Controlled Silanization-Amination Reactions on the Ti6Al4V Surface for Biomedical Applications

Abstract

La formación de películas finas sobre aleaciones de titanio que incorporen pequeñas moléculas o macromoléculas bioactivas es una vía para mejorar su biocompatibilidad. Los aminoalquilsilanos se emplean habitualmente como reactivos de interfaz que combinan buenas propiedades de adhesión con un grupo amino de cola susceptible de funcionalización posterior. En este artículo se presenta una metodología reproducible para obtener una estructura de cepillo de tipo polímero reticulado de cadenas de aminoalquilsiloxano unidas covalentemente sobre Ti6Al4V. El protocolo experimental puede ajustarse con precisión para proporcionar una alta densidad de grupos amino recubiertos superficialmente (valor umbral: 2,1 ± 0,1 × 10-8 mol cm-2), como demuestran los análisis químicos y espectrofotométricos. Utilizando una reacción modelo que implica la condensación de 3-aminopropiltrimetoxisilano (APTMS) sobre la aleación Ti6Al4V, mostramos aquí los efectos de la temperatura de reacción, el tiempo de reacción y la humedad del disolvente sobre la composición y la estructura de la película. También se ha evaluado la estabilidad del recubrimiento resultante en condiciones similares a las fisiológicas, así como la posibilidad de re-silanización de la superficie. Para verificar si este recubrimiento inducía efectos perjudiciales sobre el rendimiento biológico de la aleación Ti6Al4V, se han ensayado el comportamiento de osteoblastos primarios humanos, la adhesión de estafilococos y la formación de biopelículas, y se han comparado con la superficie oxidada de Ti6Al4V. Se ha utilizado la reacción con trans-cinamaldehído para determinar los grupos amino útiles en la superficie aminosilanizada, los análisis XPS y UV de los derivados imino generados revelan que casi un 50% de estos grupos están realmente disponibles en las cadenas de siloxano.

Formation of thin films on titanium alloys incorporating bioactive small molecules or macromolecules is a route to improve their biocompatibility. Aminoalkylsilanes are commonly employed as interface reagents that combine good adhesion properties with an amino tail group susceptible of further functionalization. This article introduces a reproducible methodology to obtain a cross-linked polymer-type brush structure of covalently-bonded aminoalkylsiloxane chains on Ti6Al4V. The experimental protocol can be fine-tuned to provide a high density of surface-coated amino groups (threshold value: 2.1 ± 0.1 × 10−8 mol cm−2) as proven by chemical and spectrophotometric analyses. Using a model reaction involving the condensation of 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) on Ti6Al4V alloy, we herein show the effects of reaction temperature, reaction time and solvent humidity on the composition and structure of the film. The stability of the resulting coating under physiological-like conditions as well as the possibility of surface re-silanization has also been evaluated. To verify if detrimental effects on the biological performance of the Ti6Al4V alloy were induced by this coverage, human primary osteoblasts behavior, Staphylococci adhesion and biofilm formation have been tested and compared to the Ti6Al4V oxidized surface. Reaction with trans-cinnamaldehyde has used in order to determine useful amino groups at aminosilanized surface, XPS and UV analyses of imino derivatives generated reveal that almost a 50% of these groups are actually available at the siloxane chains.