Development of metallic functionalized biomaterials with low elastic modulus for orthopedic applications

Abstract

Titanium (Ti) and Ti alloys have been used for decades for bone implants and prostheses due to its mechanical reliability and good biocompatibility. However, implant-related infections, lack of osseointegration with the surrounding bone, and the mismatch of mechanical properties between implant and bone, remain among the leading reasons for implant failure. In the present PhD thesis, two strategies have been studied to increase implant viability: fabrication of porous Ti structures and surface functionalization. The stiffness mismatch between titanium implant and bone can cause significant bone resorption, which can lead to serious complications such as periprosthetic fracture during or after revision surgery. Titanium surface plays a major role in the bone prosthesis interactions, not only to promote initial cell adhesion but also to avoid bacterial adhesion. One strategy studied in the thesis has been the development and manufacturing of porous Ti structures. A scaffold with a porosity of 75% has been prepared by direct ink writing, with the objective of reducing the apparent modulus elasticity of Ti prostheses. In this work, porous Ti structures with a stiffness and compressive strength of 2.6 GPa and 64.5 MPa respectively has been manufactured. To this end, a new ink formulation was designed based on the mixture of a thermosensitive hydrogel with Ti irregular powder particles with a mean particle size of 22.45 μm. A thermal treatment was optimized to ensure the complete elimination of the binder before the sintering process, in order to avoid contamination of the titanium structures. The understanding of infections is closely linked to the concept of the “race for the surface”. The winner of this race (cell versus bacteria) decides if a solid anchoring between implant and bone will be achieved or if bacterial growth will lead to a periprosthetic infection. Another strategy studied on this thesis focuses on the functionalization of the Ti surface. First, surface of Ti scaffolds were functionalized with a cell adhesion fibronectin recombinant fragment for optimizing cell adhesion. Additionally, a multifunctional coating based on the potential of calcium phosphate coatings to be used as carriers for drug delivery was also studied to achieve a balance between cell attachment and reduction of bacterial adhesion. Porous Ti structures have been successfully coated with a one-step pulsed electrodeposition process achieving a uniform calcium phosphate layer both on the inner and outer the surface of the scaffold, with adhesion strengths over 22 MPa. The codeposition of an antibacterial agent with a pulsed and reverse pulsed electrodeposition was achieved on both smooth and open-cell Ti surfaces. The release rate of the antibacterial agent can be modulated within hours or days timeframe by adjusting the coating conditions and without altering the antimicrobial potential of the loaded antibacterial agent itself. The biofunctionalized coatings exhibited a noteworthy in vitro antibacterial activity against S. aureus and E. coli bacteria strains, with a significant decrease of viable attached bacteria to the treated surfaces. Cell culture tests also showed that Ti structures loaded with the antibacterial agent presented an improved cell adhesion compared to that of untreated Ti. Therefore, the proposed strategies can efficiently improve orthopedic implants in terms of improving biointegration and microbial adhesion resistance.

El titani (Ti) i els seus aliatges s'han emprat durant dècades per a implants i pròtesis òssies a causa de la seva fiabilitat mecànica i bona biocompatibilítat. Tanmateix, les infeccions relacionades amb els implants, la manca d'osteointegració amb l'os circumdant i el desajust de les propietats mecàniques entre l'implant i l'os, continuen sent els principals motius de fallida de l'implant En la present tesi doctoral, s'han estudiat dues estratègies per augmentar la viabilitat de l'implant fabricació d'estructures poroses de Ti i funcionalització superficial. El desajust de la rigidesa entre l'implant de titani i l'os pot causar una reabsorció òssia important, que pot provocar complicacions greus com la fractura periprotètica durant o després de la cirurgia de revisió . La superfície del titani té un paper important en les interaccions os-pròtesi, no només per promoure l'adhesió inicial de les cèl·lules, sinó també per evitar l'adhesió bacteriana. Una estratègia estudiada a la tesi ha estat el desenvolupament i fabricació d'estructures poroses de Ti. S'ha preparat un andamiatge amb una porositat del 75% mitjançant Direct lnk Writing, amb l'objectiu de reduir l'elasticitat del mòdul aparent de les pròtesis de Ti. En aquest treball, s'han fabricat estructures poroses de Ti amb una rigidesa i resistència a la compressió de 2,6 GPa i 64,5 MPa respectivament. Per això, es va dissenyar una nova formulació de tinta basada en la barreja d'un hidrogel termosensible amb partícules de pols irregulars de Ti amb una mida mitjana de partícula de 22,45 µm. Es va optimitzar un tractament tèrmic per assegurar l’eliminació completa de l'aglutinant abans del procés de sinterització, per evitar la contaminació de les estructures de titani. La lluita contra les infeccions està estretament lligada al concepte de "carrera per la superfície". El guanyador d'aquesta carrera (cèl·lula contra bacteris) decideix si s'aconseguirà un ancoratge sòlid entre l'implant i l'os o si el creixement bacterià conduirà a una infecció periprotètica. Una altra estratègia estudiada en aquesta tesi se centra en la funcionalització de la superfície de Ti. En primer lloc, la superfície d'andamiatges de Ti es va funcionalitzar amb un fragment recombinant fibronectina d'adhesió cel·lular per optimitzar l’adhesió cel·lular. A més, també es va estudiar un recobriment multifuncional basat en l'ús de recobriments de fosfat de calci com a portadors per a l'alliberament de medicaments per aconseguir un equilibri entre la adhesió cel·lular i la reducció de l'adhesió bacteriana. Les estructures poroses de Ti s'han recobert amb èxit amb un procés d'electrodeposició polsada d'un pas, aconseguint una capa uniforme de fosfat de calci tant a la superfície interna com exterior de les estructures, amb resistències d’adhesió superiors a 22 MPa. La co-deposició d'un agent antibacterià amb una electrodeposició polsada i polsada inversa es va aconseguir tant a les superfícies de Ti d'estructura oberta coma les llises. La velocitat de l'agent antibacterià es pot modular en un terminí d'hores o dies ajustant les condicions de recobriment i sense alterar el potencial antimicrobià del propi agent antibacterià carregat. Els recobriments biofuncionalitzats van mostrar una notable activitat antibacteriana in vitro contra les soques de bacteris S. aureus i E. coli, amb una disminució significativa de bacteris adherits viables a les superfícies tractades. Les proves de cultiu cel·lular també van demostrar que les estructures de Ti carregades de l'agent antimicrobià presentaven una millor adhesió cel·lular en comparació amb la Ti no tractat. Per tant. les estratègies proposades poden millorar els implants ortopèdics de manera eficient en termes de millora de la biointegració la resistència a l'adherència microbiana.