Covalent Functionalization of Titanium with Natural Small Molecules for Bioactive Bone Implants

Abstract

[cat] Encara que els implants ossis, dentals i ortopèdics, tenen una elevada taxa d'èxit, quan fallen l'impacte és molt elevat. La recerca actual en implants ossis es centra en millorar el seu funcionament, desenvolupant nous biomaterials que millorin la integració del teixit al voltant de l'implant, i amb funcionalitats afegides com una menor adherència bacteriana. La modificació de la superfície és una eina molt versàtil per ajustar les propietats superficials a les desitjades, amb l'objectiu de controlar les interaccions cèl·lula-material. En aquesta tesi es presenten tres superfícies bioactives basades en la immobilització covalent de petits compostos d'origen fitoquímic, amb efectes en el metabolisme ossi prèviament coneguts, sobre substrats de titani: el fitat (IP6) i els flavonoides taxifolina i quercitrina. L'IP6, un polifosfat que es troba en les llavors de les plantes i que, entre altres funcions, inhibeix la resorció òssia, es va unir directament a les superfícies de Ti mitjançant enllaços covalents Ti-O-P. El pH de la dissolució d'IP6 va resultar ser un factor clau per a la unió covalent de la molècula a la superfície. Els flavonoides taxifolina i quercitrina —compostos polifenòlics amb propietats antioxidants, antibacterianes i antiinflamatòries— es van unir covalentment a les superfícies de Ti utilitzant (3-aminopropil) trietoxisilà com a agent d'unió, a través de la formació d'una base de Schiff entre el grup cetona del flavonoide i el grup amino terminal de la superfície silanitzada. També es va avaluar una estratègia d’aminació reductora per optimitzar el recobriment, utilitzant NaCNBH3 com a reductor. Les superfícies es van caracteritzar físico-químicament utilitzant diverses tècniques de superfície amb l'objectiu d'avaluar la rugositat superficial, la mullabilitat i la naturalesa i composició química. Per determinar la quantitat de flavonoide unida a les superfícies es va desenvolupar un mètode espectrofluorimètric utilitzant 2-aminoetil difenilborinat, un èster borònic que forma un complex fluorescent amb els composts flavonoides de manera espontània. Aquest mètode podria ser aplicat per caracteritzar quantitativament altres recobriments basats en polifenols. L'efecte biològic de les superfícies es va avaluar in vitro utilitzant diferents tipus de cèl·lules òssies i cèl·lules gingivals. Les superfícies Ti-IP6 no van resultar citotòxiques per a cèl·lules preosteoblàstiques MC3T3-E1 i van promoure significativament l'expressió gènica de marcadors osteogènics. Encara que les superfícies Ti-IP6 no van causar un efecte bactericida, sí van mostrar una menor adhesió de S. sanguinis, un microorganisme present en la cavitat bucal. Les superfícies funcionalitzades amb flavonoides van mostrar efectes osteogènics in vitro en cèl·lules mare mesenquimals humanes diferenciades a osteoblasts, i potencial anti-inflamatori i anti-fibròtic en fibroblasts gingivals humans. A més, les superfícies de Ti funcionalitzades covalentment amb quercitrina van promoure l'adhesió cel·lular de cèl·lules mare mesenquimals humanes, van incrementar la mineralització in vitro, i van disminuir l’osteoclastogenesis in vitro en cèl·lules RAW264.7 i in vivo en un model animal d’osseointegració. Per tant, les superfícies desenvolupades en aquesta tesi, en particular aquelles funcionalitzades amb quercitrina, tenen aplicació potencial en dispositius mèdics implantables, com implants dentals i ortopèdics amb una millor integració del teixit, i podrien ser fàcilment traslladades a etapes clíniques.

[spa] Aunque los implantes óseos, dentales y ortopédicos, tienen una elevada tasa de éxito, su fallo supone un impacto muy elevado. La investigación actual en implantes óseos se centra en mejorar su funcionamiento, desarrollando nuevos biomateriales que mejoren la integración del tejido alrededor del implante, y con funcionalidades añadidas como una menor adherencia bacteriana. La modificación de la superficie es una herramienta muy versátil para ajustar las propiedades superficiales a las deseadas, con el objetivo de controlar las interacciones célula-material. En esta tesis se presentan tres superficies bioactivas basadas en la inmovilización covalente de pequeños compuestos de origen fitoquímico, con efectos en el metabolismo óseo previamente conocidos, sobre sustratos de titanio: el fitato (IP6) y los flavonoides taxifolina y quercitrina. El IP6, un polifosfato que se encuentra en las semillas de las plantas y que, entre otras funciones, inhibe la resorción ósea, se unió directamente a las superficies de Ti mediante enlaces covalentes Ti-O-P. El pH de la disolución de IP6 resultó ser un factor clave para la unión covalente de la molécula a la superficie. Los flavonoides taxifolina y quercitrina —compuestos polifenólicos con propiedades antioxidantes, antibacterianas y antiinflamatorias— se unieron covalentemente a las superficies de Ti utilizando (3-aminopropil) trietoxisilano como agente de unión, a través de la formación de una base de Schiff entre el grupo cetona del flavonoide y el grupo amino terminal de la superficie silanizada. También se evaluó una estrategia de aminación reductora para optimizar el recubrimiento, utilizando NaCNBH3 como reductor. Las superficies se caracterizaron físico-químicamente utilizando varias técnicas de superficie con el objetivo de evaluar la rugosidad superficial, la mojabilidad y la naturaleza y composición química. Para determinar la cantidad de flavonoide unida a las superficies se desarrolló un método espectrofluorimétrico utilizando 2-aminoetil difenilborinato, un éster borónico que forma un complejo fluorescente con los compuestos flavonoides de manera espontanea. Este método se podría aplicar para caracterizar cuantitativamente otros recubrimientos basados en polifenoles. El efecto biológico de las superficies se evaluó in vitro utilizando distintos tipos de células óseas y células gingivales. Las superficies Ti-IP6 no resultaron citotóxicas para células preosteoblásticas MC3T3-E1 y promovieron significativamente la expresión génica de marcadores osteogénicos. Aunque las superficies Ti-IP6 no causaron un efecto bactericida, sí mostraron una menor adhesión de S.sanguinis, un microorganismo presente en la cavidad bucal. Las superficies funcionalizadas con flavonoides mostraron efectos osteogénicos in vitro en células madre mesenquimales humanas diferenciadas a osteoblastos, y potencial anti-inflamatorio y anti-fibrótico en fibroblastos gingivales humanos. Además, las superficies de Ti funcionalizadas covalentemente con quercitrina promovieron la adhesión celular temprana de células madre mesenquimales humanas, incrementaron la mineralización in vitro, y disminuyeron la osteoclastogenesis in vitro en células RAW264.7 e in vivo en un modelo animal de oseointegración. Por tanto, las superficies desarrolladas en esta tesis, en particular aquellas funcionalizadas con quercitrina, tienen aplicación potencial en dispositivos médicos implantables, como implantes dentales y ortopédicos con mejor integración del tejido, y podrían ser fácilmente trasladadas a etapas clínicas.

[eng] Although bone implants have high success rates, when they fail they have a dramatic impact. Bone implant research is currently focused on improving implant performance, trying to develop new biomaterials with improved tissue integration and with added functionalities like decreased bacterial adhesion. Surface modification is an extremely versatile tool to tune the implant surface properties to those of interest in order to tailor cell –material interactions. This thesis presents three bioactive surfaces based on the covalent grafting of small molecules of phytochemical origin, with previous known effects on bone metabolism, onto titanium substrates: phytate (IP6) and the flavonoids taxifolin and quercitrin. IP6, a polyphosphate present in plant seeds that inhibits bone resorption, among other biological functions, was successfully grafted to Ti surfaces directly, through covalent Ti-O-P bonds. The pH of the IP6 solution was a key parameter for the covalent immobilization of the molecule to the surface. Flavonoids taxifolin and quercitrin —polyphenolic compounds with antioxidant, antibacterial and anti-inflammatory properties— were covalently bound to Ti surfaces through their ketone group, using (3-aminopropyl) triethoxysilane (APTES) as a cross-linker agent, through the formation of a Schiff base with the terminal amine group of the aminosilane. A reductive amination approach, using NaCNBH3 as a reductive agent, was also evaluated to optimize the quercitrin coating procedure. The surfaces were characterized physic chemically using several surface techniques in order to evaluate the surface roughness, wettability and chemical nature and composition. A fluorescence-based method for the quantification of the amount of flavonoid grafted onto the surfaces, using 2-aminoethyl diphenylborinate, a boronic ester that spontaneously forms a fluorescent complex with flavonoids, was developed. This method could be applied to determine the surface coverage of other plant-derived polyphenol-based coatings. The biological effect of the surfaces was evaluated in vitro using gingival and different bone cell types. Ti-IP6 surfaces were not cytotoxic for preosteoblastic MC3T3-E1 cells and significantly enhanced the gene expression of osteogenic markers. Although Ti-IP6 surfaces did not cause a bactericidal effect, they showed a decreased bacterial adhesion of S. sanguinis, a microorganism present in the oral cavity. Flavonoid modified surfaces showed osteogenic and osteopromotive effects in vitro on human mesenchymal stem cells committed to the osteoblastic lineage, and anti-inflammatory and anti-fibrotic properties on human gingival fibroblasts. Furthermore, Ti surfaces functionalized covalently with quercitrin promoted early human stem cell adhesion, enhanced mineralization in vitro, and decreased osteoclastogenesis in vitro on RAW264.7 cells and in vivo in a rabbit model of implant osseointegration. All in all, the surfaces developed in this thesis, in particular those functionalized with quercitrin, might have potential applications in implantable biomedical devices like bioactive dental and orthopaedic bone implants with improved tissue integration, and they could be easily translated into clinical stages.