Implantat, ortopediska proteser och tandimplantat tillverkas huvudsakligen av titan och legeringar. Ultraljudsbehandling används för att skapa nanostrukturerade ytor på metallimplantat. Ultraljud nanostrukturering gör det möjligt att modifiera metallytor som genererar jämnt fördelade nano-storlek mönster på implantatytor. Dessa nanostrukturerade metallimplantat visar en signifikant förbättrad vävnadstillväxt och osseointegration som leder till förbättrade kliniska framgångsnivåer.

Ultraljud nanostrukturerade implantat för förbättrad osseointegration

Användningen av metaller, inklusive titan och legeringar, är utbredd vid tillverkning av ortopediska och dentala implantat på grund av deras gynnsamma ytegenskaper, vilket möjliggör upprättandet av ett biokompatibelt gränssnitt med periimplantatvävnader. För att optimera prestandan hos dessa implantat har strategier utvecklats för att modifiera karaktären hos detta gränssnitt genom att implementera förändringar i nanoskala på ytan. Sådana modifieringar utövar ett märkbart inflytande på kritiska aspekter, inklusive proteinadsorption, interaktioner mellan celler och implantatytan (cell-substratinteraktioner) och den efterföljande utvecklingen av omgivande vävnad. Genom att exakt konstruera dessa förändringar på nanometernivå syftar forskare till att förbättra biointegrationen och den totala effekten av implantat, vilket leder till förbättrade kliniska resultat inom implantologiområdet.
 

Protokoll för ultraljud nanostrukturering av titanimplantat

Flera forskningsstudier har visat den enkla, men ändå högeffektiva nanostruktureringen av titan- och legeringsytor med högintensiv ultraljud. Den sonokemiska behandlingen (dvs. ultraljudsbehandling) leder till bildandet av ett grovt titaniaskikt av svampliknande struktur, vilket visar signifikant förbättrar cellproliferationen.
Strukturering av titanytan via sonokemisk behandling: Titanproverna på 20 × 20 × 0,5 mm polerades tidigare och tvättades med avjoniserat vatten, aceton och etanol i följd för att eliminera eventuella föroreningar. Därefter behandlades titanprover ultraljud i 5 m NaOH-lösning med Hielscher ultrasonicator UIP1000hd som drivs vid 20 kHz (se bilden till vänster). Sonicator var utrustad med sonotrode BS2d22 (ytan på spetsen 3,8 cm2) och booster B4-1,4, förstora arbetsamplituden 1,4 gånger. Den mekaniska amplituden var ≈81 μm. Den genererade intensiteten var 200 W cm-2. Den maximala effektingången var 760 W till följd av multiplikationen av intensiteten med frontområdet (med 3,8 cm2) av den använda sonotroden BS2d22. Titanprover fixerades i en hemlagad teflonhållare och behandlades i 5 minuter.
(jfr Ulasevitj et al., 2020)
 

Morfologi av den orörda titanytan (a), sonokemiskt tillverkad titania mesoporös yta (TMS) ovanifrån och tvärsnitt (b) och toppvy och tvärsnitt av titaniananorör (TNT) erhållen genom elektrokemisk oxidation (c). Insatser visar scheman för ytan nanostrukturering. Schema som visar avsättningen av hydroxiapatit (HA) i porerna i titaniamatrisen (d-f). SEM-bilder av sonokemiska nanostrukturerade titan (TMS) och TNT-ytor med kemiskt avsatt HA: TMS-HA (g) respektive TNT-HA (h).
(studie och bilder: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mekanism för ultraljud nanostrukturering av metallytor

Ultraljudsbehandlingen av metallytor leder till mekanisk etsning av titanytor, vilket orsakar bildandet av en mesoporös struktur på titan.
Mekanismen för ultraljudsmekanismen är baserad på akustisk kavitation, som uppstår när lågfrekventa, högintensiva ultraljudsvågor kopplas till en vätska. När ultraljud med hög effekt färdas genom en vätska genereras alternerande högtrycks- / lågtryckscykler. Under lågtryckscyklerna uppstår små vakuumbubblor, så kallade kavitationsbubblor i vätskan. Dessa kavitationsbubblor växer över flera tryckcykler tills de inte kan absorbera ytterligare energi. Vid denna punkt med maximal bubbeltillväxt imploderar kavitationsbubblan med en våldsam sprängning och skapar en mycket energität mikromiljö. Det energitäta fältet för akustisk / ultraljud kavitation kännetecknas av högt tryck och temperaturskillnader som uppvisar tryck på upp till 2000atm och temperaturer på ca. 5000 K, höghastighetsvätskor jetstrålar med hastigheter upp till 280m / sek och chockvågor. När sådan kavitation inträffar nära en metallisk yta uppstår inte bara mekaniska krafter utan även kemiska reaktioner.
Under dessa förhållanden sker redoxreaktioner som leder till oxidativa reaktioner och titaniaskiktbildning. Förutom att generera de reaktiva syreradikalerna (ROS) som oxiderade titanytan, ger ultraljud genererade oxidationsreduktionsreaktioner effektiv ytetsning som resulterar i att titandioxidskiktet erhålls 1 μm tjockt. Detta innebär att titandioxid löses delvis i alkalisk lösning och genererar porerna fördelade oordnat.
Den sonokemiska metoden erbjuder en snabb och mångsidig för tillverkning av nanostrukturerade material, både oorganiska och organiska, som ofta är ouppnåeliga via konventionella metoder. Den största fördelen med denna teknik är att utbredningen av kavitation genererar stora lokala temperaturgradienter i fasta ämnen, vilket resulterar i material med ett poröst skikt och oordnade nanostrukturer vid rumsbetingelser. Dessutom kan den externa ultraljudsbestrålningen användas för att utlösa frisättningen av inkapslade biomolekyler genom porer i nanostrukturerad beläggning.
 

han schematisk illustration av ultraljudsbehandling cell (a), Schematisk illustration av ytan strukturering process som äger rum under ultraljudsbehandling av en titanyta i vattenhaltig alkalisk lösning (b) och formad yta (c), foto av titanimplantat (d): den grönaktiga (vänster prov i handen) är implantat efter ultraljudsbehandling, den gulaktiga (provet ligger till höger) är icke-modifierat implantat.
(studie och bilder: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Högpresterande sonicators för nanostrukturering av metalliska implantatytor

Hielscher Ultrasonics erbjuder hela utbudet av sonicators för nano-tillämpningar såsom nanostrukturering av metallytor (t.ex. titan och legeringar). Beroende på material, yta och produktion genomströmning av implantat, Hielscher erbjuder dig den perfekta sonicator och sonotrode (sond) för dig nano-strukturering ansökan.
En av de främsta fördelarna med Hielscher sonicators är den exakta amplitudkontrollen och förmågan att leverera mycket höga amplituder i kontinuerlig 24/7 drift. Amplituden, som är förskjutningen av ultraljudssonden, är ansvarig för ultraljudsbehandling intensitet) och därför en avgörande parameter för tillförlitlig och effektiv ultraljudsbehandling.

Design, tillverkning och rådgivning – Kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielscher ultrasonicators är kända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel användning möjliggör smidig integration av våra ultrasonicators i industrianläggningar. Tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras enkelt av Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultrasonicators med state-of-the-art teknik och användarvänlighet. Naturligtvis är Hielscher ultrasonicators CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.

XRD-mönstren för titanbeläggning tillverkad genom värmebehandling av polerat titan (a) och sonokemiskt behandlat polerat titan (b); SEM-bilder av polerad titanyta (c) och sonokemiskt genererad mesoporös titandioxidyta (d). Ultraljudsbehandling utfördes med hjälp av sonicator UIP1000hdT.
(studie och bilder: ©Kuvyrkov et al., 2018)