Сонохемијски наноструктурирани имплантати који побољшавају осеоинтеграцију

Имплантати, ортопедске протезе и зубни имплантати израђују се углавном од титанијума и легура. Соникација се користи за стварање наноструктурираних површина на металним имплантатима. Ултразвучно наноструктурирање омогућава да се модификују металне површине генеришући униформно распоређене шаре нано величине на површинама имплантата. Ови наноструктурирани метални имплантати показују значајно побољшан раст ткива и осеоинтеграцију што доводи до побољшаних стопа клиничког успеха.

Ултразвучно наноструктурирани имплантати за побољшану остеоинтеграцију

Употреба метала, укључујући титанијум и легуре, преовлађује у производњи ортопедских и зубних имплантата због њихових повољних површинских својстава, омогућавајући успостављање биокомпатибилног интерфејса са периимплантацијским ткивима. Да би се оптимизовале перформансе ових имплантата, развијене су стратегије за модификацију природе овог интерфејса применом наносмерних промена на површини. Такве модификације врше значајан утицај на критичне аспекте, укључујући адсорпцију протеина, интеракције између ћелија и површине имплантата (интеракције ћелија-супстрат), и каснији развој околног ткива. Прецизним пројектовањем ових промена на нивоу нанометара, научници имају за циљ да побољшају биоинтеграцију и укупну ефикасност имплантата, што доводи до побољшаних клиничких резултата у области имплантологије.
 

Протокол за ултразвучно наноструктурирање титанијумских имплантата

Неколико истраживачких студија је показало једноставну, али високо ефикасну наноструктуру површина титанијума и легура коришћењем ултразвука високог интензитета. Сонохемијски третман (тј. ултразвучни третман) доводи до формирања грубог титановог слоја спужвасте структуре, што показује да значајно појачава пролиферацију ћелија.
Структурирање површине титанијума сонохемијским третманом: Узорци титанијума од 20 × 20 × 0,5 мм су претходно полирани и испрани дејонизованом водом, ацетоном и етанолом узастопно да би се елиминисали сви загађивачи. Након тога, узорци титанијума су ултразвучно третирани у 5 м раствору НаОХ користећи Хиелсцхер ултрасоницатор УИП1000хд који ради на 20 кХз (види слику лево). Соникатор је опремљен сонотродом БС2д22 (површина врха 3,8 цм2) и бустером Б4-1,4, повећавајући радну амплитуду 1,4 пута. Механичка амплитуда била је ≈81 μм. Генерисани интензитет је био 200 В цм−2. Максимална улазна снага износила је 760 В као резултат множења интензитета са предњом површином (са 3,8 цм2) коришћене сонотроде БС2д22. Узорци титанијума су фиксирани у домаћи тефлонски држач и третирани 5 мин.
(уп. Уласевицх ет ал., 2020)
 

Морфологија нетакнуте површине титанијума (а), сонохемијски произведена титанијум мезопорозна површина (ТМС), поглед одозго и пресек (б), и поглед одозго и попречни пресек титанијумових наноцеви (ТНТ) добијених електрохемијском оксидацијом (ц). На уметцима су приказане шеме површинског наноструктурирања. Шема која приказује таложење хидроксиапатита (ХА) у поре титанијум матрикса (дф). СЕМ слике сонохемијског наноструктурираног титанијума (ТМС) и ТНТ површина са хемијски депонованим ХА: ТМС-ХА (г) и ТНТ-ХА (х), респективно.
(студија и слике: ©Кувирков ет ал., 2020)

Механизам ултразвучног наноструктурирања металних површина

Ултразвучна обрада металних површина доводи до механичког нагризања титанијумских површина што изазива формирање мезопорозне структуре на титанијуму.
Механизам ултразвучног механизма заснива се на акустичној кавитацији, која настаје када се ултразвучни таласи ниске фреквенције, високог интензитета спрежу у течност. Када ултразвук велике снаге путује кроз течност, генеришу се наизменични циклуси високог/ниског притиска. Током циклуса ниског притиска, у течности настају ситни вакуумски мехурићи, такозвани кавитациони мехурићи. Ови кавитациони мехурићи расту током неколико циклуса притиска све док не могу да апсорбују даљу енергију. У овој тачки максималног раста мехурића, кавитациони мехур имплодира са насилним праском и ствара микро-окружење високе енергије. Енергетски густо поље акустичне/ултразвучне кавитације карактеришу високи притисци и температурне разлике које показују притиске до 2.000 атм и температуре од прибл. 5000 К, брзи млазови течности са брзинама до 280м/сец и ударни таласи. Када се таква кавитација појави у близини металне површине, не јављају се само механичке силе већ и хемијске реакције.
У овим условима се одвијају редокс реакције које доводе до оксидативних реакција и формирања слоја титанијума. Поред генерисања реактивних врста кисеоника (РОС) које су оксидисале површину титанијума, ултразвучно генерисане реакције оксидације-редукције обезбеђују ефикасно површинско нагризање које резултира добијањем слоја титанијум диоксида дебљине 1 μм. То значи да се титанијум диоксид делимично раствара у алкалном раствору стварајући поре распоређене неуредно.
Сонохемијска метода нуди брзу и свестрану производњу наноструктурираних материјала, како неорганских тако и органских, који су често недостижни конвенционалним методама. Главна предност ове технике је у томе што ширење кавитације ствара велике локалне температурне градијенте у чврстим материјама, што резултира материјалима са порозним слојем и неуређеним наноструктурама у собним условима. Поред тога, екстерно ултразвучно зрачење се може користити за покретање ослобађања инкапсулираних биомолекула кроз поре у наноструктурираном премазу.
 

Шематска илустрација соникационе ћелије (а), Шематска илустрација процеса структурирања површине који се одвија током ултразвучног третмана површине титанијума у воденом алкалном раствору (б) и формиране површине (ц), фотографија титанијумских имплантата (д): зеленкасти (леви узорак у руци) је имплантат након ултразвучног третмана, жућкасти (узорак се налази десно) је немодификовани имплант.
(студија и слике: ©Кувирков ет ал., 2020)

Соникатори високих перформанси за наноструктурирање металних површина имплантата

Хиелсцхер Ултрасоницс нуди читав низ соникатора за нано-апликације као што је наноструктурирање металних површина (нпр. титанијум и легуре). У зависности од материјала, површине и производног капацитета имплантата, Хиелсцхер вам нуди идеалан соникатор и сонотроду (сонду) за вашу нано-структурну примену.
Једна од главних предности Хиелсцхер соникатора је прецизна контрола амплитуде и способност да се испоруче веома високе амплитуде у континуираном раду 24/7. Амплитуда, која представља померање ултразвучне сонде, одговорна је за интензитет соникације) и стога је кључни параметар поузданог и ефикасног ултразвучног третмана.

Дизајн, производња и консалтинг – Квалитет Маде ин Германи

Хиелсцхер ултрасоникатори су познати по свом највишем квалитету и стандардима дизајна. Робусност и једноставан рад омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних апарата у индустријске објекте. Хиелсцхер ултрасоникатори се лако носе са тешким условима и захтевним окружењима.

Хиелсцхер Ултрасоницс је ИСО сертификована компанија и ставља посебан нагласак на ултрасоникаторе високих перформанси са најсавременијом технологијом и једноставношћу за коришћење. Наравно, Хиелсцхер ултрасоникатори су усаглашени са ЦЕ и испуњавају захтеве УЛ, ЦСА и РоХ.

КСРД узорци превлаке од титанијума произведене термичком обрадом полираног титанијума (а) и сонохемијски третираног полираног титанијума (б); СЕМ слике полиране површине титанијума (ц) и сонохемијски генерисане површине мезопорозног титанијум диоксида (д). Соникација је изведена помоћу соникатора УИП1000хдТ.
(студија и слике: ©Кувирков ет ал., 2018)