Resumen de Interactions between titanium surfaces and biological components

Marta Pegueroles Neyra

• El conocimiento de las interacciones entre célula/proteína/biomaterial es fundamental para la ingeniería de superficies debido a las numerosas aplicaciones biomédicas y biotecnológicas que se están desarrollando así como al éxito clínico que han alcanzado muchos implantes. La respuesta biológica final inducida por los implantes está fuertemente influenciada por las interacciones superficiales entre los componentes biológicos y el material sintético. Las propiedades físicas y químicas de la superficie de un biomaterial, en lugar de las propiedades en su masa, influyen directamente en la capa de proteínas que se adsorben sobre el biomaterial y, como consecuencia de ello, en la respuesta celular a la misma, tanto in vitro como in vivo.El objetivo de esta tesis doctoral es profundizar en el conocimiento de las interacciones material-biosistema, con el énfasis en el descubrimiento de relaciones entre las propiedades superficiales de las superficies de titanio y su respuesta biológica in vitro.El titanio comercialmente puro (Ti c.p.) está siendo ampliamente utilizado con éxito durante muchos años como biomaterial para implantes en cirugía ósea. Su excelente biocompatibilidad se basa en sus adecuadas propiedades mecánicas y, con mayor importancia, en su excelente resistencia a la corrosión. Esta última se debe principalmente a la formación espontanea de una fina película de óxido de titanio que le confiere protección natural contra los ataques degradativos. La modificación de la topografía de la superficie del titanio ha sido objeto de investigación en el pasado con el fin de mejorar la osteointegración. El granallado de partículas es una de las tecnologías más utilizadas para conferir rugosidad a las superficies del titanio. La rugosidad óptima y el tipo de partículas abrasivas del granallado para una respuesta óptima in vitro e in vivo fue previamente determinada en nuestro laboratorio. Sin embargo, todavía están por determinar cuáles son las causas últimas que llevan al biomaterial a su exitosa respuesta biológica.En este trabajo se han estudiado superficies pulidas y rugosas de Ti c.p. obtenidas mediante el granallado con partículas abrasivas de diferente composición química(Al2O3 y SiC) y diferentes tamaños (212-300μm; 425-600μm; 1000-1400μm). La completa caracterización de las propiedades física y química de la superficie, incluyendo la rugosidad, la composición química, la mojabilidad/energía libre y la carga eléctrica de las superficies ensayadas ha llevado a una serie de relevantes conclusiones. Entre ellas, cabe destacar que a) la composición química de las partículas de granallado, así como el método de esterilización fueron los principales factores que influyeron en la mojabilidad y la energía libre superficial de las superficies de titanio estudiadas, b) el método de esterilización cambió en la energía superficial el carácter de donante de electrones de las superficies mediante el cambio de la cantidad y la naturaleza de las sustancias adsorbidas, y c) la composición química de las partículas de granallado no influyó en la carga eléctrica a pH fisiológico ni en el punto isoeléctrico de las superficies.Un segundo paso consistió en el uso de una microbalanza de cristal de cuarzo con monitorización de la energía de disipación, para el estudio de la cinética de adsorción (cantidad y conformación) y de los procesos de adsorción competitiva de tres proteínas de especial interés en los procesos de curación del hueso - la albúmina de suero bovino (BSA), el fibrinógeno (Fbg), y la fibronectina (Fn)- en sensores lisos recubiertos de TiO2. Se determinaron diferentes modelos de procesos de adsorción con una, dos o múltiples pasos distinguibles en función de las proteínas en solución. La capa adsorbida de BSA mostró los cambios más significativos en sus propiedades mecánicas, de conformación y de incorporación de agua hasta que se alcanzaron las condiciones estables de adsorción de proteínas. La BSA, la más pequeña de las proteínas ensayadas, desplazó la Fn y el Fbg cuando se ensayó en condiciones de la competencia por la adsorción, indicando su mayor afinidad por las superficies de TiO2. También se emplearon técnicas de marcaje fluorescente para el estudio de la adsorción proteica en superficies rugosas granalladas. En este estudio, por un parte, se pudo determinar que la cantidad de Fn y BSA adsorbidas en las superficies granalladas está directamente correlacionada con su energía superficial. Por otra parte, se visualizó la adsorción de fibronectina en solución sobre muestras granalladas rugosas de Ti. La Fn formó un patrón irregular de adsorción con una mayor cantidad de proteína adsorbida en los picos que en los valles de la topografía.También se evaluó la organización espacial de la matriz extracelular de los osteoblastos, ECM, sobre superficies de Ti lisas y rugosas por medio de la visualización de las fibrillas de Fn teñidas con marcador fluorescente. Las células osteoblásticas depositaron las fibrillas de Fn con un determinado patrón organizado dentro de la matriz total secretada. Aparecen como una película que cubre la parte superior de las diferentes superficies rugosas de titanio. Un resultado relevante es que el espesor de esta capa aumentó con la rugosidad de la topografía subyacente. Sin embargo no más de la mitad de la máxima distancia pico-valle se cubrió con la proteína secretada y/o reorganizada.Por último, teniendo en cuenta las diferencias en la organización de la ECM y laadsorción de Fn en las superficies ensayadas de Ti, se realizó un estudio de qRT-PCR para determinar la influencia de las propiedades superficiales del titanio, con y sin preadsorción de Fn, en la respuesta osteoblástica. La expresión génica de la subunidad 5 de la integrina celular, como marcador de la adhesión celular, se incrementó en las superficies granalladas con SiC en comparación con las granalladas con alúmina. Este resultado fue correlacionado con la mayor cantidad de Fn adsorbida debido a la mayor energía superficial de las superficies granalladas con SiC. El aumento de la rugosidad, así como la presencia de partículas de alúmina en las superficies rugosas incrementó la actividad de ALP y la expresión génica de ALP mRNA por los osteoblastos, y por lo tanto su diferenciación.