Strategies for the electrical stimulation of osteoblasts for orthopaedic applications

Abstract

L'ús de materials biocompatibles ha adquirit una importància creixent en aplicacions quirúrgiques i ortopèdiques, a causa de l'envelliment de la població. Els biomaterials utilitzats actualment en implants ossis son bioinerts, de manera que no són tòxics ni al·lergènics per a l'hoste, però no proporcinen cap benefici terapèutic addicional. Per aquest motiu, s'estan desenvolupant nous materials capaços de proporcionar una estimulació elèctrica a les cèl·lules. En aquest sentit, aquesta tesi explora la utilització de nous biomaterials amb la finalitat de proporcionar estimulació elèctrica a les cèl·lules osteoblàstiques per tal de millorar la proliferació i diferenciació cel·lulars.

En primer lloc, hem demostrat la biocompatibilitat d'una escuma de poliuretà recoberta de pal·ladi en termes de viabilitat, adhesió, proliferació i diferenciació dels osteoblasts, juntament amb la idoneïtat de l'estimulació elèctrica directa mitjançant elèctrodes per a l'estimulació dels osteoblasts. En segon lloc, hem demostrat que els aliatges de TiZrPdSiNb recoberts de ZnO en forma de nanolàmines també són biocompatibles i milloren l'adhesió, la proliferació i la diferenciació dels osteoblasts, a causa de la estimulació elèctrica indirecta per efecte piezoelèctric. En tercer lloc, s'ha avaluat la biocompatibilitat de les heteroestructures de Kapton/FeGa/P(VDF-TrFE) recentment desenvolupades i la idoneïtat de l'estimulació elèctrica induïda per camp magnètic per millorar la proliferació, l'adhesió i la diferenciació dels osteoblasts.

Els resultats d'aquesta investigació contribueixen a l'avenç dels biomaterials ortopèdics proporcionant una comprensió més profunda dels efectes de l'estimulació elèctrica sobre les cèl·lules osteoblàstiques. Els biomaterials desenvolupats tenen el potencial de millorar la regeneració del teixit ossi i oferir resultats clínics millorats en aplicacions ortopèdiques. Aquesta tesi serveix com a base per a futures investigacions i pel desenvolupament de biomaterials més avançats que ofereixin una estimulació elèctrica eficaç per millorar els processos de curació òssia.

El uso de materiales biocompatibles ha adquirido una importancia creciente en aplicaciones quirúrgicas y ortopédicas, debido al envejecimiento de la población. Los biomateriales utilizados actualmente en implantes óseos son bioinertes, por lo que no son tóxicos ni alergénicos para el huésped, pero no proporcionan ningún beneficio terapéutico adicional. Por ese motivo, se están desarrollando nuevos materiales capaces de proporcionar una estimulación eléctrica a las células. En este sentido, esta tesis explora la utilización de nuevos biomateriales con el fin de proporcionar estimulación eléctrica a las células osteoblásticas para mejorar la proliferación y diferenciación celulares. En primer lugar, hemos demostrado la biocompatibilidad de una espuma de poliuretano recubierta de paladio en términos de viabilidad, adhesión, proliferación y diferenciación de los osteoblastos, junto con la idoneidad de la estimulación eléctrica directa mediante electrodos para la estimulación de los osteoblastos. En segundo lugar, hemos demostrado que las aleaciones de TiZrPdSiNb recubiertas de ZnO en forma de nanoláminas también son biocompatibles y mejoran la adhesión, proliferación y diferenciación de los osteoblastos, debido a la estimulación eléctrica indirecta por efecto piezoeléctrico. En tercer lugar, se ha evaluado la biocompatibilidad de las heteroestructuras de Kapton/FeGa/P(VDF-TrFE) recientemente desarrolladas y la idoneidad de la estimulación eléctrica inducida por campo magnético para mejorar la proliferación, la adhesión y la diferenciación de los osteoblastos. Los resultados de esta investigación contribuyen al avance de los biomateriales ortopédicos proporcionando una comprensión más profunda de los efectos de la estimulación eléctrica sobre las células osteoblásticas. Los biomateriales desarrollados tienen el potencial de mejorar la regeneración del tejido óseo y ofrecer resultados clínicos mejorados en aplicaciones ortopédicas. Esta tesis sirve como base para futuras investigaciones y para el desarrollo de biomateriales más avanzados que ofrezcan una eficaz estimulación eléctrica para mejorar los procesos de curación ósea.

The use of biocompatible materials has attained an increasing importance for medical surgery and orthopaedics due to population aging. Biomaterials currently used in bone implants possess bioinertness, thus not being toxic or allergenic to the host, but they do not provide any additional therapeutic benefit. For this reason, new materials able to deliver an electrical stimulation to cells are being developed. In this sense, this thesis explores the investigation of novel biomaterials for the purpose of delivering electrical stimulation to osteoblast cells in order to enhance cell proliferation and differentiation. First, we demonstrated the biocompatibility of a palladium-coated polyurethane foam in terms of osteoblast viability, adhesion, proliferation, and differentiation, along with the suitability of direct electrical stimulation through electrodes for osteoblast stimulation. Second, we demonstrated that ZnO nanosheet-coated TiZrPdSiNb alloys in the form of nanosheets are also biocompatible and enhance osteoblasts adhesion, proliferation, and differentiation, due to indirect electrical stimulation by piezoelectric effect. Third, we assessed the biocompatibility of newly developed Kapton/Fe-Ga/P(VDF-TrFE) heterostructures and the suitability of magnetic-field-induced electrical stimulation to enhance osteoblasts proliferation, adhesion, and differentiation. The findings from this research contribute to the advancement of orthopaedic biomaterials by providing a deeper understanding of the effects of electrical stimulation on osteoblast cells. The developed biomaterials have the potential to enhance bone tissue regeneration and offer improved clinical outcomes in orthopaedic applications. This thesis serves as a foundation for further research and development of biomaterials that can effectively deliver electrical stimulation to enhance bone healing processes.