Caracterización y optimización de superfícies biomimétricas pra regeneración de Ttjido óseo

Abstract

Este proyecto se propone caracterizar y optimizar superficies biofuncionalizadas con diferentes secuencias peptídicas, para lograr la regeneración ósea (oseointegración) y por ende la disminución de los problemas de rechazo que ocurren al implantar materiales metálicos dentro del cuerpo humano. En base a lo descrito bibliográficamente, se utilizará una aleación de CoCr aprobada por las normas ASTM, para usos en dispositivos médicos y una aleación de Ti libre de Níquel desarrollada para tal fin por el grupo de biomateriales de la UPC. Para la caracterización y optimización del proceso de biofuncionalización los estudios se dividirán en tres etapas: Limpieza y Activación, Silanización e Inmovilización de biomoléculas. En cuanto a la limpieza y activación se realizará un estudio comparativo entre el plasma y diferentes tratamientos químicos (piraña en el caso de la aleación de Ti y ácido nítrico para la aleación de CoCr), para seleccionar el mejor en términos de introducción de grupos activos en superficie (grupos hidroxilos), grado de limpieza y composición química de la capa de óxidos superficial. La silanización es un proceso intermedio que enlaza un material inorgánico (metal) con un material orgánico (biomoléculas), en este proyecto se usarán 3 silanos: APTES+Maleimido, GPTES, CPTES sobre cada una de las superficies y se procederá a seleccionar aquel que presente el mejor enlace covalente con la superficie metálica y la mayor estabilidad térmica, química y mecánica. Una vez silanizadas las superficies se realizará la inmovilización de diversas secuencias peptídicas (RGD, PHSRN, FHRRIKA, RGD + FHRRIKA Y RGD + PHSRN), que forman parte de las proteínas presentes en el cuerpo humano y por ende podrán ser fácilmente reconocidas por las células; en esta fase se hará uno estudio comparativo de la cantidad de peptidos, así como se evaluará también la estabilidad de los mismos sobre las superficies. Durante el desarrollo de la biofuncionalización se hará énfasis en la optimización de los procedimientos y la caracterización superficial de cada etapa por medio de diversas técnicas, entre ellas: XPS, ángulo de contacto, ToF SIMS, Interferometría, espectrometría de luz UV, y técnicas de fluorescencia. Para finalizar se evaluará el proceso de optimización, estudiando la influencia de las secuencias pépticas cortas en la respuesta celular, en términos de adhesión y proliferación de células madres mesenquimales de ratas.

The aim of this project is to characterise and optimise biofunctionalised surfaces bearing different peptide sequences in order to achieve an improved bone regeneration (osteointegration) and to reduce rejection problems associated with metal implant materials in human body. On the basis of previous studies reported in the literature, a CoCr alloy approved by the American Society for Testing and Materials (ASTM) was chosen. This material has been widely used for biomedical devices. In addition, a nickel free Ti alloy, previously developed in the biomaterials group at the UPC, was also investigated for the same purpose. The biofunctionalised surface were achieved in three fundamental steps and characterised after each modification: 1) Cleaning and activation, 2) Silanization and 3) biomolecule immobilization. As for the cleaning and activation a comparative study between oxygen plasma and acidic treatment (piranha solution for Ti alloy and nitric acid for CrCo alloy) was performed with the aim to select the best method to oxidise the surface, introduce hydroxyl groups and simultaneously remove impurities. Silanization is an intermediary step that allows to bind an inorganic material (metal) to an organic material (biomolecule). The organosilanes employed on each metal surface for this purpose were three: 3-aminopropyltriethoxisilane (APTES) further derivitised with a Maleimide group for activation, 3-glycidoxypropyltriethoxisilane (GPTES), 3-chloropropyltriethoxisilane CPTES. Covalent binding and mechanical, chemical and thermical stability at the surface were the criteria followed to determine the best silanization method. The following step was the surface immobilization of different peptide sequences (RGD, PHSRN, FHRRIKA, RGD + FHRRIKA Y RGD + PHSRN), which are the ¿active part¿ of more complex proteins present in the human body that cells may easily recognise and bind. A comparative studies of amount of bound peptide was carried out along with stability studies at the surface. In order to develop and optimise the whole biofunctionalisation process each modification step was fully characterised by several analitical techniques, such as XPS, contact angle, Tof-SIMS, interferometry, UV ligt spectrometry and fluorescence techniques. Finally, to select the best biofunctionalised material samples were tested for mesenchymal rat stem cells (MRSCs) response in terms of number of cells adhered and proliferation at the surface. In conclusion, this study has proven that: for surface cleaning and activation, either acidic treatments or oxygen plasma demonstrated to be effective for removal of impurities, increase of hydrophilicty and higher surface energy. Moreoever, the optimization process led to the conclusion that for optimal surface activation a high ratio of OH-/O2- is necessary. For CoCr the most effective method for the introduction of hydroxyl groups density at the surface and therefore a higher OH -/O2- ratio was nitric acid, whereas for the Ti alloy was oxygen plasma.