Implante të nanostrukturuara në mënyrë sonokimike që përmirësojnë osteointegrimin

Implantet, protezat ortopedike dhe implantet dentare prodhohen kryesisht nga titani dhe aliazhet. Trajtimi me ultratinguj përdoret për të krijuar sipërfaqe të nanostrukturuara në implantet metalike. Nanostrukturimi me ultratinguj mundëson modifikimin e sipërfaqeve metalike, duke krijuar struktura me përmasa nanometrike të shpërndara në mënyrë uniforme në sipërfaqet e implanteve. Këto implante metalike të nanostrukturuara shfaqin rritje të indeve dhe osteointegrim dukshëm më të mirë, duke çuar në norma më të larta suksesi klinik.

Implante të nanostrukturuara me ultratinguj për osteointegrim më të mirë

Përdorimi i metaleve, përfshirë titanin dhe aliazhet, është i përhapur në prodhimin e implanteve ortopedike dhe dentare për shkak të vetive të favorshme të sipërfaqes së tyre, të cilat mundësojnë krijimin e një ndërfaqeje biokompatibile me indet përreth implantit. Për të optimizuar performancën e këtyre implanteve, janë zhvilluar strategji për të modifikuar natyrën e kësaj ndërfaqeje duke zbatuar ndryshime në shkallë nanometrike në sipërfaqe. Modifikime të tilla ushtrojnë ndikim të ndjeshëm në aspekte thelbësore, përfshirë adsorbimin e proteinave, ndërveprimet ndërmjet qelizave dhe sipërfaqes së implantit (ndërveprimet qelizë–substrat) dhe zhvillimin e mëpasshëm të indeve përreth. Duke projektuar me saktësi këto ndryshime në nivel nanometrik, shkencëtarët synojnë të përmirësojnë biointegrimin dhe efikasitetin e përgjithshëm të implanteve, duke çuar në rezultate më të mira klinike në fushën e implantologjisë.
 

Protokolli për nanostrukturimin me ultratinguj të implanteve prej titani

Disa studime kërkimore kanë demonstruar nanostrukturimin e thjeshtë, por shumë efektiv, të sipërfaqeve të titanit dhe aliazheve duke përdorur ultratinguj me intensitet të lartë. Trajtimi sonokimik (d.m.th. trajtimi me ultratinguj) çon në formimin e një shtrese të ashpër dioksidi titani me strukturë të ngjashme me sfungjerin, e cila rrit ndjeshëm proliferimin qelizor.
Strukturimi i sipërfaqes së titanit nëpërmjet trajtimit sonokimik: Mostrat e titanit me përmasa 20 × 20 × 0,5 mm u lustruan paraprakisht dhe u lanë njëra pas tjetrës me ujë të dejonizuar, aceton dhe etanol për të eliminuar çdo ndotës. Më pas, mostrat e titanit u trajtuan me ultratinguj në tretësirë NaOH 5 m duke përdorur pajisjen me ultratinguj Hielscher UIP1000hd që punonte në 20 kHz (shih figurën majtas). Sonikatori ishte i pajisur me sonotrodën BS2d22 (sipërfaqja e majës 3,8 cm2) dhe përforcuesin B4-1.4, i cili e rriste amplitudën e punës 1,4 herë. Amplituda mekanike ishte ≈81 μm. Intensiteti i gjeneruar ishte 200 W cm−2. Fuqia maksimale hyrëse ishte 760 W, që rezultonte nga shumëzimi i intensitetit me sipërfaqen ballore (prej 3,8 cm2) të sonotrodës së përdorur BS2d22. Mostrat e titanit u fiksuan në një mbajtëse Teflon të ndërtuar posaçërisht dhe u trajtuan për 5 min.
(krahaso Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologjia e sipërfaqes së pandryshuar të titanit (a), pamja nga sipër dhe prerja tërthore e sipërfaqes mezoporoze të dioksidit të titanit (TMS) të prodhuar në mënyrë sonokimike (b), si dhe pamja nga sipër dhe prerja tërthore e nanotubave të dioksidit të titanit (TNT) të përftuar me oksidim elektrokimik (c). Figurat e vogla brenda figurës tregojnë skemat e nanostrukturimit të sipërfaqes. Skema që tregon depozitimin e hidroksiapatitit (HA) në poret e matricës së dioksidit të titanit (d-f). Imazhe SEM të sipërfaqeve të titanit të nanostrukturuar në mënyrë sonokimike (TMS) dhe të TNT me HA të depozituar kimikisht: përkatësisht TMS-HA (g) dhe TNT-HA (h).
(studimi dhe imazhet: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mekanizmi i nanostrukturimit me ultratinguj të sipërfaqeve metalike

Trajtimi me ultratinguj i sipërfaqeve metalike çon në gravurimin mekanik të sipërfaqeve të titanit, gjë që shkakton formimin e një strukture mezoporoze mbi titan.
Mekanizmi i veprimit të ultratingujve bazohet në kavitacionin akustik, i cili ndodh kur valët e ultratingujve me frekuencë të ulët dhe intensitet të lartë transmetohen në një lëng. Kur ultratingujt me fuqi të lartë përhapen nëpër një lëng, krijohen cikle të alternuara me presion të lartë / presion të ulët. Gjatë cikleve me presion të ulët, në lëng lindin flluska shumë të vogla vakumi, të ashtuquajturat flluska kavitacioni. Këto flluska kavitacioni rriten gjatë disa cikleve të presionit derisa nuk mund të përthithin më energji. Në këtë pikë të rritjes maksimale të flluskës, flluska e kavitacionit shembet drejt brendësisë me një shpërthim të dhunshëm dhe krijon një mikromjedis me dendësi shumë të lartë energjie. Fusha me dendësi të lartë energjie e kavitacionit akustik/ultrasonik karakterizohet nga diferenca të mëdha presioni dhe temperature, me presione deri në 2 000atm dhe temperatura afërsisht 5000 K, rryma lëngu me shpejtësi të lartë deri në 280m/sec dhe valë goditëse. Kur një kavitacion i tillë ndodh pranë një sipërfaqeje metalike, veprojnë jo vetëm forca mekanike, por ndodhin edhe reaksione kimike.
Në këto kushte zhvillohen reaksione redoks, të cilat çojnë në reaksione oksiduese dhe në formimin e një shtrese dioksidi titani. Përveç gjenerimit të specieve reaktive të oksigjenit (ROS), të cilat oksiduan sipërfaqen e titanit, reaksionet e oksidimit-reduktimit të gjeneruara nga ultratingujt sigurojnë gravurim efektiv të sipërfaqes, që rezulton në përftimin e një shtrese dioksidi titani me trashësi 1 μm. Kjo do të thotë se dioksidi i titanit tretet pjesërisht në tretësirë alkaline, duke krijuar pore të shpërndara në mënyrë të çrregullt.
Metoda sonokimike ofron një mënyrë të shpejtë dhe të gjithanshme për prodhimin e materialeve të nanostrukturuara, si inorganike ashtu edhe organike, të cilat shpesh nuk mund të përftohen me metoda konvencionale. Përparësia kryesore e kësaj teknike është se përhapja e kavitacionit krijon gradientë të mëdhenj lokalë të temperaturës në trupat e ngurtë, duke rezultuar në materiale me një shtresë poroze dhe nanostruktura të çrregullta në kushte ambienti. Gjithashtu, rrezatimi i jashtëm me ultratinguj mund të përdoret për të nxitur çlirimin e biomolekulave të kapsuluara përmes poreve të veshjes së nanostrukturuar.
 

Ilustrim skematik i qelizës së sonikimit (a), ilustrim skematik i procesit të strukturimit të sipërfaqes që zhvillohet gjatë trajtimit me ultratinguj të një sipërfaqeje titani në tretësirë ujore alkaline(b) dhe i sipërfaqes së formuar (c), fotografi e implanteve të titanit (d): ai me nuancë të gjelbër (mostra në të majtë në dorë) është implanti pas trajtimit me ultratinguj, ndërsa ai me nuancë të verdhë (mostra ndodhet në të djathtë) është implanti i pamodifikuar.
(studimi dhe imazhet: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Sonikatorë me performancë të lartë për nanostrukturimin e sipërfaqeve të implanteve metalike

Hielscher Ultrasonics ofron gamën e plotë të sonikatorëve për aplikime në shkallë nano, si nanostrukturimi i sipërfaqeve metalike (p.sh. titani dhe aliazhet). Në varësi të materialit, sipërfaqes dhe kapacitetit të prodhimit të implanteve, Hielscher ju ofron sonikatorin dhe sonotrodën (sondën) ideale për aplikimin tuaj të nanostrukturimit.
Një nga përparësitë kryesore të sonikatorëve Hielscher është kontrolli i saktë i amplitudës dhe aftësia për të siguruar amplituda shumë të larta gjatë funksionimit të vazhdueshëm 24/7. Amplituda, e cila është zhvendosja e sondës ultrasonike, përcakton intensitetin e sonikimit) dhe për këtë arsye është një parametër vendimtar për një trajtim të besueshëm dhe efektiv me ultratinguj.

Projektim, prodhim dhe këshillim – Cilësi e prodhuar në Gjermani

Ultrasonikatorët Hielscher janë të mirënjohur për standardet e tyre më të larta të cilësisë dhe projektimit. Qëndrueshmëria dhe përdorimi i lehtë mundësojnë integrimin pa vështirësi të ultrasonikatorëve tanë në impiantet industriale. Ultrasonikatorët Hielscher përballojnë lehtësisht kushte të vështira dhe mjedise kërkuese.

Hielscher Ultrasonics është një kompani e certifikuar sipas ISO dhe i kushton rëndësi të veçantë ultrasonikatorëve me performancë të lartë që ofrojnë teknologjinë më të përparuar dhe lehtësi përdorimi. Sigurisht, ultrasonikatorët Hielscher janë në përputhje me CE dhe përmbushin kërkesat e UL, CSA dhe RoHs.

Difraktogramet XRD të veshjes me dioksid titani të prodhuar me trajtim termik të titanit të lustruar (a) dhe të titanit të lustruar të trajtuar sonokimikisht (b); imazhe SEM të sipërfaqes së titanit të lustruar (c) dhe të sipërfaqes mezoporoze të dioksidit të titanit të krijuar sonokimikisht (d). Sonikimi u krye duke përdorur sonikatorin UIP1000hdT.
(studimi dhe imazhet: ©Kuvyrkov et al., 2018)