Bioresorbable Zn-based alloys for biomedical applications

Abstract

(English) Biodegradable metals emerged as promising materials for bioresorbable devices avoiding the potential side effects of permanent implants. Among them, zinc (Zn) arose dueto its suitable degradation rate for biomedical application, but it needs to be alloyed for mechanical reinforcement via sol id precipitation hardening. However, the secondary phases lead to galvanic corrosion and poor biocompatibility. So far, the compromise among mechanical strength, corrosion rate, and biological response of Zn alloys remains unknown. This PhD Thesis aims to gain an increased understanding of Zn-based alloys for biomedical applications, establishing correlations between Zn matrix and secondary phases and controlling corrosion behaviour and in vitro biological response. Chapter I characterized Zn-xMg (x = 0.5, 1 wt. %) and Zn-xCu (x = 3, 5 wt.%) alloys for bioresorbable cardiovascular stents. Tensilé tests confirmed that alloying with Mg or Cu significantly increased the yield strength (YS), ultimate tensile strength (UTS), and elongation at fracture. Nanoindentation tests confirmed mechanical reinforcement dueto the precipitation of Zn+Mg2Zn11 and E-CuZn5 phases for Zn-Mg and Zn-Cu, respectively. Degradation tests in Hanks' solution indicated the formation of galvanic pairs between secondary phases and Zn matrix. Zn-Cu alloys presented antibacterial activity against S. aureus and P. aeruginosa, but cytotoxicityto endothelial cells (ECs). AII the alloys reported poor biocompatibility, attributed to local ions release into solution and degrading surfaces. Among all the samples, Zn-Mg alloys presented the best compromise among mechanical, corrosion, and biological properties. Chapter II characterized Zn-xAg (x= 2, 4 wt. %) alloys for bioresorbable ureteral stents. Tensile tests evidenced the mechanical reinforcement of Zn-Ag alloys compared with pure Zn, where the higher AgZn3 volume fraction of Zn-4Ag led to reduced UTS and YS than Zn-2Ag alloy. Moreover, the galvanic couple between AgZn3 and Zn of Zn-4Ag alloy resulted in severe localizad corrosion, where bacteria could infiltrate the corrosion pits hampering the antibacterial effect. In summary, Zn-2Ag presented a better degradation performance and optimal antibacterial effect. Chapter III proposed a dual-action coating for Zn-0.5Mg and Zn-2Ag alloys to control corrosion and enhance endothelialisation in cardiovascular stents. First, a pol}Caprolactone (PCL) coatir.ig was implemented on the alloys bycold plasma polymerization of E-caprolactone and PCL spin-coating. Secondly, the PCL-coated alloys were functionalized with RGD (Arg-Gly-Asp), REDV (Arg-Glu-Asp-Val), and RGD-REDV peptides synthesized via solid solution and covalently immobilized via EDC/NHS chemistry. A homogeneous PCL coating of 800 nm with good adhesion strength provided adequate corros ion resistance to both alloys. ECs successfullyadhered to the functionalized surfaces, where the RGD­ REDVplatform presented a significant increase in cell number, deinonstrating the synergistic effect of RGD and REDV peptides. Chapter IV proposed equal channel angular pressing (ECAP) (two C}Cles, route Be; R.T.) to homogenise Zn-2.Ag corrosion. Ultrafine-grained structure and randomlydistributed textura was obtained after ECAP, with no evident AgZn3 breaking or distribution. Nanoindentation mapping indicated mechanical isotropy, and corrosion studies suggested more uniform degradation after ECAP. Moreover, the exceptional antibacterial activity against S. aureus was attributed to the reduction of corrosion pits and distribution of Ag through the matrix. Overall, the ECAP process acted as a potential technique for homogenising the mechanical and corrosion properties of Zn-Ag alloys with excellent antibacterial properties. In summary, PhD Thesis provided relevant clues into the proper Zn·based formulation and coating and deformation strategies to overcome the instrinsic galvanic corrosion of Zn alloys for different biomedical applications.

(Español) Los metales biodegradables son investigados como potenciales materiales para implantes reabsorbibles. Entre ellos, el zinc (Zn) destaca por su adecuada velocidad de degradación para-aplicaciones biomédicas. No obstante, requiere ser aleado para su endurecimiento por precipitación, donde la formación de pares galvánicos entre la matriz y las fases secundarias empeoran la degradación y la biocompatibilidad del Zn. Actualmente no se ha descubierto el balance adecuado entre resistencia del material, degradación, y respuesta biológica. Esta Tesis Doctoral tiene como objetivo lograr una mayor comprensión de las aleaciones de Zn para aplicaciones biomédicas, estableciendo relaciones entre la matriz de Zn y las fases secundarias, así como controlando la corrosión y la respuesta biológica in vitro. El Capítulo I estudia las aleaciones Zn-xMg (x = 0.5, 1 %) and Zn-xCu (x = 3, 5 %) para stents cardiovasculares reabsorbibles. Los ensayos de tracción confirmaran el aumento en el limite elástico (oe), la resistencia máxima a la tracción (om) y alargamiento de rotura (AR) al alear el Zn con Mg o Cu. Las medidas de nanoindentación demuestran que el endurecimiento es consecuencia de la precipitación de Zn+Mg2Zn11 en Zn-Mg y E-CuZn5 en Zn-Cu. Se observan además pares galvánicos entre las fases secundarias y la matriz de Zn en los ensayos de degradación. Las aleaciones con Cu presentan efecto antibacteriano contra S. aureus y P. aeruginosa, ycitotoxicidad sobre las células endoteliales (ECs). En resumen, las aleaciones de Zn-Mg presentan el mejor.balance entre propiedades mecánicas, corrosión y biocompatibilidad. El Capítulo II valora las aleaciones Zn- (x = 2, 4 %) para stents ureterales reabsorbibles. Las pruebas de tracción evidencian el endurecimiento de las aleaciones respecto al Zn puro, donde el mayor porcentaje en volumen de .A(¡Zn3 en Zn-4.A(J causa una reducción en oe yom respecto a Zn-2.A(J. Asimismo, los huecos originados en la corrosión por el par galvánico Zn-.A(¡Zn3 en Zn-4.A(J pueden ser penetrados por S. aureus y E. coli, disminuyendo su actividad antibacteriana. En conclusión, Zn-2.A(J presenta un adecuado comportamiento frente a _la corrosión yun óptimo efecto antibacteriano. El Capítulo III propone un recubrimiento en las aleaciones de Zn-0,5Mg yZn-2.A(J para controlar la corrosión y mejorar la endotelialización en stents cardiovasculares. Primero, se recubren las muestras con policaprolactona (PCL) mediante polimerización con plasma frío de E-caprolactona yspin coating de PCL. En segundo lugar, las aleaciones recubiertas se funcionalizan con los péptidos RGD (Arg-Gly-Asp),REDV(Arg-Glu-Asp-Val) yRGD-REDVsintetizados mediante solución sólida e inmovilizados covalentemente por química EDC/NHS. Se obtiene una capa homogénea de PCL de 800 nm de grosor, con buena adherencia y resistencia a la corrosión en ambas aleaciones. Las ECs se adhieren con éxito a las superficies funcionalizadas, donde la plataforma RGD-REDVpresenta un aumento significativo en el número de células, demostrando así el efecto sinérgico de los péptidos lineales RGD y REDV. En el Capitulo IV se presenta la extrusión en canal angular constante (ECAP) (dos pases, ruta Be; temperatura ambiente) de Zn-2.A(J. Después del ECAP, se obtiene una microestructura de grano ultrafino y una distribución aleatoria de la orientación de grano, sin dispersión evidente de .A(¡Zn3. La técnica de nanoindentación muestra isotropía mecánica, y los estudios de corrosión confirman una degradación más uniforme después de ECAP. Además, la reducción de la corrosión localizada y la distribución de .A(¡ en la matriz de Zn confieren a la muestra de un excepcional efecto antibacteriano contra S. aureus. En resumen, la presente Tesis Doctoral proporciona información relevante para el diseño de aleaciones de Zn, así comp diferentes estrategias de recubrimiento y deformación para mejorar su comportamiento frente a la corrosión y mejorar su respuesta biológica en diversas aplicaciones biomédicas.