Vật cấy ghép được tạo cấu trúc nano bằng phương pháp hóa siêu âm giúp cải thiện khả năng tích hợp xương

Vật cấy ghép, bộ phận giả chỉnh hình và implant nha khoa được chế tạo chủ yếu từ titan và các hợp kim. Xử lý siêu âm được sử dụng để tạo các bề mặt có cấu trúc nano trên vật cấy ghép kim loại. Việc tạo cấu trúc nano bằng siêu âm cho phép biến đổi bề mặt kim loại, tạo ra các dạng cấu trúc kích thước nano phân bố đồng đều trên bề mặt vật cấy ghép. Những vật cấy ghép kim loại có cấu trúc nano này cho thấy sự phát triển mô và khả năng tích hợp xương được cải thiện đáng kể, giúp nâng cao tỷ lệ thành công trên lâm sàng.

Vật cấy ghép được tạo cấu trúc nano bằng siêu âm để cải thiện khả năng tích hợp xương

Kim loại, bao gồm titan và các hợp kim, được sử dụng phổ biến để chế tạo vật cấy ghép chỉnh hình và nha khoa nhờ các đặc tính bề mặt thuận lợi, cho phép hình thành một bề mặt tiếp giáp tương thích sinh học với các mô quanh vật cấy ghép. Để tối ưu hóa hiệu quả của những vật cấy ghép này, các chiến lược đã được phát triển nhằm thay đổi bản chất của bề mặt tiếp giáp này thông qua những biến đổi ở quy mô nano trên bề mặt. Những biến đổi đó có ảnh hưởng rõ rệt đến các khía cạnh quan trọng, bao gồm sự hấp phụ protein, tương tác giữa tế bào và bề mặt vật cấy ghép (tương tác tế bào–chất nền), và sự phát triển tiếp theo của mô xung quanh. Bằng cách thiết kế chính xác những thay đổi ở cấp độ nanomet này, các nhà khoa học hướng tới việc tăng cường khả năng tích hợp sinh học và hiệu quả tổng thể của vật cấy ghép, qua đó cải thiện kết quả lâm sàng trong lĩnh vực cấy ghép.
 

Quy trình tạo cấu trúc nano bằng siêu âm cho vật cấy ghép titan

Một số nghiên cứu đã chứng minh việc tạo cấu trúc nano trên bề mặt titan và hợp kim bằng siêu âm cường độ cao là đơn giản nhưng mang lại hiệu quả cao. Xử lý hóa siêu âm (tức là xử lý bằng siêu âm) dẫn đến sự hình thành một lớp titan dioxit nhám có cấu trúc dạng bọt biển, giúp tăng cường đáng kể sự tăng sinh tế bào.
Tạo cấu trúc bề mặt titan thông qua xử lý hóa siêu âm: Các mẫu titan có kích thước 20 × 20 × 0,5 mm được đánh bóng trước và rửa lần lượt bằng nước khử ion, axeton và etanol để loại bỏ mọi chất nhiễm bẩn. Sau đó, các mẫu titan được xử lý bằng siêu âm trong dung dịch NaOH 5 m bằng máy siêu âm Hielscher UIP1000hd hoạt động ở 20 kHz (xem hình bên trái). Máy siêu âm được trang bị đầu sonotrode BS2d22 (diện tích bề mặt đầu mút 3,8 cm2) và bộ tăng biên B4-1.4, khuếch đại biên độ làm việc lên 1,4 lần. Biên độ cơ học là ≈81 μm. Cường độ tạo ra là 200 W cm−2. Công suất đầu vào tối đa là 760 W, được tính bằng cách nhân cường độ với diện tích mặt trước (3,8 cm2) của đầu sonotrode BS2d22 được sử dụng. Các mẫu titan được cố định trong một giá đỡ Teflon tự chế và xử lý trong 5 min.
(cf. Ulasevich et al., 2020)
 

Hình thái của bề mặt titan nguyên trạng (a), hình nhìn từ trên xuống và mặt cắt ngang của bề mặt titan dioxit có lỗ xốp trung bình (TMS) được chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm (b), và hình nhìn từ trên xuống cùng mặt cắt ngang của các ống nano titan dioxit (TNT) thu được bằng quá trình oxy hóa điện hóa (c). Các hình nhỏ cho thấy sơ đồ tạo cấu trúc nano trên bề mặt. Sơ đồ thể hiện sự lắng đọng hydroxyapatit (HA) vào các lỗ xốp của nền titan dioxit (d-f). Ảnh SEM của bề mặt titan được tạo cấu trúc nano bằng phương pháp hóa siêu âm (TMS) và bề mặt TNT có HA được lắng đọng bằng phương pháp hóa học: lần lượt là TMS-HA (g) và TNT-HA (h).
(nghiên cứu và hình ảnh: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Cơ chế tạo cấu trúc nano trên bề mặt kim loại bằng siêu âm

Việc xử lý bề mặt kim loại bằng siêu âm dẫn đến sự ăn mòn cơ học trên bề mặt titan, gây hình thành cấu trúc mao quản trung bình trên titan.
Cơ chế siêu âm dựa trên hiện tượng xâm thực âm học, xảy ra khi sóng siêu âm tần số thấp, cường độ cao được truyền vào chất lỏng. Khi siêu âm công suất cao truyền qua chất lỏng, các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp luân phiên được tạo ra. Trong các chu kỳ áp suất thấp, những bọt chân không rất nhỏ, được gọi là bọt xâm thực, xuất hiện trong chất lỏng. Các bọt xâm thực này phát triển qua nhiều chu kỳ áp suất cho đến khi không thể hấp thụ thêm năng lượng. Tại thời điểm bọt đạt kích thước lớn nhất này, bọt xâm thực sụp đổ dữ dội và tạo ra một môi trường vi mô có mật độ năng lượng rất cao. Trường có mật độ năng lượng cao do xâm thực âm học/siêu âm tạo ra có đặc trưng là chênh lệch áp suất và nhiệt độ lớn, với áp suất lên đến 2.000atm và nhiệt độ khoảng 5000 K, các tia chất lỏng tốc độ cao với vận tốc lên đến 280m/sec và sóng xung kích. Khi hiện tượng xâm thực như vậy xảy ra gần bề mặt kim loại, cả lực cơ học lẫn phản ứng hóa học đều xuất hiện.
Trong những điều kiện này, các phản ứng oxy hóa–khử diễn ra, dẫn đến các phản ứng oxy hóa và sự hình thành lớp titan dioxit. Bên cạnh việc tạo ra các dạng oxy hoạt tính (ROS) làm oxy hóa bề mặt titan, các phản ứng oxy hóa–khử do siêu âm tạo ra còn ăn mòn bề mặt hiệu quả, từ đó thu được lớp titan dioxit dày 1 μm. Điều này có nghĩa là titan dioxit hòa tan một phần trong dung dịch kiềm, tạo ra các lỗ xốp phân bố không theo trật tự.
Phương pháp hóa siêu âm cung cấp một cách nhanh chóng và linh hoạt để chế tạo các vật liệu có cấu trúc nano, cả vô cơ lẫn hữu cơ, mà thường không thể thu được bằng các phương pháp thông thường. Ưu điểm chính của kỹ thuật này là sự lan truyền của hiện tượng xâm thực tạo ra các gradient nhiệt độ cục bộ lớn trong chất rắn, tạo nên vật liệu có lớp xốp và cấu trúc nano không có trật tự ở điều kiện phòng. Ngoài ra, có thể sử dụng việc chiếu siêu âm từ bên ngoài để kích hoạt sự giải phóng các phân tử sinh học được bao giữ thông qua các lỗ xốp trong lớp phủ có cấu trúc nano.
 

Sơ đồ minh họa buồng xử lý siêu âm (a), sơ đồ minh họa quá trình tạo cấu trúc bề mặt diễn ra trong quá trình xử lý siêu âm bề mặt titan trong dung dịch kiềm nước (b) và bề mặt được tạo thành (c), ảnh các vật cấy ghép titan (d): vật có màu hơi xanh lục (mẫu bên trái trong bàn tay) là vật cấy ghép sau khi xử lý siêu âm, vật có màu hơi vàng (mẫu nằm bên phải) là vật cấy ghép chưa được biến đổi.
(nghiên cứu và hình ảnh: ©Kuvyrkov et al., 2020)

Thiết bị siêu âm hiệu suất cao để tạo cấu trúc nano trên bề mặt vật cấy ghép kim loại

Hielscher Ultrasonics cung cấp đầy đủ các thiết bị siêu âm cho các ứng dụng nano như tạo cấu trúc nano trên bề mặt kim loại (ví dụ: titan và hợp kim). Tùy thuộc vào vật liệu, diện tích bề mặt và năng suất sản xuất vật cấy ghép, Hielscher cung cấp cho bạn thiết bị siêu âm và đầu siêu âm (đầu dò) lý tưởng cho ứng dụng tạo cấu trúc nano của bạn.
Một trong những ưu điểm chính của thiết bị siêu âm Hielscher là khả năng kiểm soát biên độ chính xác và khả năng cung cấp biên độ rất cao khi vận hành liên tục 24/7. Biên độ, tức độ dịch chuyển của đầu dò siêu âm, quyết định cường độ xử lý siêu âm) và do đó là một thông số then chốt để xử lý siêu âm đáng tin cậy và hiệu quả.

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng được tạo nên tại Đức

Các thiết bị siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn chất lượng và thiết kế cao nhất. Độ bền và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các thiết bị siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các thiết bị siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng những điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các thiết bị siêu âm hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến nhất và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các thiết bị siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Các giản đồ XRD của lớp phủ titan dioxit được tạo ra bằng cách xử lý nhiệt titan đã đánh bóng (a) và titan đã đánh bóng được xử lý hóa siêu âm (b); ảnh SEM của bề mặt titan đã đánh bóng (c) và bề mặt titan dioxit mao quản trung bình được tạo ra bằng phương pháp hóa siêu âm (d). Quá trình xử lý siêu âm được thực hiện bằng thiết bị siêu âm UIP1000hdT.
(nghiên cứu và hình ảnh: ©Kuvyrkov et al., 2018)