Wat is de bijzondere betekenis van oppervlaktebehandeling voor medische implantaten?

1. Verbeter de biocompatibiliteit en verminder afstotingsreacties.
Biocompatibiliteit is een belangrijke behoefte aan medische implantaten. Het betekent dat materialen geen slechte reacties zoals toxiciteit, sensibilisatie, ontsteking of trombose mogen veroorzaken wanneer ze in contact komen met menselijk weefsel. Oppervlaktebehandeling verbetert de oppervlaktekwaliteiten van implantaten met behulp van fysische of chemische benaderingen. Dit maakt ze veel biocompatibeler.
Door methoden als zandstralen, zuuretsen en laserbewerking toe te passen, worden ruwe structuren op micro- of nano-schaal op het oppervlak van het implantaat gemaakt. Dit vergroot het oppervlak en het weefselcontactgebied, waardoor cellen aan het implantaat blijven kleven en groeien. Na zandstralen en zuuretsen kan de oppervlakteruwheid (Sa-waarde) van tandheelkundige implantaten bijvoorbeeld tussen de 1 en 2 μm worden gehouden, wat de sterkte van de botverbinding aanzienlijk kan vergroten en het genezingsproces kan versnellen.
Chemische modificatie: Het toevoegen van bioactieve groepen zoals hydroxyl- en aminogroepen aan het oppervlak van implantaten, of het toevoegen van mineralen die botten helpen groeien, zoals strontium en calcium, om de chemische interactie tussen materialen en weefsels te verbeteren. Na het anodiseren vormt zich een dikke oxidefilm op het oppervlak van de titaniumlegering. Vervolgens worden elektrochemische methoden gebruikt om calcium- en fosforelementen in te bedden om de samenstelling van natuurlijk bot na te bootsen en de ontwikkeling van botcellen te stimuleren.
Biocoatingtechnologie: Biokeramiek (zoals hydroxyapatiet) of bioactieve glascoatings worden op het oppervlak van implantaten aangebracht met behulp van technologieën zoals plasmasproeien en elektrochemische afzetting. Deze coatings zijn direct betrokken bij de mechanismen die ervoor zorgen dat botten werken. Uit onderzoek blijkt dat de osseo-integratiesnelheid van met hydroxyapatiet-gecoate implantaten ruim 40% hoger is dan die van onbehandelde implantaten.
2. Verbeter de weerstand tegen corrosie en verleng de levensduur
Medische implantaten moeten langdurige blootstelling aan menselijke lichaamsvloeistoffen doorstaan, die gemakkelijk kunnen worden geërodeerd door corrosieve stoffen zoals chloride-ionen en eiwitten. Deze corrosie resulteert in het oplossen van metaalionen en het loslaten van coatings, wat mogelijk ontstekingsreacties of falen van het implantaat kan veroorzaken. Door een dikke beschermlaag te creëren, verhoogt de oppervlaktebehandeling de corrosieweerstand van implantaten aanzienlijk.
Passiveringsbehandeling: Na behandeling met salpeterzuur vormt zich een chroomoxide-passiveringsfilm op het oppervlak van roestvrijstalen implantaten. Deze film voorkomt dat metaalionen naar buiten sijpelen en verlaagt de corrosiesnelheid tot minder dan 0,001 mm/jaar, wat nodig is voor implantatie op de lange- termijn.
Microboogoxidatietechnologie: een elektrisch veld met hoge- spanning wordt gebruikt om microboogontlading op het oppervlak van de titaniumlegering te stimuleren. Hierdoor ontstaat een keramische oxidefilm die titanium, zuurstof en fosfor bevat. Het kan harder worden dan 1000 HV en is drie keer beter bestand tegen slijtage dan gewone anodische oxidefilms. Het werkt goed voor situaties met veel gewicht, zoals gewrichtsprothesen.
Met behulp van Physical Vapour Deposition (PVD) of Chemical Vapour Deposition (CVD) technologie kunnen TiN, TiAlN en andere harde coatings op nanoschaal worden aangebracht op het oppervlak van implantaten met een dikte van slechts 1–5 μm. Dit kan de corrosieweerstand met meer dan 50% verbeteren, de wrijvingscoëfficiënt verlagen en de hoeveelheid slijtagedeeltjes verminderen.
3. Geef het antibacteriële eigenschappen en verklein de kans op ziek worden
Infecties die optreden na een operatie zijn een van de belangrijkste redenen waarom medische implantaten falen. Infecties bij orthopedische, cardiovasculaire en andere implantaten kunnen bijvoorbeeld in 1% tot 5% van de gevallen voorkomen. Oppervlaktebehandeling werkt goed om te voorkomen dat bacteriën aan oppervlakken blijven kleven en biofilms vormen door oppervlakken te maken die bacteriën doden of door antibacteriële chemicaliën toe te voegen.
Oppervlakte-enting van antibacteriële groepen: Antibacteriële groepen zoals quaternaire ammoniumzouten en fluoriden worden aan het oppervlak van het implantaat toegevoegd met behulp van plasmabehandeling of chemische enting. Dit verandert de structuur van het bacteriële celmembraan en heeft langdurige- antibacteriële effecten. Een antibacteriële coating die zilver bevat, kan bijvoorbeeld 99% van de Staphylococcus aureus doden en langer dan 30 dagen effectief blijven.
Op licht-responsieve intelligente coating: hierbij worden fotosensitizers (zoals porfyrineverbindingen) op het oppervlak van implantaten geplaatst en wordt licht van een bepaalde golflengte gebruikt om reactieve zuurstofsoorten (ROS) te maken die ziektekiemen vernietigen zonder de gastheercellen te beschadigen. Deze methode is gebruikt om de oppervlakken te desinfecteren van apparatuur die gemakkelijk infecties kan verspreiden, zoals endoscopen en katheters.
Antibacteriële coating en medicijnafgifte werken samen: Antibiotica zoals vancomycine en gentamicine worden aan de biokeramische coating toegevoegd om te controleren hoe snel de coating afbreekt, waardoor de medicijnen vrijkomen. De concentratie van het medicijn in het gebied kan meer dan 1000 keer hoger zijn dan de concentratie van het medicijn in het bloed, waardoor infecties na de operatie worden gestopt.
4. Verbeter het vermogen tot osseo-integratie en de snelheid van klinisch succes.
Voor orthopedische, tandheelkundige en andere implantaten is het vermogen tot osseo-integratie een belangrijk aspect van klinisch succes. Oppervlaktebehandeling versnelt het proces van botintegratie door de vorm, chemische samenstelling en biologische activiteit van het oppervlak te beheersen, waardoor botcellen blijven plakken, groeien en veranderen.
Dubbelzuuretsbehandelingstechnologie: Door twee zuren (zoals HCl+H ₂ SO ₄ gemengd zuur en HNO 3-oplossing) te gebruiken in een twee--proces, wordt een poriënstructuur op meerdere- niveaus gecreëerd op het oppervlak van het implantaat. Deze structuur heeft een ruwheid op micrometer-niveau die zorgt voor mechanische in elkaar grijpende kracht en poriën op nanometer-niveau die de biologische activiteit verhogen, waardoor de verbinding tussen het implantaat en het bot met meer dan 30% sterker wordt.
3D-printen van poreuze structuren: Met behulp van selectieve lasersmelttechnologie (SLM) worden poreuze implantaten van titaniumlegeringen gemaakt die 60% tot 80% poreus zijn en poriën hebben die 200 tot 500 μm breed zijn. Dit simuleert de natuurlijke trabeculaire structuur van het bot, stimuleert de groei van bloedvaten en botweefsel en bereikt ‘biologische fixatie’. Klinisch bewijs geeft aan dat de osseo-integratieduur van implantaten met een poreuze structuur 50% korter is dan die van vaste structuren.
Bioactieve moleculen veranderen: Bioactieve moleculen zoals botmorfogenetisch eiwit (BMP) en collageen op het oppervlak van implantaten plaatsen om signaalroutes te starten die botcellen helpen differentiëren. Implantaten die zijn vervangen met BMP-2 kunnen bijvoorbeeld de tijd die nodig is voor osseo-integratie verkorten van 3 maanden naar 6 weken en het slagingspercentage van implantatie verhogen tot meer dan 98%.