Cấy ghép cấu trúc nano Sonochemically cải thiện Osseointegration

Cấy ghép, phục hình chỉnh hình và cấy ghép nha khoa được làm chủ yếu từ titan và hợp kim. Sonication được sử dụng để tạo ra các bề mặt có cấu trúc nano trên cấy ghép kim loại. Cấu trúc nano siêu âm cho phép sửa đổi bề mặt kim loại tạo ra các mẫu kích thước nano phân bố đồng đều trên bề mặt cấy ghép. Những cấy ghép kim loại có cấu trúc nano này cho thấy sự phát triển mô được cải thiện đáng kể và tích hợp xương dẫn đến tỷ lệ thành công lâm sàng được cải thiện.

Cấy ghép cấu trúc nano siêu âm để cải thiện Osseointegration

Việc sử dụng kim loại, bao gồm titan và hợp kim, phổ biến trong chế tạo cấy ghép chỉnh hình và nha khoa do đặc tính bề mặt thuận lợi của chúng, cho phép thiết lập giao diện tương thích sinh học với các mô quanh implant. Để tối ưu hóa hiệu suất của các cấy ghép này, các chiến lược đã được phát triển để sửa đổi bản chất của giao diện này bằng cách thực hiện các thay đổi kích thước nano trên bề mặt. Những sửa đổi như vậy có ảnh hưởng đáng chú ý đến các khía cạnh quan trọng, bao gồm hấp phụ protein, tương tác giữa các tế bào và bề mặt cấy ghép (tương tác tế bào-cơ chất) 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 nhằm mục đích tăng cường tính tích hợp sinh học và hiệu quả tổng thể của cấy ghép, dẫn đến cải thiện kết quả lâm sàng trong lĩnh vực cấy ghép.
 

Giao thức siêu âm Nanocấu trúc của cấy ghép titan

Một số nghiên cứu đã chứng minh cấu trúc nano đơn giản nhưng hiệu quả cao của bề mặt titan và hợp kim bằng siêu âm cường độ cao. Việc xử lý sonochemical (tức là điều trị siêu âm) dẫn đến sự hình thành một lớp titania thô ráp có cấu trúc giống như bọt biển, cho thấy tăng cường đáng kể sự tăng sinh tế bào.
Cấu trúc bề mặt titan thông qua xử lý sonochemical: Các mẫu titan 20 × 20 × 0,5 mm trước đây đã được đánh bóng và rửa bằng nước khử ion, acetone và ethanol liên tiếp để loại bỏ bất kỳ chất gây ô nhiễm nào. Sau đó, các mẫu titan được xử lý siêu âm trong dung dịch NaOH 5 m bằng cách sử dụng máy siêu âm Hielscher UIP1000hd hoạt động ở 20 kHz (xem hình bên trái). Sonicator được trang bị sonotrode BS2d22 (diện tích bề mặt của đầu 3,8 cm2) và bộ tăng áp B4-1,4, phóng đại biên độ làm việc 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 do sự nhân cường độ với diện tích phía trước (với 3,8 cm2) của sonotrode BS2d22 được sử dụng. Các mẫu titan được cố định trong giá đỡ Teflon tự chế và được xử lý trong 5 phút.
(xem Ulasevich và cộng sự, 2020)
 

Hình thái của bề mặt titan nguyên sơ (a), bề mặt mesoporous titania chế tạo sonochemical (TMS) nhìn từ trên xuống và mặt cắt ngang (b), và mặt cắt ngang và mặt cắt ngang của ống nano titania (TNT) thu được bằng quá trình oxy hóa điện hóa (c). Insets cho thấy các sơ đồ của cấu trúc nano bề mặt. Sơ đồ cho thấy sự lắng đọng hydroxyapatite (HA) vào lỗ chân lông của ma trận titania (d-f). Hình ảnh SEM của bề mặt titan cấu trúc nano sonochemical (TMS) và TNT với HA LẮNG ĐỌNG HÓA HỌC: TMS-HA (g) và TNT-HA (h), tương ứng.
(nghiên cứu và hình ảnh: ©Kuvyrkov và cộng sự, 2020)

Cơ chế cấu trúc nano siêu âm của bề mặt kim loại

Việc xử lý siêu âm bề mặt kim loại dẫn đến khắc cơ học bề mặt titan, gây ra sự hình thành cấu trúc mesoporous trên titan.
Cơ chế của cơ chế siêu âm dựa trên xâm thực âm thanh, xảy ra khi sóng siêu âm tần số thấp, cường độ cao được ghép thành chất lỏng. Khi siêu âm công suất cao đi qua chất lỏng, các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp xen kẽ được tạo ra. Trong các chu kỳ áp suất thấp bong bóng chân không phút, cái gọi là bong bóng xâm thực phát sinh trong chất lỏng. Những bong bóng xâm thực này phát triển qua nhiều chu kỳ áp suất cho đến khi chúng không thể hấp thụ thêm bất kỳ năng lượng nào. Tại thời điểm tăng trưởng bong bóng tối đa này, bong bóng xâm thực nổ tung với một vụ nổ dữ dội và tạo ra một môi trường vi mô dày đặc năng lượng. Trường dày đặc năng lượng của xâm thực âm thanh / siêu âm được đặc trưng bởi chênh lệch áp suất và nhiệt độ cao thể hiện áp suất lên đến 2.000atm và nhiệt độ xấp xỉ 5000 K, máy bay phản lực chất lỏng tốc độ cao với vận tốc lên tới 280m / giây và sóng xung kích. Khi xâm thực như vậy xảy ra gần bề mặt kim loại, không chỉ các lực cơ học, mà cả các phản ứng hóa học cũng xảy ra.
Trong những điều kiện này, các phản ứng oxy hóa khử diễn ra dẫn đến phản ứng oxy hóa và hình thành lớp titan. Bên cạnh việc tạo ra các loại oxy phản ứng (ROS) oxy hóa bề mặt titan, các phản ứng oxy hóa-giảm được tạo ra bằng siêu âm cung cấp khắc bề mặt hiệu quả dẫn đến thu được lớp titanium dioxide dày 1 μm. Điều này có nghĩa là, titanium dioxide hòa tan một phần trong dung dịch kiềm tạo ra các lỗ chân lông phân bố mất trật tự.
Phương pháp sonochemical cung cấp nhanh chóng và linh hoạt để chế tạo các vật liệu có cấu trúc nano, cả vô cơ và hữu cơ, thường không thể đạt được thông qua các phương pháp thông thường. Ưu điểm chính của kỹ thuật này là sự lan truyền của xâm thực tạo ra độ dốc nhiệt độ cục bộ lớn trong chất rắn, dẫn đến các vật liệu có lớp xốp và cấu trúc nano rối loạn ở điều kiện phòng. Ngoài ra, chiếu xạ siêu âm bên ngoài có thể được sử dụng để kích hoạt giải phóng các phân tử sinh học đóng gói thông qua lỗ chân lông trong lớp phủ có cấu trúc nano.
 

Minh họa sơ đồ của tế bào sonication (a), Sơ đồ minh họa quá trình 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 hình thành (c), ảnh cấy ghép titan (d): màu xanh lục (mẫu bên trái trong tay) được cấy ghép sau khi xử lý siêu âm, màu vàng (mẫu nằm bên phải) là cấy ghép không sửa đổi.
(nghiên cứu và hình ảnh: ©Kuvyrkov và cộng sự, 2020)

Sonicators hiệu suất cao cho cấu trúc nano bề mặt cấy ghép kim loại

Hielscher Ultrasonics cung cấp đầy đủ các sonicators cho các ứng dụng nano như cấu trúc nano của bề mặt kim loại (ví dụ như titan và hợp kim). Tùy thuộc vào vật liệu, diện tích bề mặt và thông lượng sản xuất của cấy ghép, Hielscher cung cấp cho bạn sonicator lý tưởng và sonotrode (đầu dò) cho bạn ứng dụng cấu trúc nano.
Một trong những ưu điểm chính của máy âm thanh Hielscher là kiểm soát biên độ chính xác và khả năng cung cấp biên độ rất cao trong hoạt động liên tục 24/7. Biên độ, đó là sự dịch chuyển của đầu dò siêu âm, chịu trách nhiệm cho cường độ sonication) và do đó một thông số quan trọng của điều trị siêu âm đáng tin cậy và hiệu quả.

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng Sản xuất tại Đức

Hielscher ultrasonicators nổi tiếng với chất lượng cao nhất và tiêu chuẩn thiết kế của họ. Mạnh mẽ và hoạt động dễ dàng cho phép tích hợp trơn tru của ultrasonicators của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi dễ dàng được xử lý bởi Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics là một công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt nhấn mạnh vào ultrasonicators hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, Hielscher ultrasonicators là CE tuân thủ và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Các mẫu XRD của lớp phủ titania được chế tạo bằng cách xử lý nhiệt titan đánh bóng (a) và titan đánh bóng được xử lý sonochemical (b); Hình ảnh SEM của bề mặt titan được đánh bóng (c) và bề mặt titanium dioxide mesoporous được tạo ra sonochemical (d). Sonication được thực hiện bằng cách sử dụng sonicator UIP1000hdT.
(nghiên cứu và hình ảnh: ©Kuvyrkov et al., 2018)