Sonokemiskt nanostrukturerade implantat som förbättrar osseointegration

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

Ultraljudsnanostrukturerade 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 etablering av ett biokompatibelt gränssnitt med peri-implantatvävnader. 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 strävar forskare efter att förbättra biointegrationen och den övergripande effektiviteten 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 hjälp av högintensivt ultraljud. Den sonokemiska behandlingen (dvs. ultraljudsbehandling) leder till bildandet av ett grovt titanskikt av svampliknande struktur, vilket visar att cellproliferationen ökar avsevärt.
Strukturering av titanyta via sonokemisk behandling: Titanproverna på 20 × 20 × 0,5 mm polerades och tvättades tidigare med avjoniserat vatten, aceton och etanol i följd för att eliminera eventuella föroreningar. Efteråt behandlades titanprover ultraljudsmässigt i 5 m NaOH-lösning med hjälp av Hielscher ultraljudsapparat UIP1000hd som drivs vid 20 kHz (se bilden till vänster). Sonicator var utrustad med sonotrode BS2d22 (ytan på spetsen 3,8 cm2) och boostern B4-1.4, förstora arbetsamplituden 1,4 gånger. Den mekaniska amplituden var ≈81 μm. Den genererade intensiteten var 200 W cm−2. Den maximala effekttillförseln var 760 W som ett resultat av multiplikationen av intensiteten med frontarean (med 3,8 cm2) för den använda sonotroden BS2d22. Titanprover fixerades i en hemmagjord teflonhållare och behandlades i 5 min.
(jfr Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologi av den orörda titanytan (a), sonokemiskt tillverkad mesoporös titanyta (TMS) ovansida och tvärsnitt (b) och toppvy och tvärsnitt av titannanorör (TNT) erhållen genom elektrokemisk oxidation (c). Insatser visar scheman för ytans nanostrukturering. Schema som visar depositionen av hydroxiapatit (HA) i porerna i titanmatrisen (d-f). SEM-bilder av de sonokemiska nanostrukturerade titan (TMS) och TNT-ytorna med kemiskt deponerad 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 samman till en vätska. När ultraljud med hög effekt färdas genom en vätska genereras omväxlande högtrycks-/lågtryckscykler. Under lågtryckscyklerna uppstår små vakuumbubblor, så kallade kavitationsbubblor, i vätskan. Dessa kavitationsbubblor växer över flera tryckcykler tills de inte kan absorbera någon ytterligare energi. Vid denna punkt av maximal bubbeltillväxt imploderar kavitationsbubblan med en våldsam explosion och skapar en mycket energität mikromiljö. Det energitäta fältet av akustisk/ultraljudskavitation kännetecknas av höga tryck- och temperaturskillnader som uppvisar tryck på upp till 2 000 atm och temperaturer på ca 5000 K, höghastighetsvätskestrålar med hastigheter på upp till 280 m/sek och stötvågor. 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 bildning av titanskikt. Förutom att generera de reaktiva syrearterna (ROS) som oxiderade titanytan, ger ultraljudsgenererade oxidationsreduktionsreaktioner effektiv ytetsning som resulterar i att titandioxidskiktet erhålls som är 1 μm tjockt. Detta innebär att titandioxid löses delvis upp i alkalisk lösning och genererar porerna som är fördelade oordnat.
Den sonokemiska metoden erbjuder en snabb och mångsidig för tillverkning av nanostrukturerade material, både oorganiska och organiska, som ofta är ouppnåeliga med konventionella metoder. Den stora 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 rumsförhållanden. Dessutom kan den externa ultraljudsbestrålningen användas för att utlösa frisättning av inkapslade biomolekyler genom porer i nanostrukturerad beläggning.
 

Den schematiska illustrationen av ultraljudscellen (a), Schematisk illustration av ytstruktureringsprocessen som äger rum under ultraljudsbehandlingen av en titanyta i vattenhaltig alkalisk lösning (b) och formad yta (c), foto av titanimplantat (d): den grönaktiga (det vänstra provet i handen) är implantat efter ultraljudsbehandling, den gulaktiga (provet ligger till höger) är icke-modifierat implantat.
(studie och bilder: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Högpresterande sonikatorer för nanostrukturering av metalliska implantatytor

Hielscher Ultrasonics erbjuder ett komplett utbud av sonikatorer för nano-applikationer såsom nanostrukturering av metalliska ytor (t.ex. titan och legeringar). Beroende på materialet, ytan och produktionsgenomströmningen av implantat, erbjuder Hielscher dig den perfekta ultraljudssonaren och sonotrode (sond) för dig nano-strukturering applikation.
En av de största fördelarna med Hielscher sonikatorer 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 ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel drift möjliggör en smidig integration av våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras enkelt av Hielscher ultraljudsapparater.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och användarvänligheten. Naturligtvis är Hielscher ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.

XRD-mönstren av 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 ultraljudsteknikern UIP1000hdT.
(studie och bilder: ©Kuvyrkov et al., 2018)