Імпланти, ортопедичні протези і зубні імплантати виготовляються в основному з титану і сплавів. Ультразвукова обробка використовується для створення наноструктурованих поверхонь на металевих імплантатах. Ультразвукова наноструктуризація дозволяє модифікувати металеві поверхні, генеруючи рівномірно розподілені нанорозмірні візерунки на поверхнях імплантатів. Ці наноструктуровані металеві імплантати демонструють значно покращений ріст тканин та остеоінтеграцію, що призводить до покращення клінічних показників успіху.

Ультразвуково наноструктуровані імплантати для поліпшення остеоінтеграції

При виготовленні ортопедичних і зубних імплантатів переважає використання металів, включаючи титан і сплави, завдяки їх сприятливим властивостям поверхні, що дозволяє встановити біосумісний інтерфейс з периімплантатними тканинами. Для оптимізації продуктивності цих імплантатів були розроблені стратегії зміни природи цього інтерфейсу шляхом реалізації нанорозмірних змін на поверхні. Такі модифікації роблять помітний вплив на критичні аспекти, включаючи адсорбцію білка, взаємодію між клітинами і поверхнею імплантату (взаємодія клітина-субстрат) і подальший розвиток навколишніх тканин. Точно розробляючи ці зміни на нанометровому рівні, вчені прагнуть підвищити біоінтеграцію та загальну ефективність імплантатів, що призведе до поліпшення клінічних результатів в області імплантології.
 

Протокол ультразвукової наноструктуризації титанових імплантатів

Кілька дослідницьких досліджень продемонстрували просту, але високоефективну наноструктуризацію поверхонь титану і сплавів за допомогою ультразвуку високої інтенсивності. Сонохімічна обробка (тобто ультразвукова обробка) призводить до утворення шорсткого титанового шару губчастої структури, що значно підсилює проліферацію клітин.
Структурування поверхні титану за допомогою сонохімічної обробки: Зразки титану 20 × 20 × 0,5 мм були попередньо відполіровані та промиті деіонізованою водою, ацетоном та етанолом послідовно для усунення будь-яких забруднень. Після цього зразки титану були ультразвуково оброблені в 5 м розчині NaOH за допомогою ультразвукового апарату Hielscher UIP1000hd, що працює на частоті 20 кГц (див. малюнок ліворуч). Ультразвуковий пристрій був оснащений сонотродом BS2d22 (площа поверхні наконечника 3,8 см2) і бустером B4-1,4, збільшуючи робочу амплітуду в 1,4 рази. Механічна амплітуда склала ≈81 мкм. Інтенсивність генерації становила 200 Вт см−2. Максимальна вхідна потужність склала 760 Вт в результаті множення інтенсивності на фронтальну площу (з 3,8 см2) використовуваного сонотрода BS2d22. Зразки титану закріплювали в саморобному тримачі для тефлону і обробляли протягом 5 хв.
(пор. Уласевич та ін., 2020)
 

Морфологія незайманої титанової поверхні (a), сонохімічно виготовленої мезопористої поверхні титану (TMS) зверху та поперечного перерізу (b), а також верхнього виду та поперечного перерізу титанових нанотрубок (TNT), отриманих електрохімічним окисленням (c). Вставки показують схеми поверхневої наноструктуризації. Схема, що показує осадження гідроксиапатиту (ГК) в пори титанової матриці (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 ультразвукової наноструктуризації 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 в рідину. Коли ультразвук високої потужності проходить через рідину, генеруються чергування циклів високого тиску / низького тиску. Під час циклів низького тиску в рідині виникають хвилинні вакуумні бульбашки, так звані кавітаційні бульбашки. Ці кавітаційні бульбашки ростуть протягом декількох циклів тиску, поки вони не можуть поглинути подальшу енергію. У цій точці максимального зростання бульбашки кавітаційний міхур вибухає з сильним вибухом і створює дуже енергоємне мікросередовище. Енергоємне поле акустичної / ультразвукової кавітації характеризується високими перепадами тиску та температури, що демонструють тиск до 2,000 атм і температурою близько 5000 K, високошвидкісними струменями рідин зі швидкістю до 280 м / сек та ударними хвилями. Коли така кавітація виникає 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. Окрім генерації активних форм кисню (АФК), які окислювали титанову поверхню, ультразвукові реакції окислення-відновлення забезпечують ефективне травлення поверхні, що призводить до отримання шару діоксиду титану товщиною 1 мкм. Це означає, що діоксид титану частково розчиняється в лужному розчині, генеруючи пори, розподілені безладно.
Сонохімічний метод пропонує швидкий і універсальний для виготовлення наноструктурованих матеріалів, як неорганічних, так і органічних, які часто недосяжні за допомогою звичайних методів. Основною перевагою цієї методики є те, що поширення кавітації генерує великі локальні градієнти температури в твердих тілах, в результаті чого утворюються матеріали з пористим шаром і невпорядкованими наноструктурами в кімнатних умовах. Крім того, зовнішнє ультразвукове опромінення може бути використано 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 поверхні титану у водному лужному розчині(б) і формованій поверхні (в), фото титанових імплантатів (г): зеленуватий (лівий зразок в руці) імплантується після ультразвукового лікування, жовтуватий (зразок розташований праворуч) - немодифікований імплантат.
(дослідження та зображення: ©Кувирков та ін., 2020)

Високопродуктивні ультразвукові апарати для наноструктурування металевих поверхонь імплантатів

Hielscher Ultrasonics пропонує повний спектр ультразвукових пристроїв для нано-застосувань, таких як наноструктурування металевих поверхонь (наприклад, титану та сплавів). Залежно від матеріалу, площі поверхні та пропускної здатності виробництва імплантатів, Hielscher пропонує вам ідеальний ультразвуковий пристрій і сонотрод (зонд) для застосування наноструктурування.
Однією з головних переваг ультразвукових апаратів Hielscher є точний контроль амплітуди та здатність доставляти дуже високі амплітуди в безперервній роботі 24/7. Амплітуда, яка є зміщенням ультразвукового зонда, відповідає за інтенсивність ультразвукової обробки) і, отже, вирішальний параметр надійного та ефективного ультразвукового лікування.

Дизайн, виробництво та консалтинг – Якість виробництва Німеччини

Hielscher ультраакукатори добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і проста експлуатація дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. Грубі умови та вимогливе середовище легко обробляються ультразвуковими апаратами Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є сертифікованою ISO компанією і робить особливий акцент на високопродуктивних ультразвукових апаратах, що відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для користувачів. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher сумісні з CE і відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.

XRD візерунки титанового покриття, виготовленого термічною обробкою полірованого титану (a) та сонохімічно обробленого полірованого титану (b); SEM-зображення полірованої поверхні титану (c) та сонохімічно генерованої мезопористої поверхні діоксиду титану (d). Ультразвукова обробка була виконана за допомогою ультразвукового апарату UIP1000hdT.
(дослідження та зображення: ©Кувирков та ін., 2018)