Functionalization of a Ti-based alloy with synthesized recombinant fibronectin fragments to improve cellular response

Abstract

According to a study of the European Commission, approximately one million hips are replaced by prostheses worldwide every year. The interaction of the human body with foreign materials that are subjected to alternating mechanical load in a highly corrosive environment still provides challenges. The main factors affecting prosthesis failure are stress shielding effect and poor osseointegration. In this thesis the problem of prosthesis failure has been approached from the material and from the osseointegration point of view trying to give a global solution to the problem. Niobium and hafnium, which are demonstrated to be totally biocompatible, were used to design a Ti-based alloy. The effect of the alloying elements regarding microstructure and elastic modulus was studied and the best composition was deeply characterized in terms of microstructure, elastic modulus, corrosion resistance and superficial energy. Recombinant fragments of fibronectin were synthesised spanning the cell attachment site and the heparin binding domain which are important for cell viability. These motifs were used to functionalise the surface of the TiNbHf alloy. Two tethering methods were studied: physisorption and silanisation. Silanisation was not used before to immobilise fibronectin recombinant fragments onto metallic substrates and in this thesis, its good performance was demonstrated. In vitro studies were made with each fragment and with different combinations of the fragments, which showed the importance of the heparin binding domain to obtain a cell response equivalent to that of fibronectin in terms of cell adhesion, proliferation and differentiation.

De acuerdo con un estudio de la Comisión Europea, aproximadamente un millón de caderas son remplazadas por prótesis en el mundo anualmente. La interacción del cuerpo humano con materiales externos sujetos a una carga mecánica alternante en un medio altamente corrosivo todavía presenta ciertos desafíos. Los factores que contribuyen principalmente al fallo de una prótesis son el apantallamiento de cargas y la pobre osteointegracion. En la presente tesis el problema de la fallida de prótesis ha sido abordado desde el punto de vista del material y de la osteointegracion en un intento de dar una solución global al problema. El niobio y el hafnio, cuya total biocompatibilidad ha sido demostrada, se han utilizado para diseñar una aleación de titanio. El efecto de dichos aleantes respecto a la microestructura y el módulo elástico ha sido estudiado y la mejor composición ha sido profundamente caracterizada en términos de microestructura, módulo elástico, resistencia a la corrosión y energía superficial. Fragmentos recombinados de fibronectina han sido sintetizados abarcando la zona de adhesión celular y la unión de heparina, las cuales son esenciales para la viabilidad celular. Dichos motivos han sido utilizados para funcionalizar la superficie de la aleación TiNbHf. Dos métodos de unión diferentes han sido estudiados: fisisorción y silanización. La silanización es un método que no se ha utilizado hasta el momento para inmovilizar fragmentos de fibronectina sobre superficies metálicas y en la presente tesis su idoneidad ha sido demostrada. Finalmente, estudios celulares in vitro se han llevado a cabo con cada fragmento y con diferentes combinaciones de ambos, lo cual ha mostrado la importancia de la zona de unión de heparina para obtener una respuesta celular equivalente a la obtenida con la molécula de fibronectina en cuanto a adhesión celular, proliferación y diferenciación.