Vsadki, ortopedne proteze in zobni vsadki so izdelani predvsem iz titana in zlitina. Sonication se uporablja za ustvarjanje nanostrukturnih površin na kovinskih vsadkov. Ultrazvočno nanostrukturiranje omogoča spreminjanje kovinskih površin, ki proizvajajo enakomerno porazdeljene vzorce nano velikosti na površinah implantata. Ti nanostrukturirani kovinski vsadki kažejo znatno izboljšano rast tkiv in osseointegration, kar vodi k izboljšanju kliničnih stopenj uspeha.

Ultrazvočno nanostrukturirani vsadki za izboljšano osseointegration

Izkoriščenost kovin, vključno s titanom in zlitinami, je zaradi ugodnih površinskih lastnosti, ki omogočajo vzpostavitev biokompatibilnega vmesnika s peri-implantacijskimi tkivi, prednostna pri izdelavi ortopedskih in zobnih vsadkov. Za optimizacijo učinkovitosti teh vsadkov so bile razvite strategije za spreminjanje narave tega vmesnika z izvajanjem nanoskalijskih sprememb na površini. Takšne spremembe pomembno vplivajo na kritične vidike, vključno z adsorpcijo beljakovin, interakcijami med celicami in površino implantata (interakcije celičnih substratov) in naslednjim razvojem okoliških tkiv. S tem, ko natančno izpeljejo te spremembe nanometrske ravni, si znanstveniki prizadevajo povečati biointegacijo in splošno učinkovitost vsadkov, kar vodi do izboljšanih kliničnih rezultatov na področju implantologije.
 

Protokol za ultrazvočno nanostrukturiranje vsadkov titana

Številne raziskave so pokazale preprosto, vendar visoko učinkovito nanostrukturiranje površin titana in zlitina z uporabo ultrazvoka visoke intenzivnosti. Sonokemično zdravljenje (to je ultrazvočno zdravljenje) vodi v nastanek grobe titania plasti spužve podobne strukture, kar kaže bistveno poveča proliferacijo celic.
Strukturiranje površine titana s sonokemično obdelavo: Vzorci titana 20 × 20 × 0,5 mm so bili predhodno polirani in oprani z deionizirano vodo, acetonom in etanolom zaporedoma za odpravo vseh kontaminantov. Potem so bili vzorci titana ultrazvočno obdelani v raztopini na 5 m NaOH z uporabo Hielscher ultrazvočnega UIP1000hd, ki je deloval pri 20 kHz (glejte sliko levo). Sonicator je bil opremljen s sonotrodo BS2d22 (površina konice 3,8 cm2) in ojačevalnikom B4-1,4, kar poveča delovno amplitudo 1,4-krat. Mehanska amplituda je bila ≈ 81 μm. Ustvarjena intenzivnost je bila 200 W cm−2. Največja moč vnosa je bila 760 W, ki je posledica pomnožitve intenzivnosti s čelnim območjem (s 3,8 cm2) uporabljene sonotrode BS2d22. Vzorci titana so bili določeni v domače teflonsko držalo in obdelani 5 min.
(prim. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologija neotesnjene površine titana (a), sonokemično izdelane mezoporozno površino titanija (TMS) zgoraj in križišče (b) ter zgornji in prerez titania nanocevk (TNT), pridobljenih z elektrokemično oksidacijo (c). Nastavitev prikazuje sheme površinskega nanostrukturiranja. Shema, ki prikazuje deponiranje hidroksiapatita (HA) v pore matrike titanie (d-f). SEM slike sonokemičnih nanostrukturnih površin titana (TMS) in TNT s kemično deponovanimi 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 povzroča nastanek mezoporozno strukturo na titanu.
Mehanizem ultrazvočnega mehanizma temelji na akustični kavitaciji, ki se pojavi, ko so nizko frekvenčni ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti skupaj s tekočino. Ko ultrazvok visoke moči potuje skozi tekočino, izmenično visokotlačni / nizkotlačni cikli nastajajo. Med nizkotlačni cikli minutni vakumski mehurčki se v tekočini pojavijo tako imenovani kavitacijni mehurčki. Ti mehurčki kavitacije rastejo v več tlačnih ciklih, dokler ne morejo absorbirati nobene nadaljnje energije. Na tej točki največje rasti mehurčkov kavitacijo mehurček implodi z nasilnim počilom in ustvarja zelo energetsko gosto mikro-okolje. Za energijsko gosto polje akustične/ultrazvočne kavitacije so značilni visokotlačni in temperaturni razliki, ki prikazujejo pritiske do 2.000atm in temperature približno 5000 K, visokohitrostna tekoča letala z hitrostjo do 280m/sek in udarnimi valovi. Ko se taka kavitacija pojavi v bližini kovinske površine, se ne pojavijo le mehanske sile, ampak tudi kemične reakcije.
V teh pogojih se redoks reakcije, ki vodijo do oksidativnih reakcij in tvorbe titania plasti. Poleg generiranja reaktivnih vrst kisika (ROS), ki so oksidizirale površino titana, ultrazvočno ustvarjene reakcije za zmanjšanje oksidacije zagotavljajo učinkovito površinsko jedko, ki ima za posledico pridobivanje titanovega dioksida debeline 1 μm. To pomeni, titanov dioksid se delno raztopi v alkalni raztopini, ki proizvaja pore porazdeljene motnje.
Sonokemična metoda ponuja hitro in vsestransko izdelavo nanostrukturnih materialov, tako anorganskih kot organskih, ki so pogosto neusmiljivi s konvencionalnimi metodami. Glavna prednost te tehnike je v tem, da razmnoževanje kavitacije ustvarja velike lokalne temperaturne gradiente v trdnih snoveh, kar ima za posledico materiale s porozno plastjo in neuredno nanostrukturami v sobnih pogojih. Poleg tega se lahko zunanje ultrazvočno obsevanje uporabi za sprožitev sproščanja enkapsuliranih biomolekulov skozi pore v nanostrukturirane premaz.
 

Shematska ilustracija celice za ultrazvočno razbijanje (a), shematska ilustracija procesa strukturiranja površine, ki poteka med ultrazvočno obdelavo površine titana v vodni alkalni raztopini (b) in oblikovani površini (c), fotografija titanovih vsadkov (d): zelenkast (levi vzorec v roki) je implantat po ultrazvočni obdelavi, rumenkast (vzorec se nahaja na desni) je nespremenjen vsadek.
(študija in slike: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Visokozmogljiv sonicatorji za nanostrukturiranje kovinskih vsadkov

Hielscher Ultrasonics ponuja celotno paleto sonicatorjev za nano-aplikacije, kot so nanostrukturiranje kovinskih površin (npr. titan in zlitina). Glede na material, površino in proizvodni pretočni vsadek vam Hielscher ponuja idealen sonikator in sonotrodo (sondo) za vas nanostrukturiranje.
Ena od glavnih prednosti Hielscher sonicatorjev je natančen nadzor amplitude in zmožnost zagotavljanja zelo visokih amplitud v neprekinjenem 24/7 obratovanju. Amplituda, ki je premik ultrazvočne sonde, je odgovorna za intenzivnost sonikacije) in zato ključni parameter zanesljivega in učinkovitega ultrazvočnega zdravljenja.

Oblikovanje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji

Hielscher ultrasonicatorji so dobro znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno delovanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnihtorjev v industrijske objekte. Z grobimi pogoji in zahtevnimi okolji lahko ravnajo Hielscher ultrasonicatorji.

Hielscher Ultrasonics je iso certificirano podjetje in dal poseben poudarek na visokozmogiji ultrasonicators, ki vključujejo najmotejšo tehnologijo in prijaznost uporabnika. Seveda, Hielscher ultrasonicators so CE skladni in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

XRD vzorci premaza titania, izdelani s toplotno obdelavo poliranega titana (a) in sonokemično obdelanega poliranega titana (b); SEM slike polirana površina titana (c) in sonokemično ustvarjene površine mezoporoza titanovega dioksida (d). Sonication so izvedli s sonicatorjem UIP1000hdT.
(študija in slike: ©Kuvyrkov et al., 2018)