so bili fiksirani v domačem teflonskem držalu in obdelani 5 minut.
(prim. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologija neokrnjene titanove površine (a), sonokemično izdelane mezoporozne površine titana (TMS) od zgoraj in prerez (b) ter pogled od zgoraj in prerez titanovih nanocevk (TNT), dobljenih z elektrokemično oksidacijo (c). Vstavki prikazujejo sheme površinskega nanostrukturiranja. Shema, ki prikazuje odlaganje hidroksiapatita (HA) v pore titanijeve matrice (d-f). SEM slike sonokemičnih nanostrukturiranih površin titana (TMS) in TNT s kemično deponiranim HA: TMS-HA (g) in TNT-HA (h).
(študija in slike: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mehanizem ultrazvočnega nanostrukturiranja kovinskih površin

Ultrazvočna obdelava kovinskih površin vodi do mehanskega jedkanja titanovih površin, kar povzroči nastanek mezoporozne strukture na titanu.
Mehanizem ultrazvočnega mehanizma temelji na akustični kavitaciji, ki se pojavi, ko se nizkofrekvenčni, visoko intenzivni ultrazvočni valovi povežejo v tekočino. Ko ultrazvok visoke moči potuje skozi tekočino, nastanejo izmenični visokotlačni / nizkotlačni cikli. Med nizkotlačnimi cikli v tekočini nastanejo minutni vakuumski mehurčki, tako imenovani kavitacijski mehurčki. Ti kavitacijski mehurčki rastejo v več tlačnih ciklih, dokler ne morejo absorbirati nadaljnje energije. Na tej točki največje rasti mehurčkov kavitacijski mehurček implodira z nasilnim izbruhom in ustvari zelo energijsko gosto mikrookolje. Za energetsko gosto polje akustične / ultrazvočne kavitacije so značilne visoke tlačne in temperaturne razlike, ki kažejo tlake do 2.000 atm in temperature približno 5000 K, hitre tekočine s hitrostjo do 280 m / s in udarni valovi. Ko se takšna kavitacija pojavi v bližini kovinske površine, se pojavijo ne le mehanske sile, temveč tudi kemijske reakcije.
V teh pogojih potekajo redoks reakcije, ki vodijo do oksidativnih reakcij in tvorbe titanijeve plasti. Poleg ustvarjanja reaktivnih kisikovih vrst (ROS), ki oksidirajo površino titana, ultrazvočno generirane oksidacijsko-redukcijske reakcije zagotavljajo učinkovito površinsko jedkanje, ki ima za posledico pridobivanje plasti titanovega dioksida debeline 1 μm. To pomeni, da se titanov dioksid delno raztopi v alkalni raztopini, pri čemer se neurejeno porazdelijo pore.
Sonokemična metoda ponuja hitro in vsestransko izdelavo nanostrukturiranih materialov, tako anorganskih kot organskih, ki jih pogosto ni mogoče doseči s konvencionalnimi metodami. Glavna prednost te tehnike je, da širjenje kavitacije ustvarja velike lokalne temperaturne gradiente v trdnih snoveh, kar ima za posledico materiale s porozno plastjo in neurejenimi nanostrukturami v sobnih pogojih. Poleg tega se lahko zunanje ultrazvočno obsevanje uporabi za sprožitev sproščanja inkapsuliranih biomolekul skozi pore v nanostrukturirani prevleki.
 

Shematski prikaz ultrazvočne celice (a), Shematski prikaz procesa strukturiranja površine, ki poteka med ultrazvočno obdelavo titanove površine v vodni alkalni raztopini (b) in oblikovane površine (c), fotografija titanovih vsadkov (d): zelenkasta (levi vzorec v roki) je vsadek po ultrazvočni obdelavi, rumenkasta (vzorec se nahaja na desni) je nemodificiran vsadek.
(študija in slike: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Visoko zmogljivi zvočni aparati za nanostrukturiranje kovinskih površin vsadkov

Hielscher Ultrasonics ponuja celotno paleto zvočnih zvočnikov za nano-aplikacije, kot je nanostrukturiranje kovinskih površin (npr. Titan in zlitine). Glede na material, površino in proizvodno zmogljivost implantatov vam Hielscher ponuja idealen sonikator in sonotrodo (sondo) za vašo nano-strukturirano aplikacijo.
Ena glavnih prednosti Hielscher sonicatorjev je natančen nadzor amplitude in sposobnost zagotavljanja zelo visokih amplitud v neprekinjenem delovanju 24/7. Amplituda, ki je premik ultrazvočne sonde, je odgovorna za intenzivnost ultrazvočne obdelave) in zato ključni parameter zanesljivega in učinkovitega ultrazvočnega zdravljenja.

Projektiranje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji

Hielscher ultrazvočni aparati so znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno integracijo naših ultrazvočnih aparatov v industrijske objekte. Težke pogoje in zahtevna okolja zlahka obvladajo Hielscher ultrasonicatorji.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim aparatom z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so Hielscher ultrazvočni aparati skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

XRD vzorci titanijeve prevleke, izdelani s toplotno obdelavo poliranega titana (a) in sonokemično obdelanega poliranega titana (b); SEM slike polirane titanove površine (c) in sonokemično generirane mezoporozne površine titanovega dioksida (d). Sonication je bil izveden z uporabo sonicatorja UIP1000hdT.
(študija in slike: ©Kuvyrkov et al., 2018)