Сонохимично наноструктуровані імплантати, що покращують остеоінтеграцію

Імплантати, ортопедичні протези та зубні імплантати виготовляються переважно з титану та сплавів. Ультразвук використовується для створення наноструктурованих поверхонь на металевих імплантатах. Ультразвукове наноструктурування дозволяє модифікувати металеві поверхні, генеруючи рівномірно розподілені нанорозмірні візерунки на поверхнях імплантатів. Ці наноструктуровані металеві імплантати демонструють значне покращення росту тканин та остеоінтеграції, що призводить до покращення показників клінічного успіху.

Ультразвукові наноструктуровані імплантати для покращеної остеоінтеграції

Використання металів, включаючи титан і сплави, переважає при виготовленні ортопедичних і дентальних імплантатів завдяки їх сприятливим поверхневим властивостям, що дозволяють встановлювати біосумісний інтерфейс з периімплантатними тканинами. Щоб оптимізувати продуктивність цих імплантатів, були розроблені стратегії модифікації природи цього інтерфейсу шляхом впровадження нанорозмірних змін на поверхні. Такі модифікації надають помітний вплив на критичні аспекти, включаючи адсорбцію білків, взаємодію між клітинами та поверхнею імплантату (взаємодія клітина-субстрат), а також подальший розвиток навколишніх тканин. Точно проектуючи ці зміни на рівні нанометрів, вчені прагнуть покращити біоінтеграцію та загальну ефективність імплантатів, що призводить до покращення клінічних результатів у галузі імплантології.
 

Протокол ультразвукового наноструктурування титанових імплантатів

Кілька досліджень продемонстрували просте, але високоефективне наноструктурування поверхонь титану та сплавів за допомогою ультразвуку високої інтенсивності. Сонохимическая обробка (тобто лікування ультразвуком) призводить до утворення шорсткого титанового шару губчастої структури, який значно підсилює проліферацію клітин.
Структурування титанової поверхні за допомогою сонохімічної обробки: зразки титану 20 × 20 × 0,5 мм були попередньо відполіровані та промиті деіонізованою водою, ацетоном та етанолом послідовно для видалення будь-яких забруднень. Після цього зразки титану піддавали ультразвуковій обробці в 5 м розчині NaOH за допомогою ультразвукового апарату Hielscher UIP1000hd, який працював на частоті 20 кГц (див. малюнок ліворуч). Звукорежисер оснащувався сонотродом BS2d22 (площа поверхні наконечника 3,8 см2) і бустером В4-1,4, що збільшує робочу амплітуду в 1,4 рази. Механічна амплітуда становила ≈81 мкм. Генерована інтенсивність становила 200 Вт см−2. Максимальна споживана потужність склала 760 Вт в результаті множення інтенсивності на лобову площу (з 3,8 см2) використовуваного сонотрода BS2d22. Титанові зразки закріплювали в саморобному тефлоновому тримачі і обробляли протягом 5 хв.
(пор. Уласевич та ін., 2020)
 

Морфологія первозданної титанової поверхні (a), вид зверху та поперечного перерізу сонохімічно виготовленої мезопористої поверхні титанію (TMS), а також вид зверху та поперечний переріз титанових нанотрубок (TNT), отриманих шляхом електрохімічного окислення (c). Вставки показують схеми наноструктурування поверхні. Схема, що показує відкладення гідроксиапатиту (HA) в пори титанового матриксу (d-f). SEM-зображення сонохімічних наноструктурованих поверхонь титану (TMS) і TNT з хімічно нанесеними HA: TMS-HA (g) і TNT-HA (h) відповідно.
(дослідження та зображення: ©Кувирков та ін., 2020)

Механізм ультразвукового наноструктурування металевих поверхонь

Ультразвукова обробка металевих поверхонь призводить до механічного травлення титанових поверхонь, що викликає утворення мезопористої структури на титані.
Механізм ультразвукового механізму заснований на акустичній кавітації, яка виникає при з'єднанні низькочастотних, високоінтенсивних ультразвукових хвиль з рідиною. Коли ультразвук високої потужності проходить через рідину, утворюються цикли високого / низького тиску, що чергуються. Під час циклів низького тиску в рідині виникають хвилинні вакуумні бульбашки, так звані кавітаційні бульбашки. Ці кавітаційні бульбашки ростуть протягом декількох циклів тиску, поки не зможуть поглинути подальшу енергію. У цій точці максимального зростання бульбашки кавітаційна бульбашка вибухає сильним вибухом і створює високоенергетично насичене мікросередовище. Енергоємне поле акустичної/ультразвукової кавітації характеризується високими перепадами тиску та температури, що демонструють тиск до 2 000 атм і температуру близько 5000 К, високошвидкісні струмені рідин зі швидкістю до 280 м/сек та ударні хвилі. При виникненні такої кавітації поблизу металевої поверхні відбуваються не тільки механічні сили, але і хімічні реакції.
У цих умовах протікають окислювально-відновні реакції, що призводять до окислювальних реакцій і утворення титанового шару. Крім утворення активних форм кисню (АФК), які окислюють поверхню титану, ультразвукові окислювально-відновні реакції забезпечують ефективне поверхневе травлення, в результаті чого виходить шар діоксиду титану товщиною 1 мкм. Це означає, що діоксид титану частково розчиняється в лужному розчині, утворюючи пори, розподілені безладно.
Сонохімічний метод пропонує швидкий і універсальний спосіб виготовлення наноструктурованих матеріалів, як неорганічних, так і органічних, які часто неможливо досягти звичайними методами. Основна перевага цього методу полягає в тому, що при поширенні кавітації генеруються великі локальні градієнти температури в твердих тілах, в результаті чого в кімнатних умовах утворюються матеріали з пористим шаром і невпорядкованими наноструктурами. Крім того, зовнішнє ультразвукове опромінення може бути використане для запуску вивільнення інкапсульованих біомолекул через пори в наноструктурованому покритті.
 

Схематична ілюстрація ультразвукової клітини (а), Схематична ілюстрація процесу структурування поверхні, що відбувається при ультразвуковій обробці титанової поверхні у водному лужному розчині (б) і формованій поверхні (с), фото титанових імплантатів (г): зеленувата (ліва проба в руці) - імплантат після ультразвукового лікування, жовтувата (зразок розташований справа) - немодифікований імплантат.
(дослідження та зображення: ©Кувирков та ін., 2020)

Високоефективні ультразвукові апарати для наноструктурування металевих поверхонь імплантатів

Hielscher Ultrasonics пропонує повний спектр ультразвукових приладів для нано-застосувань, таких як наноструктурування металевих поверхонь (наприклад, титану та сплавів). Залежно від матеріалу, площі поверхні та виробничої пропускної здатності імплантатів, компанія Hielscher пропонує вам ідеальний ультразвуковий апарат та сонотрод (зонд) для нанесення наноструктурування.
Однією з головних переваг звукорежисерів Hielscher є точне регулювання амплітуди та можливість видавати дуже високі амплітуди в безперервній роботі 24/7. Амплітуда, яка є зміщенням ультразвукового зонда, відповідає за інтенсивність ультразвукового випромінювання) і, отже, є найважливішим параметром надійного та ефективного ультразвукового лікування.

Проектування, виробництво та консалтинг – Якість зроблено в Німеччині

Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. З важкими умовами та вимогливими умовами легко справляються ультразвукові апарати Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є сертифікованою компанією ISO і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, які відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для використання. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.

XRD зразки титанового покриття, виготовлені шляхом термічної обробки полірованого титану (а) і сонохімічно обробленого полірованого титану (б); SEM-зображення полірованої титанової поверхні (c) та сонохімічно генерованої мезопористої поверхні діоксиду титану (d). Ультразвукове дослідження проводилося за допомогою ультразвукового апарату UIP1000hdT.
(дослідження та зображення: ©Кувирков та ін., 2018)