İmplantlar, ortopedik protezler ve diş implantları esas olarak titanyum ve alaşımlarından yapılır. Sonikasyon, metalik implantlar üzerinde nanoyapılı yüzeyler oluşturmak için kullanılır. Ultrasonik nanoyapısallaştırma, implant yüzeylerinde eşit olarak dağıtılmış nano boyutlu desenler üreten metalik yüzeyleri modifiye etmeyi sağlar. Bu nanoyapılı metalik implantlar, klinik başarı oranlarının artmasına yol açan önemli ölçüde gelişmiş doku büyümesi ve osseointegrasyon göstermektedir.

Gelişmiş Osseointegrasyon için Ultrasonik Nanoyapılı İmplantlar

Titanyum ve alaşımları da dahil olmak üzere metallerin kullanımı, uygun yüzey özellikleri nedeniyle ortopedik ve dental implantların imalatında yaygındır ve peri-implant dokularla biyouyumlu bir arayüz kurulmasını sağlar. Bu implantların performansını optimize etmek için, yüzeyde nano ölçekli değişiklikler uygulayarak bu arayüzün doğasını değiştirmek için stratejiler geliştirilmiştir. Bu tür modifikasyonlar, protein adsorpsiyonu, hücreler ve implant yüzeyi arasındaki etkileşimler (hücre-substrat etkileşimleri) ve daha sonra çevreleyen dokunun gelişimi dahil olmak üzere kritik yönler üzerinde kayda değer bir etkiye sahiptir. Bu nanometre seviyesindeki değişiklikleri hassas bir şekilde tasarlayarak, bilim adamları implantların biyoentegrasyonunu ve genel etkinliğini arttırmayı ve implantoloji alanında daha iyi klinik sonuçlara yol açmayı amaçlamaktadır.
 

Titanyum İmplantların Ultrasonik Nanostructuring Protokolü

Çeşitli araştırma çalışmaları, yüksek yoğunluklu ultrason kullanarak titanyum ve alaşımlı yüzeylerin basit, ancak yüksek etkili nanoyapısallaştırılmasını göstermiştir. Sonokimyasal tedavi (yani ultrason tedavisi), hücre proliferasyonunu önemli ölçüde artırdığını gösteren sünger benzeri yapıda kaba bir titania tabakasının oluşumuna yol açar.
Titanyum yüzeyinin sonokimyasal işlem yoluyla yapılandırılması: 20 × 20 × 0,5 mm'lik titanyum numuneleri daha önce cilalanmış ve herhangi bir kirletici maddeyi ortadan kaldırmak için art arda deiyonize su, aseton ve etanol ile yıkanmıştır. Daha sonra, titanyum örnekleri 20 kHz'de çalıştırılan Hielscher ultrasonicator UIP1000hd kullanılarak 5 m NaOH çözeltisinde ultrasonik olarak tedavi edildi (soldaki resme bakın). Sonikatör, sonotrode BS2d22 (ucun yüzey alanı 3.8 cm2) ve çalışma genliğini 1.4 kat büyüten B4-1.4 güçlendirici ile donatılmıştır. Mekanik genlik ≈81 μm idi. Üretilen yoğunluk 200 W cm−2 idi. Maksimum güç girişi, yoğunluğun kullanılan sonotrode BS2d22'nin ön alanı (3.8 cm2 ile) ile çarpımından kaynaklanan 760 W idi. Titanyum örnekleri ev yapımı bir Teflon tutucuya sabitlendi ve 5 dakika boyunca muamele edildi.
(Bkz. Ulasevich ve ark., 2020)
 

Bozulmamış titanyum yüzeyinin morfolojisi (a), sonokimyasal olarak imal edilmiş titanya mezogözenekli yüzey (TMS) üstten görünüm ve kesit (b) ve elektrokimyasal oksidasyon (c) ile elde edilen titanya nanotüplerinin (TNT) üstten görünümü ve kesiti. Girişler, yüzey nanoyapısının şemalarını gösterir. Titania matrisinin (d-f) gözeneklerine hidroksiapatit (HA) birikimini gösteren şema. Kimyasal olarak biriktirilmiş HA: TMS-HA (g) ve TNT-HA (h) ile sonokimyasal nanoyapılı titanyum (TMS) ve TNT yüzeylerinin SEM görüntüleri.
(çalışma ve görüntüler: ©Kuvyrkov ve ark., 2020)

Metal yüzeylerin ultrasonik nanostructuring mekanizması

Metal yüzeylerin ultrasonik işlemi, titanyum üzerinde mezogözenekli bir yapının oluşumuna neden olan titanyum yüzeylerin mekanik aşındırılmasına yol açar.
Ultrasonik mekanizmanın mekanizması, düşük frekanslı, yüksek yoğunluklu ultrason dalgaları bir sıvıya bağlandığında ortaya çıkan akustik kavitasyona dayanmaktadır. Yüksek güçlü ultrason bir sıvıdan geçtiğinde, alternatif yüksek basınç / düşük basınç döngüleri üretilir. Düşük basınç döngüleri sırasında dakika vakum kabarcıkları, sözde kavitasyon kabarcıkları sıvıda ortaya çıkar. Bu kavitasyon kabarcıkları, daha fazla enerji ememeyene kadar birkaç basınç döngüsü boyunca büyür. Maksimum kabarcık büyümesinin bu noktasında, kavitasyon kabarcığı şiddetli bir patlama ile patlar ve oldukça enerji yoğun bir mikro ortam yaratır. Enerji yoğun akustik / ultrasonik kavitasyon alanı, 2.000atm'ye kadar basınçlar ve yaklaşık 5000 K'lık sıcaklıklar sergileyen yüksek basınç ve sıcaklık farkları, 280m / sn'ye kadar hızlara sahip yüksek hızlı sıvı jetleri ve şok dalgaları ile karakterizedir. Böyle bir kavitasyon metalik bir yüzeyin yakınında meydana geldiğinde, sadece mekanik kuvvetler değil, aynı zamanda kimyasal reaksiyonlar da meydana gelir.
Bu koşullarda, oksidatif reaksiyonlara ve titanya tabakası oluşumuna yol açan redoks reaksiyonları meydana gelir. Titanyum yüzeyini oksitleyen reaktif oksijen türlerinin (ROS) üretilmesinin yanı sıra, ultrasonik olarak üretilen oksidasyon-indirgeme reaksiyonları, 1 μm kalınlığında titanyum dioksit tabakasının elde edilmesiyle sonuçlanan etkili yüzey aşındırma sağlar. Bu, titanyum dioksitin kısmen düzensiz dağılmış gözenekleri üreten alkali çözelti içinde çözündüğü anlamına gelir.
Sonokimyasal yöntem, geleneksel yöntemlerle genellikle elde edilemeyen hem inorganik hem de organik nanoyapılı malzemelerin üretimi için hızlı ve çok yönlü bir yöntem sunar. Bu tekniğin en büyük avantajı, kavitasyonun yayılmasının katılarda büyük yerel sıcaklık gradyanları oluşturması ve oda koşullarında gözenekli bir tabakaya ve düzensiz nanoyapılara sahip malzemelerle sonuçlanmasıdır. Ek olarak, harici ultrason ışınlaması, kapsüllenmiş biyomoleküllerin nanoyapılı kaplamadaki gözeneklerden salınmasını tetiklemek için kullanılabilir.
 

Sonikasyon hücresinin şematik gösterimi (a), Sulu alkali çözelti (b) ve oluşturulmuş yüzey (c) içinde bir titanyum yüzeyin ultrasonik tedavisi sırasında gerçekleşen yüzey yapılandırma işleminin şematik gösterimi, titanyum implantların fotoğrafı (d): yeşilimsi olan (eldeki sol örnek) ultrasonik tedaviden sonra implanttır, sarımsı olan (örnek sağda bulunur) modifiye edilmemiş implanttır.
(çalışma ve görüntüler: ©Kuvyrkov ve ark., 2020)

Metalik İmplant Yüzeylerinin Nanokonstrüksiyonu için Yüksek Performanslı Sonikatörler

Hielscher Ultrasonics, metalik yüzeylerin (örneğin titanyum ve alaşımları) nanoyapısı gibi nano uygulamalar için sonikatörlerin tam yelpazesini sunar. İmplantların malzemesine, yüzey alanına ve üretim çıktısına bağlı olarak, Hielscher size nano yapılandırma uygulaması için ideal sonikatör ve sonotrode (prob) sunar.
Hielscher sonikatörlerin ana avantajlarından biri, hassas genlik kontrolü ve sürekli 7/24 operasyonda çok yüksek genlikler sunma yeteneğidir. Ultrasonik probun yer değiştirmesi olan genlik, sonikasyon yoğunluğundan sorumludur) ve bu nedenle güvenilir ve etkili ultrasonik tedavinin çok önemli bir parametresidir.

Tasarım, İmalat ve Danışmanlık – Almanya'da Üretilen Kalite

Hielscher ultrasonicators iyi onların en yüksek kalite ve tasarım standartları için bilinir. Sağlamlık ve kolay kullanım, ultrasonicator'larımızın endüstriyel tesislere sorunsuz entegrasyonunu sağlar. Zorlu koşullar ve zorlu ortamlar kolayca Hielscher ultrasonicators tarafından ele alınır.

Hielscher Ultrasonics, ISO sertifikalı bir şirkettir ve state-of-the-son teknoloji ve kullanıcı dostu özelliğine sahip yüksek performanslı ultrasonicator'lara özel önem vermektedir. Tabii ki, Hielscher ultrasonicators CE uyumlu ve UL, CSA ve RoHs gereksinimlerini karşılamak.

Cilalı titanyum (a) ve sonokimyasal olarak işlenmiş cilalı titanyumun (b) ısıl işlemiyle üretilen titanya kaplamanın XRD desenleri; Cilalı titanyum yüzeyinin (c) ve sonokimyasal olarak üretilen mezoporöz titanyum dioksit yüzeyinin (d) SEM görüntüleri. Sonikasyon sonicator UIP1000hdT kullanılarak gerçekleştirildi.
(çalışma ve görüntüler: ©Kuvyrkov ve ark., 2018)