Fabrication and characterization of FeMn alloys with antibiofilm properties for biodegradable implant applications

Abstract

Els implants biodegradables constitueixen una nova generació de materials biomèdics l'objectiu dels quals és ajudar en els processos de cicatrització dels teixits i degradar-se gradualment in vivo una vegada complerta la seva funció. En els darrers anys, els aliatges de Fe-Mn s'han postulat com a candidats per a implants biodegradables gràcies a les seves excel·lents propietats mecàniques i una velocitat de corrosió adequada. A més, la incorporació d'elements antimicrobians, com ara Ag i ZnO, s'està avaluant per tal de desenvolupar un material amb propietats anti biofilm que faci disminuir el risc d'infeccions associades a implants. En aquesta tesi, es van fabricar aliatges porosos equiatòmics de Fe-Mn en forma de disc mitjançant pulvimetal·lúrgia per molta en un molí de boles i posterior sinterització al buit. En el primer estudi es va abordar la incorporació de Ag amb capacitat anti bactericida a l'aliatge Fe50Mn50 mitjançant aliat mecànic de pols metàl·liques per formar precipitats rics en Ag uniformement dispersos dins de la matriu de FeMn. El segon estudi es va enfocar en la deposició d'un recobriment de ZnO sobre el disc porós de FeMn mitjançant el mètode de recobriment per immersió (dip-coating). La introducció d'Ag i ZnO tenia com a objectiu accelerar la velocitat de degradació del material i, simultàniament, dificultar la formació de biopel·lícules. Es van emprar diverses tècniques per caracteritzar les propietats dels materials sintetitzats, incloent-hi la microscòpia electrònica de rastreig, la microscòpia electrònica de transmissió, i la difracció de raigs X per a la caracterització de la microestructura, mentre que es van dur a terme assajos de nanoindentació i compressió per avaluar-ne les propietats mecàniques. La biodegradabilitat es va investigar tot submergint les mostres en una solució de Hank's (HBSS). Així, es va quantificar l'alliberament d'ions de Fe, Mn i Ag/Zn per avaluar la velocitat de degradació. Les propietats magnètiques es van estudiar per magnetometria de mostra vibrant abans i després de la immersió en HBSS. També es van dur a terme estudis de citocompatibilitat en cèl·lules Saos-2, de les respostes inflamatòries de les citocines, i de la formació de biopel·lícules de Staphylococcus aureus. Els resultats van revelar que és factible fabricar biomaterials porosos, no citotòxics, de base FeMn mitjançant pulvimetal·lúrgia. Es va observar que la microestructura dels aliatges porosos de FeMn(-xAg) canvia amb l'augment del contingut de Ag, des duna única fase austenítica fins a la coexistència de fases austenita i martensita, cosa que també condueix a una major resistència mecànica dels aliatges que contenen Ag. Les proves d'immersió de FeMn(-xAg), realitzades fins a 84 dies, van revelar que l'alliberament de Mn és més gran que el de Fe. Es va observar la formació de productes de degradació enriquits en O, Ca, P i Cl. D'altra banda, el recobriment dels discs de FeM amb ZnO va permetre millorar significativament la velocitat de degradació del material, observant-se un augment significatiu de l'alliberament d'ions fins als 28 dies d'immersió. Es va observar la formació de fases secundàries durant el procés de fabricació de les mostres, fet que podia explicar l'increment observat en la velocitat de degradació. Tots dos grups de materials van mostrar bona citocompatibilitat en cèl·lules Saos-2. A més, l'addició d'Ag i ZnO conduïa a una reducció en la formació de biopel·lícules de S. aureus en comparació amb l'aliatge de base FeMn.

Los implantes biodegradables constituyen una nueva generación de materiales biomédicos que se están desarrollando para ayudar en los procesos de cicatrización de los tejidos para degradarse gradualmente in vivo una vez cumplida su función. En los últimos años, las aleaciones de Fe-Mn se han postulado como candidatas para implantes biodegradables debido a sus excelentes propiedades mecánicas y una velocidad de corrosión adecuada. Además, se está evaluando la incorporación de elementos antimicrobianos, como Ag y ZnO, para desarrollar un material con propiedades anti biofilm que disminuya el riesgo de infecciones asociadas a implantes. En esta tesis, se fabricaron aleaciones porosas equiatómicas de Fe-Mn en forma de disco mediante pulvimetalurgia por molienda en molino de bolas y posterior sinterización al vacío. En el primer estudio se abordó la incorporación de Ag con capacidad antibacteriana en la aleación Fe50Mn50 mediante el aleado mecánico de polvos metálicos para formar precipitados ricos en Ag uniformemente dispersos dentro de la matriz de FeMn. El segundo estudio se enfocó en la deposición de un recubrimiento de ZnO sobre el disco poroso de FeMn mediante el método de recubrimiento por inmersión (dip-coating). La introducción de Ag y ZnO tenía como objetivo acelerar la velocidad de degradación del material y simultáneamente dificultar la formación de biopelículas. Se emplearon diversas técnicas para caracterizar las propiedades de los materiales sintetizados, incluida la microscopía electrónica de barrido, la microscopía electrónica de transmisión, y la difracción de rayos X para la caracterización microestructural, mientras que se utilizaron ensayos de nanoindentación y compresión para evaluar las propiedades mecánicas. La biodegradabilidad se investigó sumergiendo las muestras en una solución de Hank's (HBSS). Se cuantificó la liberación de iones de Fe, Mn y Ag/Zn para evaluar la velocidad de degradación. Las propiedades magnéticas se estudiaron mediante magnetometría de muestra vibrante antes y después de la inmersión en HBSS. También se realizaron estudios de citocompatibilidad con células Saos-2, de las respuestas inflamatorias de las citocinas y de la formación de biopelículas de Staphylococcus aureus. Los resultados revelaron que es viable fabricar biomateriales porosos, no citotóxicos, de base FeMn mediante pulvimetalurgia. Se observó que la microestructura de las aleaciones porosas de FeMn(-xAg) cambia con el aumento del contenido de Ag, desde una única fase austenítica a una fase dual que comprende austenita y martensita, lo que también conduce a una mayor resistencia mecánica de las aleaciones que contienen Ag. Las pruebas de inmersión de FeMn(-xAg), realizadas hasta 84 días, revelaron que la liberación de Mn es mayor que la de Fe. Se observó formación de productos de degradación enriquecidos en O, Ca, P y Cl. Por otro lado, el recubrimiento de los discos de FeMn con ZnO mejoró significativamente la velocidad de degradación, con un aumento significativo en la liberación de iones hasta los 28 días de inmersión. Se observó la formación de fases secundarias durante el proceso de fabricación de las muestras, lo que contribuía a explicar el incremento observado en la velocidad degradación. Ambos grupos de materiales mostraron buena citocompatibilidad con células Saos-2. Además, la adición de Ag y ZnO conduce a una reducción en la formación de biopelículas de S. aureus en comparación con la aleación base de FeMn.

Biodegradable implants constitute a new generation of biomedical materials that are being developed to assist in tissue healing processes and gradually degrade in vivo after their function is fulfilled. In recent years, Fe-Mn alloys have been studied as potential candidates for biodegradable implant materials because of their excellent mechanical properties and improved corrosion rate. In addition, the incorporation of antimicrobial elements, such as Ag and ZnO, is being studied to develop a material with antibiofilm properties that will lead to a decreased risk of implant-associated infections. In this thesis, porous equiatomic Fe-Mn alloy disks were fabricated via powder metallurgy by ball-milling and vacuum sintering. The first field of study covered the incorporation of antibacterial Ag into the Fe50Mn50 base alloy by the mechanical alloying of metallic powders to form uniformly dispersed Ag-rich precipitates within the FeMn matrix. The second field of study covered the deposition of a ZnO coating onto the porous FeMn disk by the dip-coating method. The addition of Ag and ZnO was aimed at accelerating the degradation rate and simultaneously decreasing the biofilm formation. A variety of methods were employed to characterize the properties of the synthesized materials, including scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, and X-ray diffraction for microstructural characterization, while nanoindentation and compression tests were used to assess the mechanical properties. Biodegradability was investigated by immersing the specimens in Hank's Balanced Salt Solution (HBSS). The release of Fe, Mn and Ag/Zn ions was quantified to assess the degradation rate. The magnetic properties were studied using vibrating sample magnetometry before and after immersion in HBSS. Studies on cytocompatibility towards Saos-2 cells, inflammatory cytokine responses, and biofilm formation of Staphylococcus aureus have also been conducted. The results revealed that porous, non-cytotoxic, FeMn-based biomaterials can be fabricated by powder metallurgy. The phase composition of porous FeMn(-xAg) alloys changes with increasing Ag content from fully austenitic to a dual phase comprising austenite and martensite, which also leads to a higher mechanical strength of the Ag-containing alloys. The immersion tests, conducted up to 84 days for FeMn(-xAg) samples revealed that Mn release is higher than that of Fe. Formation of degradation products enriched in O, Ca, P and Cl was observed. The deposition of ZnO coatings significantly improved the degradation rate of the FeMn alloys, with a significant increase in ion release up to 28 days of immersion. Formation of secondary phases during the fabrication process was observed, which contributed to accelerating degradation. Both groups of materials showed good cytocompatibility towards Saos-2 cells. Moreover, the addition of both Ag and ZnO lead to a reduction in S. aureus biofilm formation when compared to the base FeMn alloy.