Сонотехнічно наноструктуровані імпланти, що покращують остеоінтеграцію

Імпланти, ортопедичні протези та дентальні імпланти виготовляються переважно з титану та його сплавів. Ультразвукова обробка використовується для створення наноструктурованих поверхонь на металевих імплантах. Ультразвукове наноструктурування дозволяє модифікувати металеві поверхні, генеруючи рівномірно розподілені нанорозмірні візерунки на поверхнях імплантів. Ці наноструктуровані металеві імпланти демонструють значно покращене зростання тканин та остеоінтеграцію, що призводить до підвищення клінічних показників успішності.

Ультразвуково наноструктуровані імпланти для покращеної остеоінтеграції

Використання металів, включаючи титан та його сплави, є поширеним у виготовленні ортопедичних та дентальних імплантів завдяки їхнім сприятливим поверхневим властивостям, які забезпечують встановлення біосумісного інтерфейсу з перимплантними тканинами. Для оптимізації ефективності цих імплантів були розроблені стратегії модифікації природи цього інтерфейсу шляхом впровадження нанорозмірних змін на поверхні. Такі модифікації чинять помітний вплив на критичні аспекти, включаючи адсорбцію білків, взаємодію між клітинами та поверхнею імпланта (взаємодія клітина–субстрат) та подальший розвиток навколишньої тканини. Точно інженеруючи ці зміни нанометрового рівня, вчені прагнуть посилити біоінтеграцію та загальну ефективність імплантів, що призводить до покращених клінічних результатів у галузі імплантології.

Протокол ультразвукового наноструктурування титанових імплантів

Кілька досліджень продемонстрували просте, але високо ефективне наноструктурування поверхонь титану та сплавів за допомогою високоефективного ультразвуку. Сонотехнічна обробка (тобто ультразвукова обробка) призводить до утворення шорсткого шару діоксиду титану губчастої структури, який значно покращує проліферацію клітин.
Структурування титанової поверхні за допомогою сонотехнічної обробки: зразки титану розміром 20 × 20 × 0,5 mm попередньо полірували та послідовно промивали деіонізованою водою, ацетоном та етанолом для видалення будь-яких забруднень. Після цього зразки титану обробляли ультразвуком у 5 m розчині NaOH за допомогою ультразвукового гомогенізатора Hielscher UIP1000hd, що працював на частоті 20 kHz (див. зображення ліворуч). Гомогенізатор був оснащений сонотродом BS2d22 (площа поверхні наконечника 3,8 cm2) та підсилювачем B4-1.4, який збільшував робочу амплітуду в 1,4 рази. Механічна амплітуда становила ≈81 μm. Згенерована інтенсивність становила 200 W cm−2. Максимальна потужність введення становила 760 W, що є результатом множення інтенсивності на фронтальну площу (3,8 cm2) використаного сонотрода BS2d22. Зразки титану були закріплені у саморобному тефлоновому тримачі та оброблялися протягом 5 min.
(пор. Ulasevich et al., 2020)

Морфологія первісної титанової поверхні (a), мезопористої поверхні діоксиду титану (TMS), виготовленої сонотехнічно, у вигляді верхнього виду та перерізу (b), а також верхній вид та переріз нанотрубок діоксиду титану (TNT), отриманих електрохімічним окисненням (c). Вставки показують схеми наноструктурування поверхні. Схема, що демонструє осадження гідроксиапатиту (HA) у пори матриці діоксиду титану (d-f). Зображення СЕМ наноструктурованого сонотехнічно титану (TMS) та поверхонь TNT з хімічно осадженим HA: TMS-HA (g) та TNT-HA (h) відповідно.
(дослідження та зображення: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Механізм ультразвукового наноструктурування металевих поверхонь

Ультразвукова обробка металевих поверхонь призводить до механічного травлення титанових поверхонь, що спричиняє утворення мезопористої структури на титані.
Механізм ультразвукової дії базується на акустичній кавітації, яка виникає, коли низькочастотні ультразвукові хвилі високої інтенсивності вводяться в рідину. Коли високоефектний ультразвук поширюється через рідину, генеруються чергування циклів високого тиску / низького тиску. Під час циклів низького тиску в рідині утворюються крихітні вакуумні бульбашки, так звані кавітаційні бульбашки. Ці кавітаційні бульбашки зростають протягом кількох циклів тиску, доки не можуть поглинати подальшу енергію. У цей момент максимального зростання бульбашки кавітаційна бульбашка імплодує з бурхливим вибухом і створює високоенергетичне мікросередовище. Енергетично насичене поле акустичної/ультразвукової кавітації характеризується високими перепадами тиску та температури, що демонструють тиск до 2 000atm та температури приблизно 5000 K, високосхвидкісні струмені рідини зі швидкістю до 280m/sec та ударні хвилі. Коли така кавітація відбувається поблизу металевої поверхні, виникають не лише механічні сили, а й хімічні реакції.
За цих умов відбуваються окисно-відновні реакції, що призводять до окисних реакцій та утворення шару титанію. Окрім генерації активних форм кисню (ROS), які окиснюють титанову поверхню, ультразвуково згенеровані окисно-відновні реакції забезпечують ефективне травлення поверхні, що призводить до отримання шару діоксиду титану товщиною 1 μm. Це означає, що діоксид титану частково розчиняється в лужному розчині, генеруючи пори, розподілені безладно.
Сонохімічний метод пропонує швидкий та універсальний спосіб виготовлення наноструктурованих матеріалів, як неорганічних, так і органічних, які часто недосяжні за допомогою традиційних методів. Головною перевагою цієї техніки є те, що поширення кавітації генерує великі локальні градієнти температури в твердих тілах, що призводить до матеріалів з пористим шаром та безладними наноструктурами за кімнатних умов. Додатково, зовнішнє ультразвукове опромінення можна використовувати для ініціювання вивільнення інкапсульованих біомолекул через пори в наноструктурованому покритті.

Схематичне зображення комірки для ультразвукової обробки (a), Схематичне зображення процесу структурування поверхні, що відбувається під час ультразвукової обробки титанової поверхні в водному лужному розчині (b), та сформованої поверхні (c), фото титанових імплантатів (d): зелений зразок (лівий зразок у руці) є імплантатом після ультразвукової обробки, жовтуватий зразок (зразок, розташований праворуч) є немодифікованим імплантатом.
(дослідження та зображення: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Високоефективні соникатори для наноструктурування поверхонь металевих імплантатів

Hielscher Ultrasonics пропонує повний асортимент соникаторів для нанозастосувань, таких як наноструктурування металевих поверхонь (наприклад, титану та сплавів). Залежно від матеріалу, площі поверхні та пропускної здатності виробництва імплантатів, Hielscher пропонує вам ідеальний соникатор і сонотрод (зонд) для вашого застосування з наноструктуруванням.
Однією з головних переваг соникаторів Hielscher є точне керування амплітудою та здатність забезпечувати дуже високі амплітуди в режимі безперервної роботи 24/7. Амплітуда, яка є зміщенням ультразвукового зонда, відповідає за інтенсивність ультразвукової обробки) і тому є критичним параметром надійної та ефективної ультразвукової обробки.

Дизайн, виробництво та консалтинг – Якість, зроблена в Німеччині

Ультразвукові обробники Hielscher відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації забезпечують легку інтеграцію наших ультразвукових обробників у промислові об’єкти. Жорсткі умови та складні середовища легко витримуються ультразвуковими обробниками Hielscher.

Hielscher Ultrasonics – компанія, сертифікована за стандартом ISO, яка приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим обробникам, що мають передові технології та зручний інтерфейс користувача. Звичайно, ультразвукові обробники Hielscher відповідають вимогам CE та вимогам UL, CSA і RoHs.

Дифрактограми XRD покриття з діоксиду титану, виготовленого шляхом термічної обробки полірованого титану (a) та полірованого титану, обробленого сонохімічно (b); зображення SEM полірованої поверхні титану (c) та поверхні діоксиду титану з мезопористою структурою, отриманої шляхом сонохімічної обробки (d). Ультразвукову обробку виконували за допомогою обробника UIP1000hdT.
(дослідження та зображення: ©Kuvyrkov et al., 2018)