Bioengineered titanium implant surfaces for medical applications
- Autores: Maria Antònia Llopis Grimalt
- Directores de la Tesis: Joana Maria Ramis Morey (dir. tes.), Marta Monjo Cabrer (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de les Illes Balears ( España ) en 2021
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Luisa González Martín (presid.), Nuria Vilaboa Diaz (secret.), Staale Peter Lyngstadaas (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Investigación Traslacional en Salud Pública y Enfermedades de Alta Prevalencia por la Universidad de las Illes Balears
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
- español
Durante más de 100 años se han utilizado metales y sus aleaciones para la producción de implantes en distintas especialidades médicas. Sin embargo, éstos siguen presentando algunos problemas asociados como son una mala integración de los tejidos o la aparición de infecciones asociadas a dichos implantes. Todo esto, junto con el envejecimiento de la población, aumenta la necesidad de desarrollo de implantes más duraderos. Mediante la modificación de la topografía o la composición de la superficie de los implantes, se pueden alterar sus propiedades, mejorando la respuesta tisular y aportando nuevas características como son las propiedades antibacterianas o antiinflamatorias. En esta tesis doctoral se siguieron dos estrategias diferentes para la modificación de las propiedades de superficies de Ti, una modificación de la topografía consistente en la nanoestructuración de superficies de Ti y una modificación de la composición química consistente en la unión covalente del flavonoide quercitrina (QR) o de fitato (IP6) a la superficie de diferentes implantes. Se estudió la aplicación de estas modificaciones en distintos campos: dental, cardiovascular y ortopédico.
En primer lugar, se realizó una nanoestructuración de superficies de Ti mediante anodización electroquímica para estudiar su posible aplicación como superficie de implantes dentales. Mediante la modificación de distintos parámetros en la reacción se produjeron nanoestructuras con dos morfologías distintas, nanoporos (NP) con distinto tamaño de poro y nanonets (NN). Los NP con poros de mayor diámetro indujeron una mayor proliferación y diferenciación de fibroblastos gingivales humanos (hGFs). Por otra parte, las superficies NN mejoraron la proliferación y diferenciación de hGFs y células madre mesenquimales (hBM-MSCs). Al mismo tiempo, estas superficies provocaron una mayor frecuencia de alineación del citoesqueleto de los dos tipos celulares estudiados. Finalmente, la interacción de las superficies NN con el tejido fue estudiada utilizando una mucosa gingival tridimensional (GTE). En comparación con la interfase GTE-Ti, la interfase GTE-NN presentaba una mayor proporción de fibras de colágeno orientadas de manera perpendicular hacia la superficie del implante. Esta situación es similar a lo que sucede de manera natural donde las fibras de colágeno se encuentran ancladas perpendicularmente en el diente, quedando aislado de las condiciones del ambiente oral, lo que reduce el riesgo de desarrollar periimplantitis.
Debido a los buenos resultados observados con las superficies NN con los tipos celulares estudiados y las propiedades multifuncionales que presenta el recubrimiento con QR, estas dos estrategias se combinaron para estudiarlas como recubrimientos para stents cardiovasculares. Aunque no se encontró un efecto sinérgico entre las dos modificaciones estudiadas, las superficies NN presentaron una buena biocompatibilidad con células endoteliales humanas, así como buena hemocompatibilidad, produciendo un drástico descenso en la adhesión de plaquetas en comparación con los otros grupos. Alternativamente, las superficies de Ti recubiertas con QR mejoraron la proliferación de las células endoteliales y redujeron la adhesión de Staphylococcus epidermidis.
Finalmente, los protocolos de recubrimiento con QR y IP6 se adaptaron a superficies rugosas y se comparó su eficacia con el recubrimiento de mayor relevancia clínica en el campo ortopédico, la hidroxiapatita (HA). Los recubrimientos con QR y IP6 mostraron mejores propiedades osseoinductoras en comparación con la HA en pre-osteoblastos de ratón (MC3T3-E1) en condiciones basales y después de una incubación con lipopolisacárido, un factor de virulencia bacteriano, aportando a la vez nuevas propiedades anti-inflamatorias y anti-bacterianas. Además, se produjeron implantes porosos de Ti-6Al-4V mediante impresión 3D y se adaptó el recubrimiento de QR a éstos. Los implantes porosos recubiertos con QR mantuvieron sus propiedades mecánicas y mejoraron su potencial osteogénico, anti-inflamatorio y anti-bacteriano en comparación con los implantes porosos no recubiertos.
En conjunto, los resultados derivados de esta tesis demuestran la potencial aplicación de las superficies NN en los campos dental y cardiovascular, así como la adaptabilidad del recubrimiento con QR a distintas superficies con relevancia clínica en ortopedia, mejorando su respuesta biológica gracias a la aportación de propiedades multifuncionales.
- català
Durant més de 100 anys s’han utilitzat metalls i els seus aliatges per a la producció d’implants en distintes especialitats mèdiques. No obstant, els implants mèdics segueixen presentant alguns problemes associats com són una mala integració dels teixits o l’aparició d’infeccions associades. Tot això, junt amb l’envelliment de la població, augmenta la necessitat de desenvolupar implants de major durada. Les propietats dels implants es poden modificar variant la topografia o la composició de la seva superfície, millorant així la resposta tissular i aportant noves característiques com són les propietats antibacterianes o antiinflamatòries. En aquesta tesis doctoral s’han seguit dues estratègies diferents per a la modificació de les propietats de superfícies de Ti, una modificació de la topografia consistent en la nanoestructuració de superfícies de Ti, i una modificació química de la composició consistent en la unió covalent del flavonoide quercitrina (QR) o àcid fític (IP6) a la superfície de diferents implants. S’ha avaluat l’aplicació d’aquestes modificacions en distints camps: dental, cardiovascular i ortopèdic.
En primer lloc, es va realitzar una nanoestructuració de superfícies de Ti mitjançant anodització electroquímica per a estudiar la seva possible aplicació com a superfície d’implants dentals. Mitjançant la modificació de distints paràmetres de la reacció es van produir nanoestructures amb dues morfologies diferents, nanopors (NP) amb distinta mida de por i nanonets (NN). Els NP que presentaven els pors de major diàmetre induïren una major proliferació i diferenciació de fibroblasts gingivals humans (hGFs). Per altra part, les superfícies NN varen millorar la proliferació i diferenciació de hGFs i cèl·lules mare mesenquimals (hBM-MSCs). Al mateix temps, aquestes superfícies induïren una major freqüència d’alineació del citoesquelet dels dos tipus cel·lulars estudiats. Finalment, la interacció de les superfícies NN amb el teixit va ser estudiada utilitzant una mucosa gingival tridimensional (GTE). En comparació amb la interfase GTE-Ti, la interfase GTE-NN va presentar una major proporció de fibres de col·lagen orientades de manera perpendicular a la superfície de l’implant. Aquesta situació és similar al que succeeix de manera natural, on les fibres de col·lagen es troben ancorades perpendicularment a les dents, aïllant-les així de les condicions de l’ambient oral, el que redueix el risc de desenvolupar periimplantitis.
Degut als bons resultats obtinguts amb les superfícies NN amb els diferents tipus cel·lulars estudiats, i a les propietats multifuncionals que presenta el recobriment amb QR, aquestes dues estratègies es varen combinar per a ser estudiades com a recobriments per a stents cardiovasculars. Encara que no es va trobar un efecte sinèrgic entre les dues modificacions estudiades, les superfícies NN presentaren una bona biocompatibilitat amb cèl·lules endotelials humanes, així com una bona hemocompatibilitat, induint un descens dràstic en l’adhesió de plaquetes en comparació amb els altres grups. Alternativament, les superfícies de Ti recobertes amb QR milloraren la proliferació de les cèl·lules endotelials i reduïren l’adhesió de Staphylococcus epidermidis.
Finalment, els protocols de recobriment amb QR i IP6 es varen adaptar a superfícies rugoses i es va comparar la seva eficàcia amb la del recobriment més rellevant en l’àmbit ortopèdic, la hidroxiapatita (HA). Els recobriments amb QR i IP6 varen mostrar millors propietats osseoinductores en comparació amb la HA en pre-osteoblasts de ratolí (MC3T3-E1) en condicions basals i després de la incubació amb lipopolisacàrid, un factor de virulència bacterià, aportant al mateix temps noves propietats anti-inflamatòries i anti-bacterianes. A més, es varen produir implants porosos de Ti-6Al-4V mitjançant impressió 3D i es funcionalitzaren amb QR. Els implants porosos recoberts amb QR no varen veure afectades les seves propietats mecàniques i varen millorar el seu potencial osteogènic, anti-inflamatori i anti-bacterià en comparació amb els implants porosos no recoberts.
En conjunt, els resultats derivats d’aquesta tesi demostren la potencial aplicació de les superfícies NN en els camps dental i cardiovascular, així com la adaptabilitat del recobriment amb QR a diverses superfícies amb rellevància clínica en ortopèdia, millorant la seva resposta biològica gràcies a l’aportació de propietats multifuncionals.
- English
Metals and metal alloys have been used for more than 100 years for a large number of implant applications through most medical specialties. However, they still present some drawbacks such as a poor tissue integration or implant-related infections. This, together with the fact of population ageing, increases the need for longer lasting implants. With the modification of surface topography or chemistry its properties can be tuned to those of interest, improving the tissue response while conferring additional antimicrobial or anti-inflammatory properties. Two different strategies were followed in this thesis to tune the surface biological properties, a topographical modification that consisted in the nanostructuration of the titanium (Ti) surface, and a chemical modification that consisted in the covalent linking of the flavonoid quercitrin (QR) or phytic acid (IP6) to different surfaces. Then, the applications of these modifications for dental, cardiovascular and orthopedic implant models were studied.
First, for dental implant applications, nanostructured Ti surfaces were produced using electrochemical anodization, obtaining two different nanostructure morphologies, nanopores (NP) with different pore sizes and nanonets (NN), by changing the reaction conditions. NP with bigger pore size showed an improved human gingival fibroblast (hGF) proliferation and differentiation. Besides, NN surfaces induced a better proliferation and differentiation of hGF and bone marrow mesenchymal stem cells (hBM-MSCs), together with a higher frequency of alignment of their cytoskeleton. Finally, the interaction between NN implant surfaces and the tissue was studied using a 3D gingival tissue equivalent (GTE). Compared to the GTE-Ti control interface, the GTE-NN interface showed a higher proportion of collagen fibers oriented perpendicular to the implant surface, similar to what happens in natural teeth, where collagen fibers are perpendicularly attached, and creating a good sealing that can prevent the development of periimplantitis.
Due to the positive results of the NN surface with cell types tested and the multifunctional properties of the QR coating, the two strategies were combined and tested as a coating for cardiovascular Ti stents. Although no synergistic effect was found, NN surface showed good biocompatibility with human umbilical cord endothelial cells (HUVEC) and good hemocompatibility, reducing drastically platelet adhesion compared to the other groups. Alternatively, QR coated surfaces improved HUVEC proliferation and reduced Staphylococcus epidermidis adhesion.
Finally, the QR and IP6 coating protocol was adapted to 2D Ti rough surfaces and compared to the most clinically relevant coating surface in the orthopedic field, hydroxyapatite (HA). The QR and IP6 coated surfaces showed better osseoinductive properties than HA on mouse pre-osteoblasts (MC3T3-E1) under basal conditions and after an incubation with lipopolysaccharide, a bacterial virulence factor, while providing additional anti-inflammatory and anti-bacterial properties. Also porous 3D Ti-6Al-4V implants produced by additive manufacturing and functionalized with QR maintained its mechanical properties and promoted osteogenic, anti-inflammatory and anti-bacterial properties compared to uncoated Ti-6Al-4V implants. All in all, the results derived from this thesis have proven the potential applications of NN surfaces in the dental and cardiovascular fields, and the adaptability of the QR coating to different clinically relevant surfaces in the orthopedic field, improving their biological response by the addition of multifunctional properties.
- español
