Osseointegratsiyani yaxshilaydigan sonokimyoviy nanostrukturalangan implantlar

Implantlar, ortopedik protezlar va tish implantlari asosan titan va qotishmalardan tayyorlanadi. Metall implantlarda nanostrukturalangan sirtlarni hosil qilish uchun ultratovush bilan ishlov berish qoʻllaniladi. Ultratovushli nanostrukturalash implant sirtlarida bir tekis taqsimlangan nanooʻlchamli tuzilmalarni hosil qilish orqali metall sirtlarni oʻzgartirish imkonini beradi. Ushbu nanostrukturalangan metall implantlarda toʻqima oʻsishi va osseointegratsiya sezilarli darajada yaxshilanadi, bu esa klinik muvaffaqiyat koʻrsatkichlarining oshishiga olib keladi.

Osseointegratsiyani yaxshilash uchun ultratovush yordamida nanostrukturalangan implantlar

Metallardan, jumladan titan va qotishmalardan ortopedik va tish implantlarini ishlab chiqarishda keng foydalaniladi, chunki ularning qulay sirt xususiyatlari implant atrofidagi toʻqimalar bilan biologik mos tutashuv yuzasini hosil qilish imkonini beradi. Ushbu implantlarning ishlash samaradorligini optimallashtirish uchun sirtga nanooʻlchamli oʻzgartirishlar kiritish orqali bu tutashuv yuzasining tabiatini oʻzgartirish strategiyalari ishlab chiqilgan. Bunday oʻzgartirishlar oqsil adsorbsiyasi, hujayralar va implant sirti oʻrtasidagi oʻzaro taʼsirlar (hujayra–substrat oʻzaro taʼsirlari) hamda atrofdagi toʻqimaning keyingi rivojlanishi kabi muhim jihatlarga sezilarli taʼsir koʻrsatadi. Nanometr darajasidagi ushbu oʻzgarishlarni aniq loyihalash orqali olimlar implantlarning biointegratsiyasi va umumiy samaradorligini oshirishni maqsad qiladilar, bu esa implantologiya sohasida klinik natijalarning yaxshilanishiga olib keladi.
 

Titan implantlarni ultratovush yordamida nanostrukturalash protokoli

Bir nechta ilmiy tadqiqotlarda yuqori intensivlikdagi ultratovush yordamida titan va qotishma sirtlarini sodda, ammo yuqori samarali nanostrukturalash namoyish etilgan. Sonokimyoviy ishlov berish (yaʼni ultratovush bilan ishlov berish) gubkasimon tuzilishga ega dagʻal titan dioksidi qatlamining hosil boʻlishiga olib keladi, bu esa hujayralar proliferatsiyasini sezilarli darajada kuchaytiradi.
Sonokimyoviy ishlov berish orqali titan sirtini strukturalash: 20 × 20 × 0,5 mm oʻlchamdagi titan namunalari har qanday ifloslantiruvchi moddalarni yoʻqotish uchun oldindan jilolangan va ketma-ket deionizatsiyalangan suv, atseton va etanol bilan yuvilgan. Shundan soʻng titan namunalariga 5 m NaOH eritmasida 20 kHz chastotada ishlaydigan Hielscher UIP1000hd ultratovush qurilmasi yordamida ultratovush bilan ishlov berilgan (chapdagi rasmga qarang). Ultratovush qurilmasi BS2d22 sonotrodi (uchining sirt maydoni 3,8 cm2) va ish amplitudasini 1,4 marta oshiradigan B4-1.4 kuchaytirgichi bilan jihozlangan. Mexanik amplituda ≈81 μm boʻlgan. Hosil qilingan intensivlik 200 W cm−2 boʻlgan. Maksimal kiritilgan quvvat 760 W boʻlib, u intensivlikni qoʻllanilgan BS2d22 sonotrodining old yuzasi maydoniga (3,8 cm2) koʻpaytirish natijasida olingan. Titan namunalari qoʻlda tayyorlangan Teflon tutqichga mahkamlangan va ularga 5 min davomida ishlov berilgan.
(qarang: Ulasevich et al., 2020)
 

Dastlabki titan sirtining morfologiyasi (a), sonokimyoviy usulda hosil qilingan titan dioksidining mezogʻovak sirti (TMS) yuqoridan koʻrinishi va koʻndalang kesimi (b) hamda elektrokimyoviy oksidlash orqali olingan titan dioksidi nanonaychalarining (TNT) yuqoridan koʻrinishi va koʻndalang kesimi (c). Ichki rasmlarda sirtni nanostrukturalash sxemalari koʻrsatilgan. Gidroksiapatitning (HA) titan dioksidi matritsasi gʻovaklariga choʻktirilishini koʻrsatuvchi sxema (d–f). Kimyoviy usulda HA choʻktirilgan sonokimyoviy nanostrukturalangan titan (TMS) va TNT sirtlarining SEM tasvirlari: mos ravishda TMS-HA (g) va TNT-HA (h).
(tadqiqot va tasvirlar: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Metall sirtlarni ultratovush yordamida nanostrukturalash mexanizmi

Metall sirtlarga ultratovush bilan ishlov berish titan sirtlarining mexanik oʻyilishiga olib keladi, bu esa titanda mezogʻovak tuzilmaning hosil boʻlishiga sabab boʻladi.
Ultratovushli ishlov berish mexanizmi akustik kavitatsiyaga asoslangan boʻlib, u past chastotali, yuqori intensivlikdagi ultratovush toʻlqinlari suyuqlikka uzatilganda yuzaga keladi. Yuqori quvvatli ultratovush suyuqlik orqali tarqalganda, navbatma-navbat yuqori bosim / past bosim sikllari hosil boʻladi. Past bosim sikllari davomida suyuqlikda kavitatsiya pufakchalari deb ataladigan juda kichik vakuum pufakchalari paydo boʻladi. Ushbu kavitatsiya pufakchalari boshqa energiya yuta olmaydigan holatga yetguncha bir nechta bosim sikli davomida oʻsadi. Pufakcha eng katta oʻlchamiga yetgan shu nuqtada kavitatsiya pufakchasi kuchli portlash bilan ichkariga qulaydi va energiya zichligi juda yuqori boʻlgan mikromuhitni hosil qiladi. Akustik/ultratovushli kavitatsiyaning energiya zichligi yuqori boʻlgan maydoni katta bosim va harorat farqlari bilan tavsiflanadi: bosimlar 2 000atm gacha, haroratlar taxminan 5000 K gacha yetadi, suyuqlikning yuqori tezlikdagi oqimchalari 280m/sec gacha tezlikka ega boʻladi va zarba toʻlqinlari yuzaga keladi. Bunday kavitatsiya metall sirt yaqinida sodir boʻlganda, mexanik kuchlar bilan birga kimyoviy reaksiyalar ham yuz beradi.
Ushbu sharoitlarda oksidlanish-qaytarilish reaksiyalari sodir boʻlib, oksidlanish reaksiyalariga va titan dioksidi qatlamining hosil boʻlishiga olib keladi. Ultratovush taʼsirida yuzaga keladigan oksidlanish-qaytarilish reaksiyalari titan sirtini oksidlagan kislorodning reaktiv shakllarini (ROS) hosil qilishdan tashqari, sirtning samarali oʻyilishini ham taʼminlaydi, buning natijasida 1 μm qalinlikdagi titan dioksidi qatlami olinadi. Bu titan dioksidining ishqoriy eritmada qisman erib, tartibsiz taqsimlangan gʻovaklarni hosil qilishini anglatadi.
Sonokimyoviy usul anʼanaviy usullar bilan koʻpincha hosil qilib boʻlmaydigan noorganik va organik nanostrukturalangan materiallarni tayyorlashning tezkor va koʻp imkoniyatli vositasini taqdim etadi. Ushbu texnikaning asosiy afzalligi shundaki, kavitatsiyaning tarqalishi qattiq jismlarda katta mahalliy harorat gradiyentlarini hosil qiladi, natijada xona sharoitlarida gʻovak qatlam va tartibsiz nanostrukturalarga ega materiallar olinadi. Bundan tashqari, tashqi ultratovush nurlanishidan kapsulalangan biomolekulalarning nanostrukturalangan qoplamadagi gʻovaklar orqali ajralib chiqishini qoʻzgʻatish uchun foydalanish mumkin.
 

Ultratovush bilan ishlov berish hujayrasining sxematik tasviri (a), suvli ishqoriy eritmada titan sirtiga ultratovush bilan ishlov berish davomida sodir boʻladigan sirtni strukturalash jarayonining sxematik tasviri (b) va hosil boʻlgan sirt (c), titan implantlar fotosurati (d): yashilroq implant (qoʻldagi chap namuna) ultratovush bilan ishlov berilgandan keyingi implant, sargʻishroq implant (oʻngda joylashgan namuna) esa oʻzgartirilmagan implantdir.
(tadqiqot va tasvirlar: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Metall implant sirtlarini nanostrukturalash uchun yuqori unumdor ultratovush qurilmalari

Hielscher Ultrasonics metall sirtlarni (masalan, titan va qotishmalarni) nanostrukturalash kabi nanoqoʻllanishlar uchun ultratovush qurilmalarining toʻliq assortimentini taklif etadi. Implantlarning materiali, sirt maydoni va ishlab chiqarish unumdorligiga qarab, Hielscher nanostrukturalash vazifangiz uchun eng mos ultratovush qurilmasi va sonotrodni (zondni) taklif etadi.
Hielscher ultratovush qurilmalarining asosiy afzalliklaridan biri amplitudani aniq boshqarish va uzluksiz 24/7 ishlashda juda yuqori amplitudalarni taʼminlash imkoniyatidir. Ultratovush zondining siljishi boʻlgan amplituda ultratovush bilan ishlov berish intensivligini belgilaydi) va shu sababli ishonchli hamda samarali ultratovushli ishlov berishning muhim parametridir.

Loyihalash, ishlab chiqarish va maslahat – Germaniyada yaratilgan sifat

Hielscher ultratovush qurilmalari eng yuqori sifat va loyihalash standartlari bilan mashhur. Mustahkamlik va ishlatish qulayligi ultratovush qurilmalarimizni sanoat obyektlariga muammosiz integratsiya qilish imkonini beradi. Hielscher ultratovush qurilmalari ogʻir sharoitlar va yuqori talablar qoʻyiladigan muhitlarda oson ishlaydi.

Hielscher Ultrasonics ISO sertifikatiga ega kompaniya boʻlib, eng ilgʻor texnologiya va foydalanuvchi uchun qulaylikni oʻzida birlashtirgan yuqori unumdor ultratovush qurilmalariga alohida eʼtibor qaratadi. Albatta, Hielscher ultratovush qurilmalari CE talablariga muvofiq boʻlib, UL, CSA va RoHs talablariga javob beradi.

Jilolangan titanga (a) va sonokimyoviy ishlov berilgan jilolangan titanga (b) termik ishlov berish orqali hosil qilingan titan dioksidi qoplamasining XRD difraktogrammalari; jilolangan titan sirti (c) va sonokimyoviy usulda hosil qilingan mezogʻovak titan dioksidi sirtining (d) SEM tasvirlari. Ultratovush bilan ishlov berish UIP1000hdT ultratovush qurilmasi yordamida bajarilgan.
(tadqiqot va tasvirlar: ©Kuvyrkov et al., 2018)