[eng] Metals and metal alloys have been used for more than 100 years for a large number of
implant applications through most medical specialties. However, they still present some
drawbacks such as a poor tissue integration or implant-related infections. This, together
with the fact of population ageing, increases the need for longer lasting implants. With
the modification of surface topography or chemistry its properties can be tuned to those
of interest, improving the tissue response while conferring additional antimicrobial or
anti-inflammatory properties. Two different strategies were followed in this thesis to tune
the surface biological properties, a topographical modification that consisted in the
nanostructuration of the titanium (Ti) surface, and a chemical modification that consisted
in the covalent linking of the flavonoid quercitrin (QR) or phytic acid (IP6) to different
surfaces. Then, the applications of these modifications for dental, cardiovascular and
orthopedic implant models were studied.
First, for dental implant applications, nanostructured Ti surfaces were produced using
electrochemical anodization, obtaining two different nanostructure morphologies,
nanopores (NP) with different pore sizes and nanonets (NN), by changing the reaction
conditions. NP with bigger pore size showed an improved human gingival fibroblast
(hGF) proliferation and differentiation. Besides, NN surfaces induced a better
proliferation and differentiation of hGF and bone marrow mesenchymal stem cells (hBMMSCs),
together with a higher frequency of alignment of their cytoskeleton. Finally, the
interaction between NN implant surfaces and the tissue was studied using a 3D gingival
tissue equivalent (GTE). Compared to the GTE-Ti control interface, the GTE-NN
interface showed a higher proportion of collagen fibers oriented perpendicular to the
implant surface, similar to what happens in natural teeth, where collagen fibers are
perpendicularly attached, and creating a good sealing that can prevent the development
of periimplantitis.
Due to the positive results of the NN surface with cell types tested and the multifunctional
properties of the QR coating, the two strategies were combined and tested as a coating
for cardiovascular Ti stents. Although no synergistic effect was found, NN surface
showed good biocompatibility with human umbilical cord endothelial cells (HUVEC)
and good hemocompatibility, reducing drastically platelet adhesion compared to the other groups. Alternatively, QR coated surfaces improved HUVEC proliferation and reduced
Staphylococcus epidermidis adhesion.
Finally, the QR and IP6 coating protocol was adapted to 2D Ti rough surfaces and
compared to the most clinically relevant coating surface in the orthopedic field,
hydroxyapatite (HA). The QR and IP6 coated surfaces showed better osseoinductive
properties than HA on mouse pre-osteoblasts (MC3T3-E1) under basal conditions and
after an incubation with lipopolysaccharide, a bacterial virulence factor, while providing
additional anti-inflammatory and anti-bacterial properties. Also porous 3D Ti-6Al-4V
implants produced by additive manufacturing and functionalized with QR maintained its
mechanical properties and promoted osteogenic, anti-inflammatory and anti-bacterial
properties compared to uncoated Ti-6Al-4V implants.
All in all, the results derived from this thesis have proven the potential applications of
NN surfaces in the dental and cardiovascular fields, and the adaptability of the QR coating
to different clinically relevant surfaces in the orthopedic field, improving their biological
response by the addition of multifunctional properties.
[spa] Durante más de 100 años se han utilizado metales y sus aleaciones para la producción de
implantes en distintas especialidades médicas. Sin embargo, éstos siguen presentando
algunos problemas asociados como son una mala integración de los tejidos o la aparición
de infecciones asociadas a dichos implantes. Todo esto, junto con el envejecimiento de la
población, aumenta la necesidad de desarrollo de implantes más duraderos. Mediante la
modificación de la topografía o la composición de la superficie de los implantes, se
pueden alterar sus propiedades, mejorando la respuesta tisular y aportando nuevas
características como son las propiedades antibacterianas o antiinflamatorias. En esta tesis
doctoral se siguieron dos estrategias diferentes para la modificación de las propiedades
de superficies de Ti, una modificación de la topografía consistente en la
nanoestructuración de superficies de Ti y una modificación de la composición química
consistente en la unión covalente del flavonoide quercitrina (QR) o de fitato (IP6) a la
superficie de diferentes implantes. Se estudió la aplicación de estas modificaciones en
distintos campos: dental, cardiovascular y ortopédico.
En primer lugar, se realizó una nanoestructuración de superficies de Ti mediante
anodización electroquímica para estudiar su posible aplicación como superficie de
implantes dentales. Mediante la modificación de distintos parámetros en la reacción se
produjeron nanoestructuras con dos morfologías distintas, nanoporos (NP) con distinto
tamaño de poro y nanonets (NN). Los NP con poros de mayor diámetro indujeron una
mayor proliferación y diferenciación de fibroblastos gingivales humanos (hGFs). Por otra
parte, las superficies NN mejoraron la proliferación y diferenciación de hGFs y células
madre mesenquimales (hBM-MSCs). Al mismo tiempo, estas superficies provocaron una
mayor frecuencia de alineación del citoesqueleto de los dos tipos celulares estudiados.
Finalmente, la interacción de las superficies NN con el tejido fue estudiada utilizando una
mucosa gingival tridimensional (GTE). En comparación con la interfase GTE-Ti, la
interfase GTE-NN presentaba una mayor proporción de fibras de colágeno orientadas de
manera perpendicular hacia la superficie del implante. Esta situación es similar a lo que
sucede de manera natural donde las fibras de colágeno se encuentran ancladas
perpendicularmente en el diente, quedando aislado de las condiciones del ambiente oral,
lo que reduce el riesgo de desarrollar periimplantitis.
Debido a los buenos resultados observados con las superficies NN con los tipos celulares
estudiados y las propiedades multifuncionales que presenta el recubrimiento con QR,estas dos estrategias se combinaron para estudiarlas como recubrimientos para stents
cardiovasculares. Aunque no se encontró un efecto sinérgico entre las dos modificaciones
estudiadas, las superficies NN presentaron una buena biocompatibilidad con células
endoteliales humanas, así como buena hemocompatibilidad, produciendo un drástico
descenso en la adhesión de plaquetas en comparación con los otros grupos.
Alternativamente, las superficies de Ti recubiertas con QR mejoraron la proliferación de
las células endoteliales y redujeron la adhesión de Staphylococcus epidermidis.
Finalmente, los protocolos de recubrimiento con QR y IP6 se adaptaron a superficies
rugosas y se comparó su eficacia con el recubrimiento de mayor relevancia clínica en el
campo ortopédico, la hidroxiapatita (HA). Los recubrimientos con QR y IP6 mostraron
mejores propiedades osseoinductoras en comparación con la HA en pre-osteoblastos de
ratón (MC3T3-E1) en condiciones basales y después de una incubación con
lipopolisacárido, un factor de virulencia bacteriano, aportando a la vez nuevas
propiedades anti-inflamatorias y anti-bacterianas. Además, se produjeron implantes
porosos de Ti-6Al-4V mediante impresión 3D y se adaptó el recubrimiento de QR a éstos.
Los implantes porosos recubiertos con QR mantuvieron sus propiedades mecánicas y
mejoraron su potencial osteogénico, anti-inflamatorio y anti-bacteriano en comparación
con los implantes porosos no recubiertos.
En conjunto, los resultados derivados de esta tesis demuestran la potencial aplicación de
las superficies NN en los campos dental y cardiovascular, así como la adaptabilidad del
recubrimiento con QR a distintas superficies con relevancia clínica en ortopedia,
mejorando su respuesta biológica gracias a la aportación de propiedades
multifuncionales.
[cat] Durant més de 100 anys s’han utilitzat metalls i els seus aliatges per a la producció
d’implants en distintes especialitats mèdiques. No obstant, els implants mèdics segueixen
presentant alguns problemes associats com són una mala integració dels teixits o
l’aparició d’infeccions associades. Tot això, junt amb l’envelliment de la població,
augmenta la necessitat de desenvolupar implants de major durada. Les propietats dels
implants es poden modificar variant la topografia o la composició de la seva superfície,
millorant així la resposta tissular i aportant noves característiques com són les propietats
antibacterianes o antiinflamatòries. En aquesta tesis doctoral s’han seguit dues estratègies
diferents per a la modificació de les propietats de superfícies de Ti, una modificació de la
topografia consistent en la nanoestructuració de superfícies de Ti, i una modificació
química de la composició consistent en la unió covalent del flavonoide quercitrina (QR)
o àcid fític (IP6) a la superfície de diferents implants. S’ha avaluat l’aplicació d’aquestes
modificacions en distints camps: dental, cardiovascular i ortopèdic.
En primer lloc, es va realitzar una nanoestructuració de superfícies de Ti mitjançant
anodització electroquímica per a estudiar la seva possible aplicació com a superfície
d’implants dentals. Mitjançant la modificació de distints paràmetres de la reacció es van
produir nanoestructures amb dues morfologies diferents, nanopors (NP) amb distinta
mida de por i nanonets (NN). Els NP que presentaven els pors de major diàmetre induïren
una major proliferació i diferenciació de fibroblasts gingivals humans (hGFs). Per altra
part, les superfícies NN varen millorar la proliferació i diferenciació de hGFs i cèl·lules
mare mesenquimals (hBM-MSCs). Al mateix temps, aquestes superfícies induïren una
major freqüència d’alineació del citoesquelet dels dos tipus cel·lulars estudiats.
Finalment, la interacció de les superfícies NN amb el teixit va ser estudiada utilitzant una
mucosa gingival tridimensional (GTE). En comparació amb la interfase GTE-Ti, la
interfase GTE-NN va presentar una major proporció de fibres de col·lagen orientades de
manera perpendicular a la superfície de l’implant. Aquesta situació és similar al que
succeeix de manera natural, on les fibres de col·lagen es troben ancorades
perpendicularment a les dents, aïllant-les així de les condicions de l’ambient oral, el que
redueix el risc de desenvolupar periimplantitis.
Degut als bons resultats obtinguts amb les superfícies NN amb els diferents tipus
cel·lulars estudiats, i a les propietats multifuncionals que presenta el recobriment amb
QR, aquestes dues estratègies es varen combinar per a ser estudiades com a recobriments per a stents cardiovasculars. Encara que no es va trobar un efecte sinèrgic entre les dues
modificacions estudiades, les superfícies NN presentaren una bona biocompatibilitat amb
cèl·lules endotelials humanes, així com una bona hemocompatibilitat, induint un descens
dràstic en l’adhesió de plaquetes en comparació amb els altres grups. Alternativament,
les superfícies de Ti recobertes amb QR milloraren la proliferació de les cèl·lules
endotelials i reduïren l’adhesió de Staphylococcus epidermidis.
Finalment, els protocols de recobriment amb QR i IP6 es varen adaptar a superfícies
rugoses i es va comparar la seva eficàcia amb la del recobriment més rellevant en l’àmbit
ortopèdic, la hidroxiapatita (HA). Els recobriments amb QR i IP6 varen mostrar millors
propietats osseoinductores en comparació amb la HA en pre-osteoblasts de ratolí
(MC3T3-E1) en condicions basals i després de la incubació amb lipopolisacàrid, un factor
de virulència bacterià, aportant al mateix temps noves propietats anti-inflamatòries i antibacterianes.
A més, es varen produir implants porosos de Ti-6Al-4V mitjançant impressió
3D i es funcionalitzaren amb QR. Els implants porosos recoberts amb QR no varen veure
afectades les seves propietats mecàniques i varen millorar el seu potencial osteogènic,
anti-inflamatori i anti-bacterià en comparació amb els implants porosos no recoberts.
En conjunt, els resultats derivats d’aquesta tesi demostren la potencial aplicació de les
superfícies NN en els camps dental i cardiovascular, així com la adaptabilitat del
recobriment amb QR a diverses superfícies amb rellevància clínica en ortopèdia,
millorant la seva resposta biològica gràcies a l’aportació de propietats multifuncionals.