Biocompatibility of new biomaterials for orthopaedic applications

Abstract

L’ús de materials biocompatibles ha assolit una importància creixent en aplicacions ortopèdiques i quirúrgiques, degut a l’envelliment de la població. Els aliatges metàl·lics que s’empren actualment en medicina presenten propietats físiques i mecàniques diferents a les de l’os humà, incrementant la probabilitat de pèrdua de l’implant. Per aquesta raó, s’estan desenvolupant nous aliatges metàl·lics amb millors propietats. En aquest sentit, la present tesi té com objectiu l’anàlisi de la biocompatibilitat de nous aliatges pel seu ús en implants ortopèdics. En primer lloc, s’ha demostrat la biocompatibilitat del vidre metàl·lic massís TiZrCuPd en termes de citotoxicitat, i d’adhesió i de diferenciació d’osteoblasts. En segon lloc, s’ha avaluat l’efecte de dues modificacions de superfície, anodització electroquímica i modificació física, dels aliatges TiZrCuPd i Ti-6Al-4V sobre el comportament dels osteoblasts. En aquest cas, no hem observat cap efecte de la topografia en la proliferació, l’adhesió i la diferenciació. En tercer lloc, hem demostrat que els aliatges TiZrPdSi i TiZrPdSiNb són biocompatibles i afavoreixen l’adhesió, la proliferació i la diferenciació d’osteoblasts. Finalment, hem avaluat l’efecte electroestimulador de dos nous nanogeneradors piezoelèctrics, basats en ZnO, emprant dues línies cel·lulars implicades en la regeneració òssia (osteoblasts i macròfags). Els resultats observats indiquen que els nanogeneradors són biocompatibles i que la seva interacció amb les cèl·lules produeix un camp elèctric local que estimula la motilitat dels macròfags i l’augment de la concentració intracel·lular de Ca2+ en osteoblasts. Aquests nous materials intel·ligents presenten propietats força interessants pel seu ús en aplicacions biomèdiques. En conjunt, els resultats obtinguts en els nostres estudis contribueixen en el desenvolupament de materials per millorar la reparació i la regeneració òssia.

The use of biocompatible materials has attained an increasing importance for medical surgery and orthopaedics due to population aging. Metallic alloys currently used in bone implants have physical and mechanical properties different from those of the bone, which increases the probability of implant loosening. For this reason, new metallic alloys with better properties are being developed. In this regard, the present thesis aims to analyse the biocompatibility of new biomaterials for orthopaedic applications. First, we demonstrated the biocompatibility of TiZrCuPd bulk metallic glass in terms of cytotoxicity, and osteoblast adhesion and differentiation. Second, we assessed the effect of surface modification of TiZrCuPd and Ti-6Al-4V alloys by electrochemical anodization and physical modification on osteoblast behaviour. Differences in topography did not cause changes on osteoblasts adhesion, proliferation and differentiation. Third, we demonstrated that TiZrPdSi and TiZrPdSiNb alloys are also biocompatible and enhance osteoblasts adhesion, spreading, proliferation and differentiation. Fourth, we evaluated the electrostimulation effect of two new ZnO piezoelectric nanogenerators using two cell lines involved in bone regeneration (osteoblasts and macrophages). We observed that both nanogenerators are biocompatible and that their interaction with cells produces a local electric field that stimulate macrophages motility and the increase in intracellular Ca2+ concentration in osteoblasts. Thus, these new smart materials have interesting properties for their use in biomedical devices. Collectively, the results obtained in our studies contribute to the progress in the development of better materials for bone repair and regeneration.