Modificaciones superficiales de la aleación Ti6Al4V para aplicaciones médicas

Abstract

La aleación Ti6Al4V es muy empleada en la sustitución de tejido humano, por sus buenas propiedades mecánicas y su carácter bioinerte. Aun así, si la superficie del implante es colonizada por bacterias se puede producir el rechazo del material e incluso la muerte del paciente. En esta Tesis se ha ensayado su modificación superficial para evitar estos inconvenientes. Para ello, se ha realizado la funcionalización con redes de aminopolisiloxano, previa oxidación química. Las superficies silanizadas presentan una elevada densidad de grupos NH2 que se han empleado para el anclaje de compuestos bioactivos por diversas vías, como la formación de enlaces covalentes (elevada estabilidad), enlaces covalentes reversibles (con menor estabilidad) o complejos de coordinación (más lábiles). Entre los compuestos incorporados se encuentran los isocianatos de alquilo y arilo, aldehídos, ácidos carboxílicos, sales de plata, antibióticos, alcoholes sesquiterpenos, etc. En todos los casos, se llevaron a cabo estudios para optimizar la incorporación de los compuestos y caracterizar las superficies, empleando las técnicas FT-IR (ATR), XPS, goniometría de ángulo de contacto, elipsometría óptica, SEM y espectroscopía UV-Vis. La bondad de las nuevas superficies se determinó en estudios de adhesión y crecimiento de biocapas de cepas de Staphylococcus aureus y Staphylococcus epidermidis, en sus modalidades estática y dinámica, y de proliferación de células musculares humanas. Los resultados demostraron que las metodologías propuestas dan lugar a altas densidades superficiales de los compuestos antimicrobianos, que logran disminuir la adhesión, formación de biofilm y viabilidad de las cepas ensayadas, y no impiden la proliferación de células humanas.

The Ti6Al4V alloy is widely employed in medical implants owing to its excellent mechanical properties and bioinertness. Even so, the alloy surface undergoes extensive colonization by bacteria, which may lead to rejection and lethal effects in some patients. Chemical functionalization may certainly avoid such opportunistic infections and represents the core of this doctoral study. Thus, and after previous chemical oxidation, the alloy surface is coated with a poly(aminosiloxane) network having a high density of amino (NH2) groups. This reactive functionality enables the further anchoring of bioactive molecules via formation of covalent bonds (possessing high stability), reversible covalent bonds (less stable), and non-covalent bonding (much more labile). Compounds used include alkyl and aryl isocyanates, aldehydes, carboxylic acids, silver salts, alcohols, sesquiterpenes or antibiotics. In all cases, a systematic study was undertaken to ensure both the reproducibility and optimization of the chemical methods. The resulting surfaces were thoroughly characterized by spectroscopic and microscopy techniques and include FT-IR (ATR mode) spectroscopy, XPS, contact angle goniometry, optical ellipsometry, UV-VIS spectroscopy, and SEM. The antifouling properties were determined by studies of bacterial adhesion and growth with Staphylococcus aureus and Staphylococcus epidermidis strains (both static and dynamic modes), as well as in studies of human cell proliferation (muscle tissue). The present study demonstrates that chemical doping achieves successfully a high density of antimicrobials onto the Ti6Al4V surface, which reduce bacterial adhesion and viability, and biofilm formation, and do not impede the proliferation of human cells.