Osseointegrasyonu Geliştiren Sonokimyasal Nanoyapılı İmplantlar

İmplantlar, ortopedik protezler ve diş implantları esas olarak titanyum ve alaşımlarından yapılır. Sonikasyon, metalik implantlar üzerinde nanoyapılı yüzeyler oluşturmak için kullanılır. Ultrasonik nano yapılandırma, implant yüzeylerinde eşit olarak dağılmış nano boyutlu desenler oluşturarak metalik yüzeylerin değiştirilmesine izin verir. Bu nanoyapılı metalik implantlar, klinik başarı oranlarının artmasına yol açan önemli ölçüde gelişmiş bir doku büyümesi ve osseointegrasyon gösterir.

Gelişmiş Osseointegrasyon için Ultrasonik Nanoyapılı İmplantlar

Titanyum ve alaşımlar da dahil olmak üzere metallerin kullanımı, elverişli yüzey özellikleri nedeniyle ortopedik ve dental implantların imalatında yaygındır ve implant çevresi 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 ardından çevreleyen dokunun gelişimi dahil olmak üzere kritik yönler üzerinde dikkate değer bir etkiye sahiptir. Bilim adamları, nanometre düzeyindeki bu değişiklikleri hassas bir şekilde tasarlayarak, implantların biyoentegrasyonunu ve genel etkinliğini artırmayı ve implantoloji alanında daha iyi klinik sonuçlara yol açmayı amaçlamaktadır.
 

Titanyum İmplantların Ultrasonik Nano Yapılandırılması için Protokol

Birkaç araştırma çalışması, yüksek yoğunluklu ultrason kullanarak titanyum ve alaşımlı yüzeylerin basit ama yüksek etkili nano yapılandırılmasını göstermiştir. Sonokimyasal tedavi (yani ultrason tedavisi), hücre proliferasyonunu önemli ölçüde artıran sünger benzeri yapıya sahip kaba bir titanya tabakasının oluşumuna yol açar.
Sonokimyasal işlemle titanyum yüzeyinin yapılandırılması: 20 × 20 × 0,5 mm'lik titanyum numuneleri daha önce parlatılmış 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, sonotrot BS2d22 (ucun yüzey alanı 3.8 cm2) ve güçlendirici B4-1.4 ile donatıldı ve çalışma genliğini 1.4 kat büyüttü. Mekanik genlik ≈81 μm idi. Üretilen yoğunluk 200 W cm-2 idi. Maksimum güç girişi, kullanılan sonotrot BS2d22'nin ön alanı (3.8 cm2 ile) ile yoğunluğun çarpılmasından kaynaklanan 760 W idi. Titanyum numuneler ev yapımı bir Teflon tutucuya sabitlendi ve 5 dakika boyunca muamele edildi.
(bkz. Ulasevich ve diğerleri, 2020)
 

Bozulmamış titanyum yüzeyinin morfolojisi (a), sonokimyasal olarak üretilmiş titanya mezogözenekli yüzey (TMS) üstten görünüşü ve kesiti (b) ve elektrokimyasal oksidasyon (c) ile elde edilen titanya nanotüplerinin (TNT) üstten görünümü ve kesiti. İç kısımlar, yüzey nano yapılanmasının şemalarını gösterir. Hidroksiapatitin (HA) titanya matrisinin (df) gözeneklerine birikmesini gösteren şema. Kimyasal olarak birikmiş HA ile sonokimyasal nanoyapılı titanyum (TMS) ve TNT yüzeylerinin SEM görüntüleri: sırasıyla TMS-HA (g) ve TNT-HA (h).
(çalışma ve görüntüler: ©Kuvyrkov ve ark., 2020)

Metal Yüzeylerin Ultrasonik Nano Yapılanma Mekanizması

Metal yüzeylerin ultrasonik işlemi, titanyum yüzeylerin mekanik olarak aşındırılmasına yol açar ve bu da titanyum üzerinde mezogözenekli bir yapı oluşumuna neden olur.
Ultrasonik mekanizmanın mekanizması, düşük frekanslı, yüksek yoğunluklu ultrason dalgaları bir sıvıya bağlandığında meydana gelen akustik kavitasyona dayanır. Yüksek güçlü ultrason bir sıvının içinden geçtiğinde, alternatif yüksek basınç / düşük basınç döngüleri üretilir. Düşük basınç döngüleri sırasında, dakika vakum kabarcıkları, sıvıda kavitasyon kabarcıkları olarak adlandırılır. Bu kavitasyon kabarcıkları, daha fazla enerji ememeyecek duruma gelene 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. Akustik/ultrasonik kavitasyonun enerji yoğun alanı, 2.000 atm'ye kadar basınç ve yaklaşık 5000 K sıcaklık sergileyen yüksek basınç ve sıcaklık farkları, 280 m/sn'ye kadar hızlara sahip yüksek hızlı sıvı jetleri ve şok dalgaları ile karakterize edilir. 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 alkali çözelti içinde kısmen çözündüğü ve düzensiz dağılmış gözenekler oluşturduğu anlamına gelir.
Sonokimyasal yöntem, genellikle geleneksel yöntemlerle 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 bunun da oda koşullarında gözenekli bir tabakaya ve düzensiz nanoyapılara sahip malzemelerle sonuçlanmasıdır. Ek olarak, harici ultrason ışınlaması, nanoyapılı kaplamadaki gözeneklerden kapsüllenmiş biyomoleküllerin salınmasını tetiklemek için kullanılabilir.
 

Sonikasyon hücresinin şematik gösterimi (a), Sulu alkali çözelti (b) ve şekillendirilmiş 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 Nano Yapılandırılması için Yüksek Performanslı Sonikatörler

Hielscher Ultrasonics, metalik yüzeylerin nano yapılandırılması gibi nano uygulamalar için tam bir sonicator yelpazesi sunar (örneğin, titanyum ve alaşımlar). İmplantların malzemesine, yüzey alanına ve üretim verimine bağlı olarak, Hielscher size nano yapılandırma uygulamanız için ideal sonikatör ve sonotrot (prob) sunar.
Hielscher sonicators ana avantajlarından biri, hassas genlik kontrolü ve sürekli 7/24 çalışmada 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 en yüksek kalite ve tasarım standartları için iyi bilinir. Sağlamlık ve kolay kullanım, ultrasonicators'ımızın endüstriyel tesislere sorunsuz bir şekilde entegre edilmesini sağlar. Zorlu koşullar ve zorlu ortamlar Hielscher ultrasonicators tarafından kolayca ele alınır.

Hielscher Ultrasonics, ISO sertifikalı bir şirkettir ve en son teknoloji ve kullanıcı dostu özelliklere sahip yüksek performanslı ultrasonicators'a özel önem vermektedir. Tabii ki, Hielscher ultrasonicators CE uyumludur ve UL, CSA ve RoHs gereksinimlerini karşılar.

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