Functionalization of titanium surfaces with TGF-beta inhibitor peptides

Abstract

Esta tesis queda enmarcada en el ámbito de los biomateriales metálicos, concretamente en superficies de titanio desarrolladas para la regeneración ósea. Las aplicaciones más habituales del titanio como biomaterial son los implantes dentales y las prótesis de cadera y rodilla. Estos componentes requieren, en servicio, buena estabilidad y fijación al hueso a largo plazo. El titanio es un material idóneo para el cumplimiento de estos requisitos gracias a su alta resistencia mecánica, tenacidad, resistencia a la corrosión y, sobre todo, por su alta capacidad de osteointegración. En general, el titanio es un biomaterial bioinerte donde, una vez implantado, el tejido vivo genera una fina capa de tejido fibroso alrededor del implante la cual separa el hueso del implante. Un espesor excesivo de esta capa de tejido fibroso puede comprometer la estabilidad e integración del implante y conllevar el fracaso del tratamiento. El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de una nueva superficie de titanio que sea capaz de controlar e inhibir la generación de tejido fibroso en la superficie del implante. De esta manera, tratamos de mejorar la osteointegración de implantes y prótesis mediante la mejora de la respuesta celular sobre la superficie del implante. Para el control del crecimiento de tejido fibroso en la superficie se han desarrollado nuevas superficies de titanio donde se han inmovilizado dos tipos de péptidos cortos capaces de inhibir la interacción de la citoquina TGF-β, la cual incrementa la producción de este tipo de tejido por parte de las células fibroblásticas. Estos péptidos, llamados P17 y P144 han sido desarrollados por el equipo de nuestro colaborador el Dr. Francisco Borrás-Cuesta, en el Centro de Investigación Médica aplicada de la Universidad de Navarra. Esta tesis está dividida en 6 capítulos donde se describe el desarrollo y caracterización de las superficies de titanio funcionalizadas con péptidos inhibidores del TGF-β: • Capítulo 1: Introducción a los ámbitos y conceptos importantes de la tesis. • Capítulo 2: Diseño y desarrollo de un método de inmovilización covalente de péptidos cortos sobre superficies de titanio. • Capítulo 3: Estudio de los factores que intervienen en la inmovilización de péptidos cortos sobre las superficies de titanio. • Capítulo 4: Caracterización físico-química de las superficies de titanio funcionalizadas con el péptido P17. • Capítulo 5: Caracterización físico-química de las superficies de titanio funcionalizadas con el péptido P144. • Capítulo 6: Respuesta biológica in vitro de las superficies de titanio funcionalizadas con P17 y P144. Los resultados más relevantes en el desarrollo de esta tesis han sido: • El desarrollo de un nuevo método de inmovilización covalente de péptidos sobre superficies de titanio obteniendo una alta densidad de péptido en superficie con una buena estabilidad mecánica y termoquímica. • La consecución de superficies de titanio capaces de inhibir la acción del TGF-β. • Las nuevas superficies desarrolladas son capaces de incrementar la diferenciación osteoblástica y así, potencialmente mejorando la capacidad de osteointegración de implantes y prótesis de titanio. Este trabajo de investigación contribuye a aumentar el conocimiento sobre la inmovilización covalente y no covalente de péptidos cortos en superficies de titanio. También contribuye en aumentar el conocimiento de la acción e inhibición del TGF-β en células fibroblasticas y osteoblásticas, estas últimas sembradas sobre superficies de titanio. El material desarrollado es un excelente candidato para su aplicación en implantología y traumatología ósea.

This thesis is framed in the field of metallic biomaterials, specifically on titanium surfaces developed for bone regeneration. The most common applications of titanium as a biomaterial are dental implants and hip and knee prostheses. These components clinically require good stability and fixation to the bone in the long term. Titanium is an ideal material for these applications as it has high mechanical strength, toughness, corrosion resistance and, above all, a high capacity for osseointegration. In general, titanium is a bioinert material where, once implanted, the living tissue generates a thin layer of fibrous tissue around the implant which separates the bone to the implant. An excessive thickness of this layer of fibrous tissue can compromise the stability and integration of the implant leading to the failure of the biomedical treatment. The main objective of this thesis is the development of a new titanium surface with control and inhibition of the generation of fibrous tissue on the surface of the implant. We aim improving the osseointegration of implants and prostheses by benefiting cellular responses on the surface of the implant. For the control of the formation of fibrous tissue on the surface we have developed new biofunctional titanium surfaces by covalently immobilizing two different short peptides on the metallic substrate. These two peptides are inhibitors of the effect of the cytokine TGF-β1, which increases the production of fibrous tissue by the activity of fibroblastic cells. These peptides, P17 and P144, have been developed by the team of our collaborators at the Dr. Francisco Borrás-Cuesta’s lab, in the Centro de Investigación Médica Aplicada of the Universidad de Navarra This thesis is divided into 6 chapters describing the development and characterization of titanium surfaces functionalized with TGF-β inhibitor peptides: * Chapter 1: Introduction to the areas and important concepts of the thesis. • Chapter 2: Design and development of a method of covalent immobilization of short peptides on titanium surfaces. • Chapter 3: Study of the factors involved in the immobilization of short peptides on the titanium surfaces. • Chapter 4: Physical-chemical characterization of titanium surfaces functionalized with the P17 peptide. • Chapter 5: Physical-chemical characterization of titanium surfaces functionalized with the P144 peptide. • Chapter 6: In vitro biological response of titanium surfaces functionalized with P17 and P144. The most relevant results in the development of this thesis are: • The development of a new method of covalent immobilization of peptides on titanium surfaces with a high density of peptide on the surface and with a good mechanical and thermal-chemical stability. • The development of titanium surfaces with inhibitory action of TGF-β activity. • The developed new surfaces are able to increase osteoblast differentiation, thereby potentially enhancing osseointegration of the biofunctionalized titanium implants and prostheses. This research work contributes to increase the knowledge on covalent and noncovalent immobilization of short peptides on titanium surfaces. It also helps in increasing the knowledge of the action and inhibition of TGF-β on fibroblastic and osteoblastic cells; the later seeded on titanium surfaces. The developed material is an excellent candidate for its application in implantology and orthopedics.