Design, physico-chemical characterization and bioactivity studies of hybrid nanostructured titanium surfaces for enhanced osseointegration

Esta tesis se centra en el desarrollo de superficies hibridas basadas en titanio con una bioactividad mejorada para aplicaciones en regeneracion de tejido oseo. En este trabajo se incluyen cuatro enfoques diferentes para la modificacion de las superficies de titanio con potencial para ser utilizadas como implantes, mejorando el crecimiento y la fijacion del tejido oseo en la superficie del implante. Ademas de una mejora en la actividad celular, algunas de las superficies en este estudio mostraron capacidad de mineralizacion de las celulas de osteoblastos, con potencial para conducir a una rapida formacion del tejido oseo.Este trabajo tiene como objetivo general el contribuir a la comunidad cientifica en el area de biomateriales con el desarrollo de nuevos materiales funcionalizados en la nano-escala que podrian ser usados para mejorar la integracion osea y asi, superar los posibles rechazos y/o inflamacion generadas por los implantes.Un aspecto clave en la ingenieria de implantes ortopedicos es la de ? bioactivar? su superficie. El uso de capas finas de carbono ha atraido una atencion considerable en los campos biomedicos debido a su biocompatibilidad y su baja tasa de desgaste. Sin embargo, las capas de carbono son bioinertes y por lo tanto su bioactividad es inapropiada para el uso en implantes ortopedicos. En esta tesis se utilizo la tecnica de magnetron sputtering no-reactivo para producir capas finas de carbono amorfo, a-C, incluyendo el elemento biocompatible niobio (Nb) para alterar la quimica y nanotopografia de las capas de a-C con el fin de bioactivar la superficie de implantes recubiertos con carbono. Las capas de nanocompuestos de carburo de niobio (Nb-C) formadas a partir de la incorporacion de Nb en las capas de a-C presentaron propiedades mecanicas mejoradas, tales como una relativa alta nanodureza, elevado modulo de Young y una inusual super elasticidad.Es especialmente destacable que las celulas de preosteoblastos cultivadas sobre capas de Nb-C presentaron una adhesion y una actividad de fosfatasa alcalina (ALP, por sus siglas en ingles) mejorada, comparada con las celulas cultivadas sobre superficies de carbono y TiO2. Esta mejora se puede asociar a los efectos combinados de cambios en la quimica superficial y del refinamiento de la nano topografia generado por la incorporacion del Nb.En los ultimos anos ha crecido el interes por utilizar los asi llamados enfoques biologicos para optimizar el desempeno de implantes. En esta tesis se modifico la superficie de la titania (TiO2) con una multicapa auto-ensamblada de biopolimeros quimicamente entrecruzados. La multicapa de biopolimero se fabrico en base a polimeros de origen natural; alginato y colageno. Se observo que el titanio recubierto con la multicapa biopolimero reproduce de una forma muy cercana a la matriz extracelular del hueso en terminos de bio-morfologia y propiedades mecanicas. La multicapa se desarrollo mediante la tecnica de capa-a-capa y se entrecruzo por medio de quimica de carbodiimidas para obtener una estructura estable y compacta.Los recubrimientos de alginato y colageno mostraron una morfologia fibrilar con un diametro aparente de las fibras de ~50 nm y longitudes que variaron desde unos cientos de nanometros a unas ~3 ? m, imitando por tanto la matriz extracelular del hueso en la longitud y alcance de las fibras. Los analisis de espectroscopia de fuerzas de la capa revelaron un modulo de Young de unos pocos kPa, el cual concuerda con las propiedades mecanicas de las fibras de colageno de origen natural.celulas de osteoblastos mostraron una adhesion mejorada en la superficie polimerica comparada con la superficie de titania sin recubrir, y una actividad biologica superior en terminos de la mineralizacion especialmente con alginato como ultima capa en la multicapa.El estroncio, un elemento esencial en el ciclo de remodelacion osea, tiene grandes perspectivas en el desarrollo de terapias para enfermedades relacionadas con los huesos y con reemplazos ortopedicos. Sin embargo, su uso esta limitado debido a que su aplicacion efectiva mediante administracion oral induce una respuesta toxica y efectos secundarios indeseados. En esta tesis hemos incorporado tambien estroncio en titanio a traves de cepillos polimericos de acido poliacrilico (PAA), generados in situ a partir de la superficie de titanio. El estroncio forma un complejo con los grupos carboxilato del PAA y queda retenido en el cepillo. Este enfoque puede ayudar a superar los inconvenientes del tratamiento con estroncio, restringiendo su presencia solo a la superficie implantada y consecuentemente su accion a las celulas que se encuentren en contacto directo con la superficie del implante. Hemos utilizado por primera vez, a nuestro conocimiento, la modificacion superficial de titanio con cepillos polimericos con el fin de capturar estroncio y lograr una mejora en la osteoactividad del biomaterial. La concentracion del estroncio puede ser variada por medio de la densidad de las cadenas en el cepillo de PAA enlazadas a la superficie de titanio. Una mayor densidad de cadenas polimericas en el cepillo ofrece mas grupos carboxilos para acomplejar estroncio La adhesion inicial de los osteoblastos fue mayor sobre estas estructuras polimericas comparadas con la superficie de TiO2 sin recubrir. Ademas, los cepillos mostraron capacidad para promover la mineralizacion del tejido oseo en funcion de la concentracion de estroncio. El efecto sinergico del recubrimiento polimerico aumentando la biomineralizacion y osteoactividad del estroncio se confirmo con un aumento de la ALP y la osteocalcina, los elementos principales de la matriz extracelular (ECM, por sus siglas en ingles) mineralizada.La osteointegracion en el titanio, el proceso de union del implante al tejido oseo, depende en gran medida de la textura del titanio. La osteointegracion se ve mejorada en superficies con caracteristicas nano y micro, que simulen la textura de la matriz extracelular. En este trabajo tambien hemos realizado un decapado alcalino de aleaciones de titanio para refinar su textura superficial produciendo una topografia con detalles en escala micro y nano.La morfologia resultante depende principalmente del tiempo de proceso y la concentracion de NaOH utilizado. Empleando tiempos largos y altas concentraciones de NaOH hemos sido capaces de producir superficies rugosas e irregulares. La reaccion de titanio con el NaOH forma una capa de titanato de sodio que usamos para incorporar estroncio. El estroncio es un elemento bioactivo, asi que exploramos la capacidad de las superficies para incorporar el estroncio en funcion de su morfologia. Encontramos que las condiciones ligeramente alcalinas son mas favorables para el intercambio de iones entre el Na+ y Sr2+, resultando en una incorporacion mas alta de Sr2+ en la superficie de las aleaciones modificadas de Ti. La morfologia superficial de las aleaciones antes del decapado influenciaron el contenido final de Sr2+ en la superficie. Las superficies mas rugosas tienen una mayor capacidad para incorporar Sr2+, debido a que pueden reaccionar mas intensamente con el NaOH, de tal forma que mas area queda expuesta para el intercambio de iones.La evaluacion preliminar de la bioactividad y biocompatibilidad con celulas de pre-osteblastos permite establecer un paralelo entre la morfologia de los implantes y un mejor comportamiento biologico en cuanto las celulas de osteoblastos mostraron una mejor adherencia a las superficies nano estructuradas.