Sonokemiskt nanostrukturerade implantat som förbättrar osseointegrationen

Implantat, ortopediska proteser och tandimplantat tillverkas huvudsakligen av titan och legeringar. Ultraljudsbehandling används för att skapa nanostrukturerade ytor på metalliska implantat. Nanostrukturering med ultraljud gör det möjligt att modifiera metalliska ytor genom att skapa jämnt fördelade mönster i nanostorlek på implantatytorna. Dessa nanostrukturerade metalliska implantat uppvisar avsevärt förbättrad vävnadstillväxt och osseointegration, vilket leder till högre klinisk framgångsfrekvens.

Implantat nanostrukturerade med ultraljud för förbättrad osseointegration

Metaller, däribland titan och legeringar, används i stor utsträckning vid tillverkning av ortopediska implantat och tandimplantat tack vare sina gynnsamma ytegenskaper, som möjliggör ett biokompatibelt gränsskikt mot vävnaderna runt implantatet. För att optimera dessa implantats prestanda har strategier utvecklats för att modifiera gränsskiktets egenskaper genom förändringar på ytan i nanoskala. Sådana modifieringar har en påtaglig inverkan på viktiga aspekter, däribland proteinadsorption, interaktioner mellan celler och implantatytan (cell–substratinteraktioner) och den efterföljande utvecklingen av omgivande vävnad. Genom att exakt utforma dessa förändringar på nanometernivå strävar forskare efter att förbättra implantatens biointegration och övergripande effektivitet, vilket leder till förbättrade kliniska resultat inom implantologin.
 

Protokoll för nanostrukturering av titanimplantat med ultraljud

Flera forskningsstudier har visat att nanostrukturering av titan- och legeringsytor med högintensivt ultraljud är enkel men mycket effektiv. Den sonokemiska behandlingen (dvs. ultraljudsbehandlingen) leder till bildning av ett ojämnt titandioxidskikt med svampliknande struktur som avsevärt ökar cellproliferationen.
Strukturering av titanytor genom sonokemisk behandling: Titanproverna med måtten 20 × 20 × 0,5 mm polerades först och tvättades sedan i tur och ordning med avjoniserat vatten, aceton och etanol för att avlägsna eventuella föroreningar. Därefter behandlades titanproverna med ultraljud i en 5 m NaOH-lösning med Hielscher-ultraljudsapparaten UIP1000hd vid 20 kHz (se bilden till vänster). Ultraljudsapparaten var utrustad med sonotroden BS2d22 (spetsens ytarea 3,8 cm2) och amplitudförstärkaren B4-1.4, som förstärkte arbetsamplituden 1,4 gånger. Den mekaniska amplituden var ≈81 μm. Den genererade intensiteten var 200 W cm−2. Den maximala tillförda effekten var 760 W, vilket erhölls genom att multiplicera intensiteten med frontytans area (3,8 cm2) hos den använda sonotroden BS2d22. Titanproverna fixerades i en egentillverkad Teflon-hållare och behandlades i 5 min.
(jfr Ulasevich et al., 2020)
 

Morfologi hos den ursprungliga titanytan (a), den sonokemiskt framställda mesoporösa titandioxidytan (TMS) sedd ovanifrån och i tvärsnitt (b), samt titandioxidnanorör (TNT) framställda genom elektrokemisk oxidation, sedda ovanifrån och i tvärsnitt (c). Infällda bilder visar schematiska illustrationer av ytans nanostrukturering. Schematisk illustration av utfällning av hydroxiapatit (HA) i titandioxidmatrisens porer (d–f). SEM-bilder av den sonokemiskt nanostrukturerade titanytan (TMS) och TNT-ytan med kemiskt utfällt HA: TMS-HA (g) respektive TNT-HA (h).
(studie och bilder: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Mekanismen bakom nanostrukturering av metallytor med ultraljud

Ultraljudsbehandling av metallytor leder till mekanisk etsning av titanytor, vilket orsakar bildandet av en mesoporös struktur på titan.
Ultraljudsmekanismen bygger på akustisk kavitation, som uppstår när lågfrekventa ultraljudsvågor med hög intensitet kopplas in i en vätska. När ultraljud med hög effekt färdas genom en vätska genereras omväxlande högtrycks- och lågtryckscykler. Under lågtryckscyklerna uppstår mycket små vakuumbubblor, så kallade kavitationsbubblor, i vätskan. Dessa kavitationsbubblor växer under flera tryckcykler tills de inte kan absorbera mer energi. Vid denna punkt, då bubblan har nått sin maximala storlek, imploderar kavitationsbubblan med en våldsam kollaps och skapar en mikromiljö med mycket hög energitäthet. Det energitäta fältet vid akustisk kavitation/ultraljudskavitation kännetecknas av stora tryck- och temperaturskillnader med tryck på upp till 2 000atm och temperaturer på cirka 5000 K, höghastighetsstrålar av vätska med hastigheter på upp till 280m/sec samt stötvågor. När sådan kavitation uppstår nära en metallyta uppkommer inte bara mekaniska krafter utan även kemiska reaktioner.
Under dessa förhållanden sker redoxreaktioner som leder till oxidationsreaktioner och bildandet av ett titandioxidskikt. Utöver att generera de reaktiva syreföreningar (ROS) som oxiderade titanytan ger ultraljudsgenererade oxidations- och reduktionsreaktioner en effektiv ytetsning som resulterar i ett 1 μm tjockt titandioxidskikt. Detta innebär att titandioxid delvis löses upp i alkalisk lösning, vilket skapar oordnat fördelade porer.
Den sonokemiska metoden erbjuder ett snabbt och mångsidigt sätt att framställa nanostrukturerade material, både oorganiska och organiska, som ofta inte kan framställas med konventionella metoder. Den främsta fördelen med denna teknik är att kavitationens utbredning genererar stora lokala temperaturgradienter i fasta material, vilket resulterar i material med ett poröst skikt och oordnade nanostrukturer under rumsförhållanden. Dessutom kan extern ultraljudsbestrålning användas för att utlösa frisättning av inkapslade biomolekyler genom porer i en nanostrukturerad beläggning.
 

Schematisk illustration av ultraljudsbehandlingscellen (a), schematisk illustration av den ytstruktureringsprocess som sker under ultraljudsbehandling av en titanyta i alkalisk vattenlösning (b) och den bildade ytan (c), foto av titanimplantat (d): det grönaktiga implantatet (det vänstra provet i handen) är ett implantat efter ultraljudsbehandling, det gulaktiga implantatet (provet till höger) är ett omodifierat implantat.
(studie och bilder: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Högpresterande ultraljudsapparater för nanostrukturering av implantatytor av metall

Hielscher Ultrasonics erbjuder hela sortimentet av ultraljudsapparater för nanotillämpningar såsom nanostrukturering av metallytor (t.ex. titan och legeringar). Beroende på implantatens material, ytarea och produktionsgenomströmning erbjuder Hielscher den idealiska ultraljudsapparaten och sonotroden (sonden) för din nanostruktureringstillämpning.
En av de främsta fördelarna med Hielschers ultraljudsapparater är den precisa amplitudregleringen och förmågan att leverera mycket höga amplituder vid kontinuerlig drift dygnet runt, alla dagar i veckan. Amplituden, som är ultraljudssondens förskjutning, bestämmer ultraljudsbehandlingens intensitet och är därför en avgörande parameter för tillförlitlig och effektiv ultraljudsbehandling.

Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sina kvalitets- och konstruktionsstandarder på högsta nivå. Robusthet och enkel användning gör att våra ultraljudsapparater smidigt kan integreras i industriella anläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar utan problem tuffa förhållanden och krävande miljöer.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och god användarvänlighet. Hielschers ultraljudsapparater uppfyller naturligtvis CE-kraven och kraven enligt UL, CSA och RoHs.

XRD-mönstren för titandioxidbeläggning framställd genom värmebehandling av polerat titan (a) och sonokemiskt behandlat polerat titan (b); SEM-bilder av en polerad titanyta (c) och en sonokemiskt framställd mesoporös titandioxidyta (d). Ultraljudsbehandlingen utfördes med ultraljudsapparaten UIP1000hdT.
(studie och bilder: ©Kuvyrkov et al., 2018)