Design, physico-chemical characterization and bioactivity studies of hybrid nanostructured titanium surfaces for enhanced osseointegration

Resumen

Esta tesis se centra en el desarrollo de superficies hibridas basadas en titanio con una bioactividad mejorada para aplicaciones en regeneración de tejido óseo. En este trabajo se incluyen cuatro enfoques diferentes para la modificación de las superficies de titanio con potencial para ser utilizadas como implantes, mejorando el crecimiento y la fijación del tejido óseo en la superficie del implante. Además de una mejora en la actividad celular, algunas de las superficies en este estudio mostraron capacidad de mineralización de las células de osteoblastos, con potencial para conducir a una rápida formación del tejido óseo.Este trabajo tiene como objetivo general el contribuir a la comunidad científica en el área de biomateriales con el desarrollo de nuevos materiales funcionalizados en la nano-escala que podrían ser usados para mejorar la integración ósea y así, superar los posibles rechazos y/o inflamación generadas por los implantes.Un aspecto clave en la ingeniería de implantes ortopédicos es la de ¿bioactivar¿ su superficie. El uso de capas finas de carbono ha atraído una atención considerable en los campos biomédicos debido a su biocompatibilidad y su baja tasa de desgaste. Sin embargo, las capas de carbono son bioinertes y por lo tanto su bioactividad es inapropiada para el uso en implantes ortopédicos. En esta tesis se utilizó la técnica de magnetrón sputtering no-reactivo para producir capas finas de carbono amorfo, a-C, incluyendo el elemento biocompatible niobio (Nb) para alterar la química y nanotopografia de las capas de a-C con el fin de bioactivar la superficie de implantes recubiertos con carbono. Las capas de nanocompuestos de carburo de niobio (Nb-C) formadas a partir de la incorporación de Nb en las capas de a-C presentaron propiedades mecánicas mejoradas, tales como una relativa alta nanodureza, elevado módulo de Young y una inusual súper elasticidad.Es especialmente destacable que las células de preosteoblastos cultivadas sobre capas de Nb-C presentaron una adhesión y una actividad de fosfatasa alcalina (ALP, por sus siglas en inglés) mejorada, comparada con las células cultivadas sobre superficies de carbono y TiO2. Esta mejora se puede asociar a los efectos combinados de cambios en la química superficial y del refinamiento de la nano topografía generado por la incorporación del Nb.En los últimos años ha crecido el interés por utilizar los así llamados enfoques biológicos para optimizar el desempeño de implantes. En esta tesis se modifico la superficie de la titania (TiO2) con una multicapa auto-ensamblada de biopolímeros químicamente entrecruzados. La multicapa de biopolímero se fabricó en base a polímeros de origen natural; alginato y colágeno. Se observó que el titanio recubierto con la multicapa biopolímero reproduce de una forma muy cercana a la matriz extracelular del hueso en términos de bio-morfología y propiedades mecánicas. La multicapa se desarrollo mediante la técnica de capa-a-capa y se entrecruzó por medio de química de carbodiimidas para obtener una estructura estable y compacta.Los recubrimientos de alginato y colágeno mostraron una morfología fibrilar con un diámetro aparente de las fibras de ~50 nm y longitudes que variaron desde unos cientos de nanómetros a unas ~3 ¿m, imitando por tanto la matriz extracelular del hueso en la longitud y alcance de las fibras. Los análisis de espectroscopia de fuerzas de la capa revelaron un modulo de Young de unos pocos kPa, el cual concuerda con las propiedades mecánicas de las fibras de colágeno de origen natural.células de osteoblastos mostraron una adhesión mejorada en la superficie polimérica comparada con la superficie de titania sin recubrir, y una actividad biológica superior en términos de la mineralización especialmente con alginato como última capa en la multicapa.El estroncio, un elemento esencial en el ciclo de remodelación ósea, tiene grandes perspectivas en el desarrollo de terapias para enfermedades relacionadas con los huesos y con reemplazos ortopédicos. Sin embargo, su uso está limitado debido a que su aplicación efectiva mediante administración oral induce una respuesta tóxica y efectos secundarios indeseados. En esta tesis hemos incorporado también estroncio en titanio a través de cepillos poliméricos de acido poliacrílico (PAA), generados in situ a partir de la superficie de titanio. El estroncio forma un complejo con los grupos carboxilato del PAA y queda retenido en el cepillo. Este enfoque puede ayudar a superar los inconvenientes del tratamiento con estroncio, restringiendo su presencia solo a la superficie implantada y consecuentemente su acción a las células que se encuentren en contacto directo con la superficie del implante. Hemos utilizado por primera vez, a nuestro conocimiento, la modificación superficial de titanio con cepillos poliméricos con el fin de capturar estroncio y lograr una mejora en la osteoactividad del biomaterial. La concentración del estroncio puede ser variada por medio de la densidad de las cadenas en el cepillo de PAA enlazadas a la superficie de titanio. Una mayor densidad de cadenas poliméricas en el cepillo ofrece más grupos carboxilos para acomplejar estroncio La adhesión inicial de los osteoblastos fue mayor sobre estas estructuras poliméricas comparadas con la superficie de TiO2 sin recubrir. Además, los cepillos mostraron capacidad para promover la mineralización del tejido óseo en función de la concentración de estroncio. El efecto sinérgico del recubrimiento polimérico aumentando la biomineralización y osteoactividad del estroncio se confirmó con un aumento de la ALP y la osteocalcina, los elementos principales de la matriz extracelular (ECM, por sus siglas en inglés) mineralizada.La osteointegración en el titanio, el proceso de unión del implante al tejido óseo, depende en gran medida de la textura del titanio. La osteointegración se ve mejorada en superficies con características nano y micro, que simulen la textura de la matriz extracelular. En este trabajo también hemos realizado un decapado alcalino de aleaciones de titanio para refinar su textura superficial produciendo una topografía con detalles en escala micro y nano.La morfología resultante depende principalmente del tiempo de proceso y la concentración de NaOH utilizado. Empleando tiempos largos y altas concentraciones de NaOH hemos sido capaces de producir superficies rugosas e irregulares. La reacción de titanio con el NaOH forma una capa de titanato de sodio que usamos para incorporar estroncio. El estroncio es un elemento bioactivo, así que exploramos la capacidad de las superficies para incorporar el estroncio en función de su morfología. Encontramos que las condiciones ligeramente alcalinas son más favorables para el intercambio de iones entre el Na+ y Sr2+, resultando en una incorporación más alta de Sr2+ en la superficie de las aleaciones modificadas de Ti. La morfología superficial de las aleaciones antes del decapado influenciaron el contenido final de Sr2+ en la superficie. Las superficies más rugosas tienen una mayor capacidad para incorporar Sr2+, debido a que pueden reaccionar más intensamente con el NaOH, de tal forma que más área queda expuesta para el intercambio de iones.La evaluación preliminar de la bioactividad y biocompatibilidad con células de pre-osteblastos permite establecer un paralelo entre la morfología de los implantes y un mejor comportamiento biológico en cuanto las células de osteoblastos mostraron una mejor adherencia a las superficies nano estructuradas.