Osseointegrasyonu İyileştiren Sonokimyasal Olarak Nanoyapılandırılmış İmplantlar

İmplantlar, ortopedik protezler ve dental implantlar esas olarak titanyum ve alaşımlardan yapılır. Metalik implantlar üzerinde nanoyapılı yüzeyler oluşturmak için sonikasyon kullanılır. Ultrasonik nanoyapılandırma, implant yüzeylerinde eşit dağılımlı nano boyutlu desenler oluşturarak metalik yüzeylerin değiştirilmesine olanak tanır. Bu nanoyapılı metalik implantlar, doku büyümesinde ve osseointegrasyonda belirgin bir iyileşme göstererek klinik başarı oranlarının artmasına yol açar.

Daha İyi Osseointegrasyon İçin Ultrasonik Olarak Nanoyapılandırılmış İmplantlar

Titanyum ve alaşımlar dahil olmak üzere metaller, implant çevresindeki dokularla biyouyumlu bir arayüz oluşturulmasını sağlayan elverişli yüzey özellikleri nedeniyle ortopedik ve dental implantların üretiminde yaygın olarak kullanılır. Bu implantların performansını optimize etmek için yüzeyde nano ölçekli değişiklikler yaparak bu arayüzün niteliğini değiştirmeye yönelik stratejiler geliştirilmiştir. Bu tür değişiklikler; protein adsorpsiyonu, hücreler ile implant yüzeyi arasındaki etkileşimler (hücre–substrat etkileşimleri) ve ardından çevre dokunun gelişimi gibi kritik unsurlar üzerinde dikkate değer bir etki gösterir. Bilim insanları, nanometre düzeyindeki bu değişiklikleri hassas biçimde tasarlayarak implantların biyointegrasyonunu ve genel etkinliğini artırmayı ve böylece implantoloji alanında klinik sonuçları iyileştirmeyi amaçlar.
 

Titanyum İmplantların Ultrasonik Nanoyapılandırılması İçin Protokol

Çeşitli araştırmalar, yüksek yoğunluklu ultrason kullanılarak titanyum ve alaşım yüzeylerinin basit ancak son derece etkili biçimde nanoyapılandırıldığını göstermiştir. Sonokimyasal işlem (yani ultrason işlemi), hücre çoğalmasını belirgin ölçüde artıran, sünger benzeri yapıya sahip pürüzlü bir titanya tabakasının oluşmasına yol açar.
Titanyum yüzeyin sonokimyasal işlemle yapılandırılması: 20 × 20 × 0,5 mm boyutlarındaki titanyum numuneler önceden parlatılmış ve tüm kirleticileri gidermek için sırasıyla deiyonize su, aseton ve etanol ile yıkanmıştır. Ardından titanyum numuneler, 20 kHz frekansta çalıştırılan Hielscher UIP1000hd ultrasonik sonikatörü kullanılarak 5 m NaOH çözeltisinde ultrasonik işleme tabi tutulmuştur (soldaki resme bakın). Sonikatör, BS2d22 sonotrodu (ucun yüzey alanı 3,8 cm2) ve çalışma genliğini 1,4 kat artıran B4-1.4 güçlendiricisi ile donatılmıştır. Mekanik genlik ≈81 μm olmuştur. Oluşturulan yoğunluk 200 W cm−2 olmuştur. Kullanılan BS2d22 sonotrodunun ön yüzey alanı (3,8 cm2) ile yoğunluğun çarpılması sonucunda elde edilen maksimum güç girişi 760 W olmuştur. Titanyum numuneler, el yapımı bir Teflon tutucuya sabitlenmiş ve 5 min boyunca işleme tabi tutulmuştur.
(bkz. Ulasevich et al., 2020)
 

İşlem görmemiş titanyum yüzeyin morfolojisi (a), sonokimyasal olarak üretilmiş titanya mezogözenekli yüzeyinin (TMS) üstten görünümü ve enine kesiti (b) ve elektrokimyasal oksidasyonla elde edilen titanya nanotüplerinin (TNT) üstten görünümü ve enine kesiti (c). Küçük ek görseller, yüzey nanoyapılandırmasının şemalarını göstermektedir. Hidroksiapatitin (HA) titanya matrisinin gözeneklerine çökelmesini gösteren şema (d–f). Kimyasal olarak çökeltilmiş HA içeren sonokimyasal olarak nanoyapılandırılmış titanyum (TMS) ve TNT yüzeylerinin SEM görüntüleri: sırasıyla TMS-HA (g) ve TNT-HA (h).
(çalışma ve görseller: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Metal Yüzeylerin Ultrasonik Nanoyapılandırılmasının Mekanizması

Metal yüzeylerin ultrasonik işleme tabi tutulması, titanyum yüzeylerin mekanik olarak aşındırılmasına yol açarak titanyum üzerinde mezogözenekli bir yapının oluşmasına neden olur.
Ultrasonik işlemin mekanizması, düşük frekanslı, yüksek yoğunluklu ultrason dalgalarının bir sıvıya aktarılmasıyla meydana gelen akustik kavitasyona dayanır. Yüksek güçlü ultrason bir sıvı içinde ilerlediğinde, dönüşümlü yüksek basınç / düşük basınç döngüleri oluşur. Düşük basınç döngüleri sırasında sıvıda, kavitasyon kabarcıkları olarak adlandırılan çok küçük vakum kabarcıkları ortaya çıkar. Bu kavitasyon kabarcıkları, daha fazla enerji soğuramaz hale gelene kadar birkaç basınç döngüsü boyunca büyür. Kabarcığın maksimum büyüklüğe ulaştığı bu noktada, kavitasyon kabarcığı şiddetli bir patlamayla içe çöker ve enerji yoğunluğu çok yüksek bir mikro ortam oluşturur. Akustik/ultrasonik kavitasyonun enerji yoğunluğu yüksek alanı; 2.000atm değerine kadar basınçlar ve yaklaşık 5000 K sıcaklıklar sergileyen yüksek basınç ve sıcaklık farkları, hızları 280m/sec değerine kadar ulaşan yüksek hızlı sıvı jetleri ve şok dalgaları ile karakterize edilir. Bu tür kavitasyon metalik bir yüzeyin yakınında meydana geldiğinde, mekanik kuvvetlerin yanı sıra kimyasal reaksiyonlar da oluşur.
Bu koşullar altında, oksidatif reaksiyonlara ve titanya tabakası oluşumuna yol açan redoks reaksiyonları gerçekleşir. Ultrasonik olarak oluşturulan oksidasyon–indirgenme reaksiyonları, titanyum yüzeyi oksitleyen reaktif oksijen türlerini (ROS) üretmenin yanı sıra, 1 μm kalınlığında bir titanyum dioksit tabakasının elde edilmesiyle sonuçlanan etkili bir yüzey aşındırması sağlar. Bu, titanyum dioksitin alkali çözeltide kısmen çözünerek düzensiz dağılımlı gözenekler oluşturduğu anlamına gelir.
Sonokimyasal yöntem, hem inorganik hem de organik olan ve geleneksel yöntemlerle çoğu zaman elde edilemeyen nanoyapılı malzemelerin üretimi için hızlı ve çok yönlü bir yöntem sunar. Bu tekniğin başlıca avantajı, kavitasyonun yayılmasının katılarda büyük yerel sıcaklık gradyanları oluşturması ve bunun sonucunda oda koşullarında gözenekli bir tabakaya ve düzensiz nanoyapılara sahip malzemeler elde edilmesidir. Ayrıca, dışarıdan uygulanan ultrason ışınlaması, kapsüllenmiş biyomoleküllerin nanoyapılı kaplamadaki gözeneklerden salınmasını tetiklemek için kullanılabilir.
 

Sonikasyon hücresinin şematik gösterimi (a), bir titanyum yüzeyin sulu alkali çözeltide ultrasonik işleme tabi tutulması sırasında gerçekleşen yüzey yapılandırma sürecinin şematik gösterimi (b) ve oluşan yüzey (c), titanyum implantların fotoğrafı (d): yeşilimsi olan (eldeki sol numune), ultrasonik işlem sonrası implanttır; sarımsı olan (sağda bulunan numune), modifiye edilmemiş implanttır.
(çalışma ve görseller: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Metalik İmplant Yüzeylerinin Nanoyapılandırılması İçin Yüksek Performanslı Sonikatörler

Hielscher Ultrasonics, metalik yüzeylerin (ör. titanyum ve alaşımlar) nanoyapılandırılması gibi nano uygulamalar için eksiksiz bir sonikatör yelpazesi sunar. Hielscher, implantların malzemesine, yüzey alanına ve üretim kapasitesine bağlı olarak nanoyapılandırma uygulamanız için ideal sonikatörü ve sonotrodu (probu) sunar.
Hielscher sonikatörlerinin başlıca avantajlarından biri, hassas genlik kontrolü ve kesintisiz 24/7 çalışmada çok yüksek genlikler sağlama kapasitesidir. Ultrasonik probun yer değiştirmesi olan genlik, sonikasyon yoğunluğunu belirler) ve dolayısıyla güvenilir ve etkili ultrasonik işlem için kritik bir parametredir.

Tasarım, Üretim ve Danışmanlık – Almanya’da Üretilen Kalite

Hielscher ultrasonik sonikatörleri, en yüksek kalite ve tasarım standartlarıyla tanınır. Sağlamlık ve kolay kullanım, ultrasonik sonikatörlerimizin endüstriyel tesislere sorunsuz entegrasyonunu sağlar. Hielscher ultrasonik sonikatörleri, zorlu koşulların ve yüksek gereksinimli ortamların üstesinden kolaylıkla gelir.

Hielscher Ultrasonics, ISO sertifikalı bir şirkettir ve en son teknolojiye ve kullanıcı dostu özelliklere sahip yüksek performanslı ultrasonik sonikatörlere özellikle önem verir. Elbette Hielscher ultrasonik sonikatörleri CE uyumludur ve UL, CSA ve RoHs gerekliliklerini karşılar.

Parlatılmış titanyumun (a) ve sonokimyasal olarak işlenmiş parlatılmış titanyumun (b) ısıl işlemiyle üretilen titanya kaplamasının XRD desenleri; parlatılmış titanyum yüzeyin (c) ve sonokimyasal olarak oluşturulmuş mezogözenekli titanyum dioksit yüzeyin (d) SEM görüntüleri. Sonikasyon, UIP1000hdT sonikatörü kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
(çalışma ve görseller: ©Kuvyrkov et al., 2018)