Development of antibacterial coatings for titanium dental implants based on different strategies

Abstract

Tanto el titanio como sus aleaciones son usados como biomateriales por sus excelentes propiedades mecánicas, biocompatibilidad y resistencia a la corrosión. Sin embargo, el fracaso a medio y largo plazo de los implantes dentales fabricados en titanio sigue siendo significativo, debido principalmente a infecciones peri-implantarias. A pesar de que los antibióticos son altamente eficientes en el control de enfermedades infecciosas, la aparición de resistencias por parte de cepas bacterianas es un hecho preocupante para la salud pública. Por lo tanto, el estudio de nuevos tratamientos antibacterianos para implantes biomédicos no basados en antibióticos ha adquirido una especial importancia en los últimos años. La presente tesis doctoral se focaliza en el desarrollo de recubrimientos antibacterianos en superficies de titanio para aplicación en implantes dentales. Así pues, este trabajo puede dividirse en tres partes principales: (i) desarrollo de recubrimientos antibacterianos. En particular, han sido estudiados cinco tratamientos basándose en agentes antimicrobianos inorgánicos y orgánicos (electrodeposición de plata, funcionalización del péptido lactoferrina (hLf1-11) mediante silanización, inmovilización de hLf1-11 mediante polimerización radical controlada por trasferencia de átomo (ATRP) y silanización de 3-(trietoxisilil)propil anhídrido succínico (TESPSA)) (Capítulo 4, 5, 6 y Anexo I); (ii) evaluación de las propiedades antimicrobianas de las superficies optimizadas en un modelo in vitro de placa dental (Anexo II); (iii) comparación in vivo de las propiedades antibacterianas y de osteointegración de dos de las superficies desarrolladas durante la tesis doctoral en un modelo animal (Anexo III). Inicialmente, se describe el desarrollo y optimización de las cinco superficies, incluyendo las características físico-químicas. Además, las propiedades antibacterianas y/o antifouling de los recubrimientos han sido estudiadas in vitro a partir de dos cepas bucales representativas, Streptococcus sanguinis y Lactobacillus salivarius. Los resultados mostraron que las superficies tratadas poseían una alta actividad contra ambas cepas, así como una baja citotoxicidad en células (Human Foreskin Fibroblasts (HFFs) y Sarcoma Osteogenic (SaOS-2)). Igualmente, el análisis de expresión genética demostró que la superficie silanizada con TESPSA mejoró la diferenciación osteoblástica. En la segunda parte de la tesis las propiedades antimicrobianas de los tratamientos fueron evaluados in vitro mediante un modelo de biofilm oral completo. Los biofilms orales están constituidos por más de 700 especies de bacterias diferentes y éstas exhiben distintas sensibilidades frente a distintos agentes antibacterianos. Por ello, se ha considerado que un modelo de biofilm multiespecie presenta una mayor similitud con los biofilms orales que un biofilm mono-especie. Los resultados, como se esperaba, mostraron diferencias en la efectividad de los tratamientos cuando se enfrentaron a biofilms mono-especie y multi-especies. Ambos modelos mostraron una disminución drástica en la adhesión bacteriana y en la formación de biofilm a largo plazo pero se obtuvo una mayor reducción con el modelo mono-especie. Finalmente, dos de los tratamientos desarrollados durante la tesis doctoral fueron seleccionados para un estudio in vivo en un modelo animal (perro Beagle) en que la infección bacteriana fue inducida mediante ligaduras. Los resultados de dicho estudio mostraron que ambas superficies antibacterianas redujeron la reabsorción de hueso después de que la peri-implantitis fuera inducida. Además, la inmovilización de TESPSA sobre la superficie mejoró la osteointegración del implante en el hueso. De este modo, estos resultados sugieren que los efectos negativos de la peri-implantitis pueden ser reducidos mediante dichos tratamientos antibacterianos.