Sonokemično nanostrukturirani vsadki za izboljšano osteointegracijo

Vsadki, ortopedske proteze in zobni vsadki so izdelani predvsem iz titana in zlitin. Sonikacija se uporablja za ustvarjanje nanostrukturiranih površin na kovinskih vsadkih. Ultrazvočno nanostrukturiranje omogoča spreminjanje kovinskih površin z ustvarjanjem enakomerno porazdeljenih vzorcev nanometrskih velikosti na površinah vsadkov. Ti nanostrukturirani kovinski vsadki izkazujejo znatno izboljšano rast tkiva in osteointegracijo, kar vodi do višjih stopenj klinične uspešnosti.

Ultrazvočno nanostrukturirani vsadki za izboljšano osteointegracijo

Kovine, vključno s titanom in zlitinami, se zaradi ugodnih površinskih lastnosti pogosto uporabljajo pri izdelavi ortopedskih in zobnih vsadkov, saj omogočajo vzpostavitev biokompatibilnega stika s tkivi ob vsadku. Za optimizacijo delovanja teh vsadkov so bile razvite strategije za spreminjanje narave tega stika z uvedbo sprememb na površini v nanometrskem merilu. Takšne spremembe izrazito vplivajo na ključne vidike, vključno z adsorpcijo beljakovin, interakcijami med celicami in površino vsadka (interakcije med celicami in substratom) ter poznejšim razvojem okoliškega tkiva. Z natančnim načrtovanjem teh sprememb na nanometrski ravni si znanstveniki prizadevajo izboljšati biointegracijo in splošno učinkovitost vsadkov, kar vodi do boljših kliničnih izidov na področju implantologije.
 

Protokol za ultrazvočno nanostrukturiranje titanovih vsadkov

Več raziskav je dokazalo preprosto, a zelo učinkovito nanostrukturiranje površin titana in zlitin z ultrazvokom visoke intenzivnosti. Sonokemična obdelava (tj. ultrazvočna obdelava) povzroči nastanek hrapave plasti titanovega dioksida z gobasto strukturo, ki znatno izboljša proliferacijo celic.
Strukturiranje titanove površine s sonokemično obdelavo: titanove vzorce velikosti 20 × 20 × 0,5 mm so predhodno polirali in zaporedoma oprali z deionizirano vodo, acetonom in etanolom, da bi odstranili vse nečistoče. Nato so titanove vzorce ultrazvočno obdelali v raztopini NaOH s koncentracijo 5 m z ultrazvočno napravo Hielscher UIP1000hd, ki je delovala pri 20 kHz (glejte sliko levo). Sonikator je bil opremljen s sonotrodo BS2d22 (površina konice 3,8 cm2) in ojačevalnikom amplitude B4-1.4, ki je delovno amplitudo povečal za faktor 1,4. Mehanska amplituda je bila ≈81 μm. Ustvarjena intenzivnost je bila 200 W cm−2. Največja vhodna moč je bila 760 W, kar je rezultat množenja intenzivnosti s čelno površino (3,8 cm2) uporabljene sonotrode BS2d22. Titanove vzorce so pritrdili v teflonsko držalo lastne izdelave in jih obdelovali 5 min.
(prim. Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologija izvorne titanove površine (a), pogled od zgoraj in prečni prerez sonokemično izdelane mezoporozne površine titanovega dioksida (TMS) (b) ter pogled od zgoraj in prečni prerez nanocevk titanovega dioksida (TNT), pridobljenih z elektrokemično oksidacijo (c). Vstavljene slike prikazujejo sheme nanostrukturiranja površine. Shema prikazuje odlaganje hidroksiapatita (HA) v pore matrice titanovega dioksida (d–f). SEM-posnetki sonokemično nanostrukturirane titanove površine (TMS) in površine TNT s kemično odloženim HA: TMS-HA (g) oziroma TNT-HA (h).
(raziskava in slike: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mehanizem ultrazvočnega nanostrukturiranja kovinskih površin

Ultrazvočna obdelava kovinskih površin povzroči mehansko jedkanje titanovih površin, kar privede do nastanka mezoporozne strukture na titanu.
Mehanizem ultrazvočne obdelave temelji na akustični kavitaciji, ki nastane, ko se ultrazvočni valovi nizke frekvence in visoke intenzivnosti sklopijo v tekočino. Ko ultrazvok velike moči potuje skozi tekočino, nastajajo izmenični cikli visokega / nizkega tlaka. Med cikli nizkega tlaka v tekočini nastajajo drobni vakuumski mehurčki, tako imenovani kavitacijski mehurčki. Ti kavitacijski mehurčki rastejo skozi več tlačnih ciklov, dokler ne morejo več absorbirati dodatne energije. Na tej točki največje rasti mehurčka kavitacijski mehurček silovito implodira in ustvari mikrookolje z zelo visoko energijsko gostoto. Za polje akustične/ultrazvočne kavitacije z visoko energijsko gostoto so značilne velike razlike v tlaku in temperaturi, pri čemer tlaki dosežejo do 2.000atm, temperature pa približno 5000 K, ter hitri tekočinski curki s hitrostmi do 280m/sec in udarni valovi. Ko takšna kavitacija nastane v bližini kovinske površine, poleg mehanskih sil pride tudi do kemičnih reakcij.
V teh razmerah potekajo redoks reakcije, ki vodijo do oksidacijskih reakcij in nastanka plasti titanovega dioksida. Poleg nastajanja reaktivnih kisikovih zvrsti (ROS), ki so oksidirale titanovo površino, ultrazvočno povzročene oksidacijsko-redukcijske reakcije omogočajo učinkovito jedkanje površine, katerega rezultat je plast titanovega dioksida debeline 1 μm. To pomeni, da se titanov dioksid v alkalni raztopini delno raztaplja, pri čemer nastajajo neurejeno porazdeljene pore.
Sonokemična metoda ponuja hiter in vsestranski način izdelave nanostrukturiranih materialov, tako anorganskih kot organskih, ki jih s konvencionalnimi metodami pogosto ni mogoče pridobiti. Glavna prednost te tehnike je, da širjenje kavitacije v trdnih snoveh ustvarja velike lokalne temperaturne gradiente, kar pri sobnih pogojih privede do nastanka materialov s porozno plastjo in neurejenimi nanostrukturami. Poleg tega se lahko zunanje ultrazvočno obsevanje uporabi za sprožitev sproščanja enkapsuliranih biomolekul skozi pore v nanostrukturirani prevleki.
 

Shematski prikaz sonikacijske celice (a), shematski prikaz procesa strukturiranja površine med ultrazvočno obdelavo titanove površine v vodni alkalni raztopini (b) in nastale površine (c), fotografija titanovih vsadkov (d): zelenkasti vsadek (levi vzorec v roki) je vsadek po ultrazvočni obdelavi, rumenkasti (vzorec na desni) pa je nespremenjen vsadek.
(raziskava in slike: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Visokozmogljivi sonikatorji za nanostrukturiranje površin kovinskih vsadkov

Hielscher Ultrasonics ponuja celotno paleto sonikatorjev za uporabo na področju nanotehnologije, kot je nanostrukturiranje kovinskih površin (npr. titana in zlitin). Glede na material, površino in proizvodno zmogljivost pri izdelavi vsadkov vam Hielscher ponuja idealen sonikator in sonotrodo (sondo) za vašo uporabo nanostrukturiranja.
Ena glavnih prednosti sonikatorjev Hielscher je natančno uravnavanje amplitude in zmožnost zagotavljanja zelo visokih amplitud pri neprekinjenem delovanju 24/7. Amplituda, ki pomeni odmik ultrazvočne sonde, določa intenzivnost sonikacije) in je zato ključni parameter zanesljive in učinkovite ultrazvočne obdelave.

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost iz Nemčije

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke razmere in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so ultrazvočne naprave Hielscher skladne z zahtevami CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

XRD-difraktogrami prevleke titanovega dioksida, izdelane s toplotno obdelavo poliranega titana (a) in sonokemično obdelanega poliranega titana (b); SEM-posnetki polirane titanove površine (c) in sonokemično ustvarjene mezoporozne površine titanovega dioksida (d). Sonikacija je bila izvedena s sonikatorjem UIP1000hdT.
(raziskava in slike: ©Kuvyrkov et al., 2018)