Development of antibacterial, antiresorptive and osteogenic gallium and silver doped titanium implants

Abstract

(English) The augment in life expectancy has motivated the increase or degenerative disorders, especially in our bones. The skeleton provides us protection and support; however, with aging, bones can undergo an imbalance in its homoeostasis resulting in a high osteoclast activity mediating bone resorption. As a consequence, bones become damaged and they are susceptible to fractures. Diseases involving high bone resorption can be osteoporosis or bone cancer and me tastasis. In these disorders, the traditional treatments are focused on reducing bone resorption by inhibiting osteoclast activation. However, even with the use of anti-resorptive drugs, the risk of fractures still remains high. Therefore, in cases in which bone deterioration is beyond and a fracture occurs; or the tumor must be removed, a prosthesis is required. In this sense, Titanium (Ti) and its alloys are the most used materials in orthopedic surgeries, mainly due to suitable biocompatibility and excellent mechanical properties. Nevertheless, to achieve adequate osteointegration in a compromised environment where bone resorption is highly activated is an arduous labor. In addition, Ti has to face another huge problem to ensure osteointegration: bacterial infection. Bacteria can adhere to the implant surface, provokes surgical site infection (SSI) and compromise the success of the implant and the life of the patient. Moreover, in orthopedic surgeries after malignant bone tumor resection, bacteria can take advantage of the patients immune depression and generate a major complication. In order to solve this unmet medical need, in this PhD thesis we propose a surface thermochemical treatment to improve the Ti performance. This thermochemical treatment is a well-established procedure, developed by Kokubo, T., to enhance the bioactivity of Ti and can be modified with the addition of functional ions. Therefore, in this PhD, we explore the use the addition of silver {Ag) into the thermochemical treatment to provide antibacterial activity {chapter 1 ); the addition of gallium {Ga) to provide anti-resorptive character and osteoinduction {chapter 2); and finally, the addition of both ions to obtain an antibacterial Ti implant with anti-resorptive and osteoinductive properties (chapter 3). After physicochemical evaluation in previous work, this PhD thesis highlights in Chapter 1 that the Ag-doped calcium titanate layer produced on Ti surface as a consequence of the thermochemical treatment inhibits bacterial attachment. shows no toxic effect on osteoblast-like cells. and enhances osteoblasts survival in co-culture with Staphylococcus aureus and Staphylococcus epidermidis. In Chapter 2, the Ga-containing calcium titanate and gallium titanate layer produced as a consequence of the treatment reduces osteoclastogenesis and induces osteodifferentiation in human mesenchymal stem cells (hMSC). Finally, in Chapter 3, the combination of both ions generates Ag-doped Ga-containing calcium titanate and gallium titanate capable of reducing osteoclastogenesis and inducing osteodifferentiation of hMSC after co-culturing with Pseudomonas aeruginosa and quorum sensing virulence. As conclusions, the layer generated with the Ag and Ga combination could be a good strategy to reduce bone resorption in bone defects caused by excessive bone resorption. Moreover, the layer would prevent the apparition of SSI by fighting bacterial infection. Therefore, GaAg-treated Ti becomes a promising medical device for its application in osteoporotic and bone tumor prostheses with high incidence of bacterial infection.

(Català) L'increment a l'esperança de vida ha motivat l'augment de malalties degeneratives, especialment als nostres ossos. L'esquelet ofereix protecció i suport; no obstant això, amb l'envelliment, pot patir un desequilibri en la seva homeòstasi, cosa que resulta en una alta activitat dels osteoclasts promovent la resorció òssia. Com a conseqüència, els ossos es fan malbé i són susceptibles a fractures. Les malalties que impliquen una alta resorció òssia poden ser l'osteoporosi, el càncer d'ossos i la metàstasi. Quan apareixen aquests trastorns, els tractaments se centren a reduir la resorció òssia mitjançant la inhibició de l'activació dels osteoclasts. Tot i això, fins i tot amb l'ús de fàrmacs antiressortius, el risc de fractures és elevat. Per tant, en casos en què el deteriorament ossi continua i es produeix una fractura o en què s'ha d'extirpar el tumor, cal una pròtesi. En aquest sentit, el Titania (Ti) i els seus aliatges són els materials més utilitzats en cirurgia ortopèdica, a causa de la seva adequada biocompatibilitat i les seves excel·lents propietats mecàniques. Tot i això, aconseguir una forta osteointegració en un entorn compromès on la resorció òssia està altament activada, és una tasca complicada. A més, el Ti ha de fer front a un altre gran problema per garantir l'Osteointegració: la infecció bacteriana. Els bacteris es poden adherir a la superfície de l'implant, provocar infecció del lloc quirúrgic (ISQ) i comprometre l'èxit de l'implant i la vida del pacient. Això pot esdevenir una complicació encara més gran si la cirurgia ortopèdica es produeix després de l'extirpació d'un tumor ossi maligne, ja que els bacteris poden aprofitar-se de l'estat immunodeprimit del pacient i produir una infecció més fàcilment. Per donar solució a aquesta necessitat mèdica insatisfeta, en aquesta tesi doctoral proposem un tractament termoquímic superficial per millorar el rendiment del Ti. Aquest tractament termoquímic és un procediment ben establert, desenvolupat per Kokubo, T., per millorar la bioactivitat del Tu. A més, aquest tractament es pot modificar amb l'addició d'ions funcionals. Per tant, en aquesta tesi doctoral s'explora l'ús de l'addició de plata (Ag) per proporcionar activitat antibacteriana (capítol 1); l'addició de gal·li (Ga) per proporcionar caràcter antiressortiu i osteogènic (capítol 2); i finalment, l'addició simultània de tots dos ions per obtenir un implant de Tu amb propietats antibacterianes, antiressortives i osteogèniques (capítol 3). Després de l'avaluació fisicoquímica del tractament en treballs anteriors, aquesta tesi doctoral destaca al Capítol 1 que la capa de titanat de calci dopada amb Ag, formada a la superfície del Ti durant el tractament termoquímic, inhibeix l'adhesió bacteriana, sense mostrar cap efecte tòxic sobre les cèl·lules similars als osteoblasts, i promou la supervivència d'osteoblasts en cocultiu amb Staphylococcus aureus i Staphylococcus epidermidis. Al Capítol 2, la capa de titanat de calci amb Ga, produïda com a conseqüència del tractament, redueix l'osteoclastogènesi i indueix l'osteodiferenciació de Cèl·lules mare mesenquimals humanes (hMSC). Finalment, al Capítol 3, la combinació d'Ag i Ga genera una capa de titanat de calci amb els dos ions, que és antibacteriana i capaç de reduir l'osteoclastogènesi i induir l'osteodiferenciació d'hMSC després del col·cultiu amb Pseudomones aeruginosa i la virulència del quòrum sensing. Com a conclusió, la capa generada amb la combinació d'Ag i Ga podria ser una bona estratègia per reduir la resorció òssia en defectes ossis on és implantat. A més, la capa evitaria l'aparició d'ISQ en combatre la infecció bacteriana. Per tant. el Ti tractat amb Ga i Ag es converteix en un dispositiu mèdic prometedor per aplicar-lo en pròtesis osteoporòtiques o de tumors ossis amb alta incidència d'infecció bacteriana.

(Español) El incremento en la esperanza de vida ha motivado el aumento de enfermedades degenerativas, especialmente en nuestros huesos. El esqueleto brinda protección y apoyo; sin embargo, con el envejecimiento, puede sufrir un desequilibrio en su homeostasis, lo que resulta en una alta actividad de los osteoclastos promoviendo la resorción ósea. Como consecuencia, los huesos se dañan y son susceptibles a fracturas. Las enfermedades que implican una alta resorción ósea pueden ser la osteoporosis, el cáncer de huesos y la metástasis. Cuando aparecen estos trastornos, los tratamientos se centran en reducir la resorción ósea mediante la inhibición de la activación de los osteoclastos. Sin embargo, incluso con el uso de fármacos antirresortivos, el riesgo de fracturas es elevado. Por tanto, en casos en los que el deterioro óseo continúa y se produce una fractura o en el que se debe extirpar el tumor, se requiere una prótesis. En este sentido, el Titania (Ti) y sus aleaciones son los materiales más utilizados en cirugía ortopédica, debido a su adecuada biocompatibilidad y sus excelentes propiedades mecánicas. Sin embargo, lograr una fuerte osteointegración en un entorno comprometido donde la resorción ósea está altamente activada, es una tarea complicada. Además, el Ti tiene que afrontar otro gran problema para garantizar la Osteointegración: la infección bacteriana. Las bacterias pueden adherirse a la superficie del implante, provocar infección del sitio Quirúrgico (ISQ) y comprometer el éxito del implante y la vida del paciente. Esto puede convertirse en una complicación aún mayor si la cirugía ortopédica se produce tras la extirpación de un tumor óseo maligno, ya que las bacterias pueden aprovecharse del estado inmunodeprimido del paciente y producir una infección más fácilmente. Para dar solución a esta necesidad médica insatisfecha, en esta tesis doctoral proponemos un tratamiento termoquímico superficial para mejorar el rendimiento del Ti. Este tratamiento termoquímico es un procedimiento bien establecido, desarrollado por Kokubo, T ., para mejorar la bioactividad del Ti. Además, dicho tratamiento puede modificarse con la adición de iones funcionales. Por lo tanto, en esta tesis doctoral, se explora el uso de la adición de plata (Ag) para proporcionar actividad antibacteriana (capítulo 1 ); la adición de galio (Ga) para proporcionar carácter antirresortivo y osteogénico (capítulo 2); y finalmente, la adición simultánea de ambos iones para obtener un implante de Ti con propiedades antibacterianas, antirresortivas y osteogénicas (capítulo 3). Tras la evaluación fisicoquímica del tratamiento en trabajos anteriores, esta tesis doctoral destaca en el Capítulo 1 que la capa de titanato de calcio dopada con Ag, formada en la superficie del Ti durante el tratamiento termoquímico, inhibe la adhesión bacteriana, sin mostrar ningún efecto tóxico sobre las células similares a los osteoblastos, y promueve la supervivencia de osteoblastos en co-cultivo con Staphylococcus aureus y Staphylococcus epidermidis. En el Capítulo 2, la capa de titanato de calcio con Ga, producida como consecuencia del tratamiento, reduce la osteoclastogénesis e induce la osteodiferenciación de Células madre mesenquimales humanas (hMSC). Finalmente, en el Capítulo 3, la combinación de Ag y Ga genera una capa de titanato de calcio con ambos iones, que es antibacteriana y capaz de reducir la osteoclastogénesis e inducir la osteodiferenciación de hMSC después del co-cultivo con Pseudomonas aeruginosa y la virulencia del quorum sensing. Como conclusión, la capa generada con la combinación de Ag y Ga podría ser una buena estrategia para reducir la resorción ósea en defectos oseos donde es implantado. Además, la capa evitaría la aparición de ISQ al combatir la infección bacteriana. Por tanto. el Ti tratado con Ga y Ag se convierte en un dispositivo médico prometedor para su aplicación en prótesis osteoporóticas o de tumores óseos con alta incidencia de infección bacteriana.