Сонохемијски наноструктурирани имплантати који побољшавају осеоинтеграцију

Имплантати, ортопедске протезе и дентални имплантати израђују се углавном од титанијума и легура. Соникација се користи за стварање наноструктурираних површина на металним имплантатима. Ултразвучно наноструктурирање омогућава модификацију металних површина стварањем равномерно распоређених образаца нанометарских димензија на површинама имплантата. Ови наноструктурирани метални имплантати показују значајно побољшан раст ткива и осеоинтеграцију, што доводи до виших стопа клиничког успеха.

Ултразвучно наноструктурирани имплантати за побољшану осеоинтеграцију

Метали, укључујући титанијум и легуре, широко се користе у изради ортопедских и денталних имплантата због својих повољних површинских својстава, која омогућавају успостављање биокомпатибилне међуповршине са периимплантним ткивима. Ради оптимизације перформанси ових имплантата, развијене су стратегије за модификацију природе ове међуповршине увођењем промена на површини на наноскали. Такве модификације знатно утичу на кључне аспекте, укључујући адсорпцију протеина, интеракције између ћелија и површине имплантата (интеракције ћелија и подлоге) и каснији развој околног ткива. Прецизним пројектовањем ових промена на нанометарском нивоу, научници настоје да побољшају биоинтеграцију и укупну ефикасност имплантата, што доводи до бољих клиничких исхода у области имплантологије.
 

Протокол за ултразвучно наноструктурирање титанијумских имплантата

Неколико истраживачких студија показало је једноставно, а ипак веома ефикасно наноструктурирање површина титанијума и легура помоћу ултразвука високог интензитета. Сонохемијски третман (тј. ултразвучни третман) доводи до формирања храпавог слоја титанијум-диоксида сунђерасте структуре, који значајно поспешује пролиферацију ћелија.
Структурирање површине титанијума сонохемијским третманом: Узорци титанијума димензија 20 × 20 × 0,5 mm претходно су полирани и узастопно испирани дејонизованом водом, ацетоном и етанолом како би се уклониле све нечистоће. Након тога, узорци титанијума ултразвучно су третирани у раствору NaOH концентрације 5 m помоћу ултразвучног уређаја Hielscher UIP1000hd који је радио на 20 kHz (видети слику лево). Соникатор је био опремљен сонотродом BS2d22 (површина врха 3,8 cm2) и појачивачем B4-1.4, који је повећавао радну амплитуду 1,4 пута. Механичка амплитуда износила је ≈81 μm. Генерисани интензитет износио је 200 W cm−2. Максимална улазна снага износила је 760 W, што је добијено множењем интензитета чеоном површином (од 3,8 cm2) коришћене сонотроде BS2d22. Узорци титанијума причвршћени су у држач од тефлона сопствене израде и третирани 5 min.
(уп. Ulasevich et al., 2020)
 

Морфологија почетне површине титанијума (a), поглед одозго и попречни пресек сонохемијски израђене мезопорозне површине титанијум-диоксида (TMS) (b), као и поглед одозго и попречни пресек наноцеви титанијум-диоксида (TNT) добијених електрохемијском оксидацијом (c). Уметнути прикази показују шеме наноструктурирања површине. Шема која приказује таложење хидроксиапатита (HA) у поре матрице титанијум-диоксида (d–f). SEM снимци површина сонохемијски наноструктурираног титанијума (TMS) и TNT са хемијски исталоженим HA: TMS-HA (g) и TNT-HA (h), редом.
(студија и слике: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Механизам ултразвучног наноструктурирања металних површина

Ултразвучна обрада металних површина доводи до механичког нагризања површина титанијума, што узрокује формирање мезопорозне структуре на титанијуму.
Механизам ултразвучног деловања заснива се на акустичној кавитацији, која настаје када се ултразвучни таласи ниске фреквенције и високог интензитета уводе у течност. Када ултразвук велике снаге пролази кроз течност, стварају се наизменични циклуси високог и ниског притиска. Током циклуса ниског притиска у течности настају сићушни вакуумски мехурићи, такозвани кавитациони мехурићи. Ови кавитациони мехурићи расту током неколико циклуса притиска све док више не могу да апсорбују додатну енергију. У тој тачки максималног раста мехурића, кавитациони мехурић нагло и силовито имплодира и ствара микроокружење веома високе густине енергије. Поље акустичне/ултразвучне кавитације високе густине енергије одликују велике разлике у притиску и температури, при чему притисци достижу до 2.000atm, а температуре приближно 5000 K, као и брзи млазеви течности са брзинама до 280m/sec и ударни таласи. Када се таква кавитација јави у близини металне површине, поред механичких сила долази и до хемијских реакција.
У овим условима одвијају се редокс реакције које доводе до оксидационих реакција и формирања слоја титанијум-диоксида. Поред стварања реактивних врста кисеоника (ROS), које оксидују површину титанијума, оксидоредукционе реакције изазване ултразвуком обезбеђују ефикасно нагризање површине, што резултира добијањем слоја титанијум-диоксида дебљине 1 μm. То значи да се титанијум-диоксид делимично раствара у алкалном раствору, стварајући неправилно распоређене поре.
Сонохемијска метода нуди брз и свестран начин израде наноструктурираних материјала, како неорганских тако и органских, који се често не могу добити конвенционалним методама. Главна предност ове технике је у томе што ширење кавитације ствара велике локалне температурне градијенте у чврстим материјалима, што резултира материјалима са порозним слојем и неуређеним наноструктурама у собним условима. Поред тога, спољашње ултразвучно озрачивање може се користити за покретање ослобађања инкапсулираних биомолекула кроз поре у наноструктурираној превлаци.
 

Шематски приказ ћелије за соникацију (a), шематски приказ процеса структурирања површине који се одвија током ултразвучне обраде површине титанијума у воденом алкалном раствору (b) и настале површине (c), фотографија титанијумских имплантата (d): зеленкасти имплантат (леви узорак у руци) је имплантат након ултразвучне обраде, а жућкасти (узорак који се налази десно) је немодификовани имплантат.
(студија и слике: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Соникатори високих перформанси за наноструктурирање површина металних имплантата

Hielscher Ultrasonics нуди комплетан асортиман соникатора за примене у нанотехнологији, као што је наноструктурирање металних површина (нпр. титанијума и легура). У зависности од материјала, површине и производног капацитета за имплантате, Hielscher вам нуди идеалан соникатор и сонотроду (сонду) за вашу примену наноструктурирања.
Једна од главних предности Hielscher соникатора је прецизна контрола амплитуде и могућност постизања веома високих амплитуда у непрекидном раду 24/7. Амплитуда, која представља померај ултразвучне сонде, одређује интензитет соникације и стога је кључни параметар поуздане и ефикасне ултразвучне обраде.

Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

Ултразвучни уређаји Hielscher познати су по највишим стандардима квалитета и дизајна. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Ултразвучни уређаји Hielscher лако подносе тешке услове и захтевна окружења.

Hielscher Ultrasonics је компанија са ISO сертификатом која посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и једноставним коришћењем. Наравно, ултразвучни уређаји Hielscher усаглашени су са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.

XRD дифрактограми превлаке од титанијум-диоксида добијене термичком обрадом полираног титанијума (a) и сонохемијски третираног полираног титанијума (b); SEM снимци површине полираног титанијума (c) и сонохемијски добијене мезопорозне површине титанијум-диоксида (d). Соникација је изведена соникатором UIP1000hdT.
(студија и слике: ©Kuvyrkov et al., 2018)