วัสดุฝังในที่มีโครงสร้างระดับนาโนด้วยวิธีโซโนเคมีเพื่อปรับปรุงการยึดประสานกับกระดูก

วัสดุฝังใน อวัยวะเทียมทางออร์โธปิดิกส์ และรากฟันเทียม ผลิตจากไทเทเนียมและโลหะผสมเป็นหลัก การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ใช้เพื่อสร้างพื้นผิวที่มีโครงสร้างระดับนาโนบนวัสดุฝังในที่เป็นโลหะ การสร้างโครงสร้างระดับนาโนด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยปรับเปลี่ยนพื้นผิวโลหะ โดยสร้างลวดลายขนาดนาโนที่กระจายอย่างสม่ำเสมอบนพื้นผิวของวัสดุฝังใน วัสดุฝังในที่เป็นโลหะและมีโครงสร้างระดับนาโนเหล่านี้แสดงการเจริญของเนื้อเยื่อและการยึดประสานกับกระดูกที่ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งนำไปสู่อัตราความสำเร็จทางคลินิกที่ดีขึ้น

วัสดุฝังในที่มีโครงสร้างระดับนาโนด้วยอัลตราซาวนด์เพื่อปรับปรุงการยึดประสานกับกระดูก

โลหะ รวมถึงไทเทเนียมและโลหะผสม ถูกใช้อย่างแพร่หลายในการผลิตวัสดุฝังในทางออร์โธปิดิกส์และรากฟันเทียม เนื่องจากมีสมบัติพื้นผิวที่เหมาะสม ซึ่งช่วยให้เกิดรอยต่อที่เข้ากันได้ทางชีวภาพกับเนื้อเยื่อรอบวัสดุฝังใน เพื่อให้วัสดุฝังในเหล่านี้มีประสิทธิภาพสูงสุด จึงมีการพัฒนาวิธีปรับเปลี่ยนลักษณะของรอยต่อนี้ด้วยการปรับเปลี่ยนพื้นผิวในระดับนาโน การปรับเปลี่ยนดังกล่าวส่งผลอย่างเด่นชัดต่อปัจจัยสำคัญ ได้แก่ การดูดซับโปรตีน ปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์กับพื้นผิววัสดุฝังใน (ปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์กับวัสดุรองรับ) และการพัฒนาของเนื้อเยื่อโดยรอบที่ตามมา นักวิทยาศาสตร์มุ่งเพิ่มการผสานเข้ากับระบบชีวภาพและประสิทธิผลโดยรวมของวัสดุฝังใน ด้วยการออกแบบการเปลี่ยนแปลงระดับนาโนเมตรเหล่านี้อย่างแม่นยำ เพื่อนำไปสู่ผลลัพธ์ทางคลินิกที่ดีขึ้นในสาขาวิทยาการวัสดุฝังใน
 

ขั้นตอนการสร้างโครงสร้างระดับนาโนบนวัสดุฝังในไทเทเนียมด้วยอัลตราซาวนด์

งานวิจัยหลายชิ้นแสดงให้เห็นถึงการสร้างโครงสร้างระดับนาโนบนพื้นผิวไทเทเนียมและโลหะผสมด้วยอัลตราซาวนด์ความเข้มสูง ซึ่งเป็นวิธีที่เรียบง่ายแต่มีประสิทธิผลสูง การปรับสภาพด้วยวิธีโซโนเคมี (กล่าวคือ การปรับสภาพด้วยอัลตราซาวนด์) ทำให้เกิดชั้นไททาเนียที่มีพื้นผิวขรุขระและโครงสร้างคล้ายฟองน้ำ ซึ่งช่วยเพิ่มการเพิ่มจำนวนของเซลล์อย่างมีนัยสำคัญ
การสร้างโครงสร้างบนพื้นผิวไทเทเนียมด้วยวิธีโซโนเคมี: ตัวอย่างไทเทเนียมขนาด 20 × 20 × 0.5 mm ถูกขัดผิวไว้ก่อน แล้วล้างด้วยน้ำปราศจากไอออน อะซีโตน และเอทานอลตามลำดับ เพื่อขจัดสารปนเปื้อนทั้งหมด จากนั้น ตัวอย่างไทเทเนียมได้รับการปรับสภาพด้วยอัลตราซาวนด์ในสารละลาย NaOH 5 m โดยใช้เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher รุ่น UIP1000hd ซึ่งทำงานที่ 20 kHz (ดูภาพด้านซ้าย) เครื่องอัลตราซาวนด์ติดตั้งโซโนโทรด BS2d22 (พื้นที่ผิวส่วนปลาย 3.8 cm2) และบูสเตอร์ B4-1.4 ซึ่งขยายแอมพลิจูดขณะทำงาน 1.4 เท่า แอมพลิจูดเชิงกลมีค่า ≈81 μm ความเข้มที่เกิดขึ้นมีค่า 200 W cm−2 กำลังไฟฟ้าขาเข้าสูงสุดเท่ากับ 760 W ซึ่งได้จากการคูณความเข้มกับพื้นที่หน้าตัดด้านหน้าของโซโนโทรด BS2d22 ที่ใช้ (3.8 cm2) ตัวอย่างไทเทเนียมถูกยึดไว้ในตัวยึด Teflon ที่ทำขึ้นเอง และได้รับการปรับสภาพเป็นเวลา 5 min
(ดู Ulasevich et al., 2020 ประกอบ)
 

สัณฐานวิทยาของพื้นผิวไทเทเนียมดั้งเดิม (a) ภาพมุมมองจากด้านบนและภาพตัดขวางของพื้นผิวไททาเนียที่มีรูพรุนระดับเมโซซึ่งผลิตด้วยวิธีโซโนเคมี (TMS) (b) และภาพมุมมองจากด้านบนและภาพตัดขวางของท่อนาโนไททาเนีย (TNT) ที่ได้จากการออกซิเดชันทางเคมีไฟฟ้า (c) ภาพแทรกแสดงแผนผังการสร้างโครงสร้างระดับนาโนบนพื้นผิว แผนผังแสดงการตกสะสมของไฮดรอกซีอะพาไทต์ (HA) ภายในรูพรุนของเมทริกซ์ไททาเนีย (d–f) ภาพ SEM ของพื้นผิวไทเทเนียมที่มีโครงสร้างระดับนาโนด้วยวิธีโซโนเคมี (TMS) และพื้นผิว TNT ที่มี HA ตกสะสมด้วยวิธีทางเคมี: TMS-HA (g) และ TNT-HA (h) ตามลำดับ
(การศึกษาและภาพ: ©Kuvyrkov et al., 2020)

กลไกการสร้างโครงสร้างระดับนาโนบนพื้นผิวโลหะด้วยอัลตราซาวนด์

การปรับสภาพพื้นผิวโลหะด้วยอัลตราซาวนด์ทำให้เกิดการกัดผิวไทเทเนียมเชิงกล ซึ่งก่อให้เกิดโครงสร้างที่มีรูพรุนระดับเมโซบนไทเทเนียม
กลไกการทำงานของอัลตราซาวนด์อาศัยคาวิเทชันเชิงเสียง ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อถ่ายทอดคลื่นอัลตราซาวนด์ความถี่ต่ำและความเข้มสูงเข้าสู่ของเหลว เมื่ออัลตราซาวนด์กำลังสูงเคลื่อนที่ผ่านของเหลว จะเกิดวัฏจักรความดันสูง / ความดันต่ำสลับกัน ในช่วงวัฏจักรความดันต่ำ ฟองสุญญากาศขนาดเล็กมากที่เรียกว่าฟองคาวิเทชันจะเกิดขึ้นในของเหลว ฟองคาวิเทชันเหล่านี้เติบโตผ่านวัฏจักรความดันหลายรอบ จนไม่สามารถดูดซับพลังงานเพิ่มเติมได้ เมื่อฟองเติบโตถึงขนาดสูงสุดนี้ ฟองคาวิเทชันจะยุบตัวเข้าด้านในอย่างรุนแรง และสร้างสภาพแวดล้อมระดับจุลภาคที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงมาก บริเวณที่มีพลังงานหนาแน่นของคาวิเทชันเชิงเสียง/อัลตราซาวนด์มีลักษณะเด่นคือความแตกต่างของความดันและอุณหภูมิสูง โดยมีความดันสูงถึง 2,000atm และอุณหภูมิประมาณ 5000 K รวมทั้งลำพุ่งของของเหลวความเร็วสูงที่มีความเร็วสูงถึง 280m/sec และคลื่นกระแทก เมื่อคาวิเทชันดังกล่าวเกิดขึ้นใกล้พื้นผิวโลหะ จะเกิดทั้งแรงเชิงกลและปฏิกิริยาเคมี
ภายใต้สภาวะเหล่านี้ ปฏิกิริยารีดอกซ์จะเกิดขึ้นและนำไปสู่ปฏิกิริยาออกซิเดชันและการก่อตัวของชั้นไททาเนีย นอกจากจะสร้างชนิดออกซิเจนที่ไวต่อปฏิกิริยา (ROS) ซึ่งออกซิไดซ์พื้นผิวไทเทเนียมแล้ว ปฏิกิริยาออกซิเดชัน–รีดักชันที่เกิดจากอัลตราซาวนด์ยังช่วยกัดผิวอย่างมีประสิทธิผล ทำให้ได้ชั้นไทเทเนียมไดออกไซด์หนา 1 μm กล่าวคือ ไทเทเนียมไดออกไซด์ละลายบางส่วนในสารละลายด่าง ทำให้เกิดรูพรุนที่กระจายอย่างไม่เป็นระเบียบ
วิธีโซโนเคมีเป็นวิธีที่รวดเร็วและใช้งานได้หลากหลายสำหรับการผลิตวัสดุที่มีโครงสร้างระดับนาโน ทั้งวัสดุอนินทรีย์และอินทรีย์ ซึ่งมักไม่สามารถผลิตได้ด้วยวิธีทั่วไป ข้อได้เปรียบหลักของเทคนิคนี้คือการแพร่กระจายของคาวิเทชันทำให้เกิดความชันของอุณหภูมิเฉพาะที่สูงมากในของแข็ง ส่งผลให้ได้วัสดุที่มีชั้นรูพรุนและโครงสร้างระดับนาโนที่ไม่เป็นระเบียบภายใต้สภาวะห้อง นอกจากนี้ ยังสามารถใช้การฉายคลื่นอัลตราซาวนด์จากภายนอกเพื่อกระตุ้นการปลดปล่อยชีวโมเลกุลที่ถูกห่อหุ้มไว้ผ่านรูพรุนในชั้นเคลือบที่มีโครงสร้างระดับนาโนได้
 

ภาพแผนผังของเซลล์สำหรับการปรับสภาพด้วยอัลตราซาวนด์ (a) ภาพแผนผังของกระบวนการสร้างโครงสร้างบนพื้นผิวที่เกิดขึ้นระหว่างการปรับสภาพพื้นผิวไทเทเนียมด้วยอัลตราซาวนด์ในสารละลายด่างในน้ำ (b) และพื้นผิวที่เกิดขึ้น (c) ภาพถ่ายวัสดุฝังในไทเทเนียม (d): ชิ้นที่มีสีออกเขียว (ตัวอย่างด้านซ้ายในมือ) คือวัสดุฝังในหลังการปรับสภาพด้วยอัลตราซาวนด์ ส่วนชิ้นที่มีสีออกเหลือง (ตัวอย่างที่อยู่ด้านขวา) คือวัสดุฝังในที่ไม่ได้รับการปรับเปลี่ยน
(การศึกษาและภาพ: ©Kuvyrkov et al., 2020)

เครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงสำหรับการสร้างโครงสร้างระดับนาโนบนพื้นผิววัสดุฝังในที่เป็นโลหะ

Hielscher Ultrasonics มีเครื่องอัลตราซาวนด์ครบทุกกลุ่มสำหรับการใช้งานระดับนาโน เช่น การสร้างโครงสร้างระดับนาโนบนพื้นผิวโลหะ (เช่น ไทเทเนียมและโลหะผสม) Hielscher มีเครื่องอัลตราซาวนด์และโซโนโทรด (โพรบ) ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับงานสร้างโครงสร้างระดับนาโนของคุณ โดยพิจารณาจากวัสดุ พื้นที่ผิว และปริมาณการผลิตวัสดุฝังในต่อหน่วยเวลา
ข้อได้เปรียบหลักประการหนึ่งของเครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher คือการควบคุมแอมพลิจูดอย่างแม่นยำ และความสามารถในการให้แอมพลิจูดสูงมากระหว่างการทำงานอย่างต่อเนื่อง 24/7 แอมพลิจูด ซึ่งหมายถึงการกระจัดของโพรบอัลตราซาวนด์ เป็นตัวกำหนดความเข้มของการปรับสภาพด้วยอัลตราซาวนด์) จึงเป็นพารามิเตอร์สำคัญสำหรับการปรับสภาพด้วยอัลตราซาวนด์ที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิผล

การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพที่ผลิตในเยอรมนี

เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher เป็นที่รู้จักดีในด้านมาตรฐานคุณภาพและการออกแบบที่สูงที่สุด ความแข็งแกร่งทนทานและการใช้งานง่ายช่วยให้ผสานเครื่องอัลตราซาวนด์ของเราเข้ากับสถานประกอบการอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher รองรับสภาวะที่รุนแรงและสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการสูงได้อย่างง่ายดาย

Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานสะดวก แน่นอนว่าเครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher เป็นไปตามข้อกำหนด CE และตรงตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs

รูปแบบการเลี้ยวเบน XRD ของชั้นเคลือบไททาเนียที่ผลิตโดยการปรับสภาพด้วยความร้อนของไทเทเนียมที่ขัดผิวแล้ว (a) และไทเทเนียมที่ขัดผิวแล้วและผ่านการปรับสภาพด้วยวิธีโซโนเคมี (b); ภาพ SEM ของพื้นผิวไทเทเนียมที่ขัดผิวแล้ว (c) และพื้นผิวไทเทเนียมไดออกไซด์ที่มีรูพรุนระดับเมโซซึ่งสร้างด้วยวิธีโซโนเคมี (d) การปรับสภาพด้วยอัลตราซาวนด์ดำเนินการโดยใช้เครื่องอัลตราซาวนด์ UIP1000hdT
(การศึกษาและภาพ: ©Kuvyrkov et al., 2018)