The material role on the performance of bone and articular implants

The need for bone implant concerns different clinical issues, such as bone defects derived from trauma or bone pathologies, treatment of congenital imperfections, tumor resections, joints arthroplasties, joint revisions surgery and fracture fixations. Due to this variety of implant functions required, implant materials come from different classes. Nowadays, articular joints are mainly made of biocompatible metal alloys and polymeric inserts, while bone defects filling material belong to the class of bioceramics that includes ceramic materials, glass ceramics and bioglasses. Since the ageing population and the requirement of better living standards raise the healthcare national systems expenses, it become important to evaluate different low cost strategies to manufacture implant devices and ways to increase their service life. In the main introduction of this thesis work the step of the osseointegration process are reviewed. Osseointegration appeared to be dependent on several material properties and devices design features. In the case of metal alloys the ion release has shown to cause delayed implant loosening, moreover new bone tissue formation could be impaired by the presence of particulate developed from material wear. The First Part, therefore, is devoted to the characterization of electrochemical and in vitro behavior of bioinert metallic implant materials. The problems of short term and, above all, long term osseointegration of these materials are discussed in the paragraph II.1 and II.2. Aseptic loosening complications are mostly responsible for long term implant failure and they are attributed to ions and debris release. The electrochemical behavior of three different metallic materials have been elucidated applying simulating body conditions. In the first case the CoCrMo implant alloy used for the production of tibial trays for total knee prosthesis was compared to the same alloy processed through Metal Injection Molding. This manufacturing process allows to save raw materials and to reduce the production cycle steps and consequently to reduce costs. The electrochemical behavior and in vitro cyto-compatibility of the traditional and the MIM material was not significantly different while a slight worsening of the tribological behavior and a small decrease in the fatigue limit of the final device has been observed. Secondly, the CoCrMo implant alloy coated with a PVD monolayer and multilayer with top layer made of TiNbN has been characterized. This layer proved to be a good barrier for ion release and to have no cytotoxic behavior. The effectiveness of the coating was strongly related to its thickness homogeneity and absence of defects. Moreover, no galvanic coupling was observed between the CoCrMo substrate and the TiNbN coating. This aspect is very important in the case of unwanted coating wear during service and substrate exposition because the substrate corrosion rate would not increase due to the presence of the conductive coating. Thirdly, the increase of ion release in a foam of titanium grade 2 has been evaluated. The material, produced at Canada NRC-CNRC, demonstrated to have a surface oxide with a higher passivating character than the polished bulk material. This allowed to measure a limited increase in ion release compared to the increase of surface area facing body fluids. From the cyto-compatibility test of the foam a prolonged proliferation phase for osteoblast cells in vitro has been also highlighted. In the Second Part the focus is shifted to bioactive and bioresorbable “bioceramics” with particular attention to 45S5 Bioglass®, the most promising synthetic material able to directly bond with both bone and soft tissues. The reasons that, until nowadays, impaired its use in the production of scaffolds for bone defects filling and regeneration are extensively discussed in paragraph III.1. The main issues declared in literature refer to the low processability of this material, which devitrify during thermal treatment and the instability of the interface between crystalline phase and amorphous phase during its resorption. It has been observed that, optimizing the process parameters for the production of porous structures, well-sintered scaffolds can be produced with different techniques. Among them a powder metallurgy inspired technique, developed at Canada NRC-CNRC, could produce scaffolds with porosity values (60-70 %) and pore size distribution (average pore size 200-300 µm with macropores of 500-600 µm) theoretically able to guide the formation of new vascularized tissue without decreasing too much the mechanical properties (as sintered compressive strength lower value 5 MPa). The resorption ability and resorption mechanism of the 45S5 Bioglass®-based glass-ceramic scaffold produced with the powder metallurgy technology, has been evaluated in III.3, correlating the observations with a deep investigation of the material microstructure and microstructural changes, using different characterization techniques. The experimental evidences suggest that the glass ceramic material constituting the porous scaffold is completely resorbable in water environment and no instability of the interface between crystalline and residual amorphous phase has been observed. Finally, the in vivo performance of this porous material has been assessed with a subcutaneous mice model. The material showed great affinity with host tissue and no inflammatory infiltrate was present in the implant vicinity. New vascularized tissue colonized the scaffold already after 3 weeks and mechanical consistency was maintained also after 6 weeks of implantation. The glass-ceramic material highlighted progressive amorphization and the development of a bioactive CaP surface layer. Initial struts hollow-out appeared at 6 weeks.

La necessità di impianti con il tessuto osseo riguarda diversi problemi clinici quali difettosità ossee dovute a trauma o stati patologici, trattamento di deformità, resezioni di tessuti tumorali, artroprotesi e relative revisioni e fissazione di fratture. A causa di tutte queste diverse applicazioni previste, i materiali da impianto provengono da diverse classi. Al giorno d’oggi le artroprotesi sfruttano principalmente leghe metalliche biocompatibili e inserti polimerici mentre, per il riempimento di difetti ossei sono impiegati materiali appartenenti al mondo dei bioceramici (ceramici, vetro ceramici e biovetri). A causa dell’invecchiamento progressivo della popolazione e della richiesta di standard di vita sempre migliori, la spesa pubblica dei sistemi sanitari nazionali è in fase crescente e diventa sempre più importante sviluppare strategie produttive a basso costo per i dispositivi impiantabili o aumentarne la vita utile. Nella introduzione principale di questo lavoro di tesi vengono, pertanto, riassunti gli step principali del processo osteointegrativo. Quest’ultimo dipende da proprietà del materiale differenti oltre che dal design del dispositivo. Nel caso delle leghe metalliche, ad esempio, il rilascio di ioni può portare a una lassità ritardata dell’impianto. Inoltre la formazione di nuovo tessuto può essere impedita dalla presenza di detriti di usura. La Prima Parte di questo lavoro, quindi, si occupa della caratterizzazione elettrochimica e del comportamento in vitro dei materiali da impianto “bioinerti”. I problemi dell’osteointegrazione a breve e, soprattutto, a lungo termine, di questi materiali sono discussi nei paragrafi II.1 e II.2. Le complicazioni dovute a mobilizzazione asettica sono le principali responsabili del fallimento degli impianti a lungo termine e sono principalmente attribuite al rilascio di ioni e particolato. Il comportamento elettrochimico di tre materiali metallic è stato studiato in condizioni simulanti l’aggressività dell’ambiente fisiologico. Nel primo caso la legha da impianto CoCrMo usata per la produzione dei piatti tibiali dell’endoprotesi di ginocchio è stata confrontata con la stessa legha, processata con tecnologia Metal Injection Molding. Questo processo permette di risparmiare materia prima e saltare alcune fasi del ciclo produttivo, riducendo, in generale i costi manifatturieri. Il comportamento elettrochimico e la citocompatibilità in vitro dei due materiali non ha mostrato sostanziali differenze. Diversamente, è stato misurato un leggero peggioramento del comportamento tribologico per quanto rigarda la lega MIM e un minor carico limite di fatica a 106 cicli nel caso del dispositivo finale ottenuto con la nuova tecnologia, seppure ampiamente accettabile dal punto di vista normativo. In secondo luogo la stessa lega è stata rivestita TiNbN con un processo di Physical Vapour Deposition (mono e multilayer). Questo rivestimento ha dimostrato di essere una buona barrier contro il rilascio di ioni e di non avere un comportamento citotossico. L’efficacia di questo coating è strettamente correlabile all’omogeneità del suo spessore e all’assenza di difettosità. Inoltre, non è stato misurato un effetto negativo di accoppiamento galvanico tra il materiale di substrato e il coating superficiale conduttivo. Questo aspetto è molto importante nell’ottica di formazione di difetti e delaminazioni durante la vita di servizio del dispositivo perché non si ha un aumento del tasso di rilascio ionico per effetto della diversa estensione delle superfici anodiche e catodiche. In terzo luogo è stato valutato l’aumento del rilascio di ioni da parte di una schiuma di titanio grado 2, prodotta presso i laboratori di ricerca del CNR canadese. Il material ha dimostrato di possedere un ossido superficiale altamente passivante, che ha conferito alla schiuma di titanio una resistenza a corrosion intrinseca maggiore del corrispettivo bulk. Questo ha, altresì permesso, di misurare un limitato aumento del rilascio ionico rispetto all’aumento di superficie esposta ai fluidi biologici. Dai testi di citocompatibilità, inoltre, è emerso che la schiuma di titanio permette un’allungamento del period proliferativo delle cellule osteoblastiche in vitro. La Seconda Parte della tesi è focalizzata sui materiali “bioattivi” e sui bioceramici riassorbibili, con particolare attenzione al biovetro 45S5, il più promettente material sintetico per il bone grafting, avendo dimostrato la capacità di legarsi intimamente sia a tessuti molli che all’osso. Le ragioni che ancora oggi ne impediscono l’uso nella produzione di scaffold per il riempimento dei difetti ossei e la rigenerazione del tessuto sono discusse in dettaglio nel paragrafo III.1. I principali problemi riscontrati in letteratura sono riferiti alla sua scarsa processabilità, alla cristallizzazione in fase di sinterizzazione, e all’instabilità dell’interfaccia vetro-cristallo durante il suo riassorbimento. Si è osservato che, ottimizzando i parametri di processo per la produzione di un materiale poroso, è possibile ottenere scaffold con un buon grado di sinterizzazione attraverso diverse tecniche produttive. Tra queste, la tecnologia derivata dalla metallurgia di polveri e sviluppata presso i laboratori del CNR canadese, permette la produzione di scaffold con una porosità compresa tra il 60 e il 70 % e una distribuzione della dimensione dei pori in grado, a livello teorico, di garantire la formazione di nuovo osso vascolarizzato al suo interno (taglia media 200-300 µm con macropori di 500-600 µm). Questi valori, inoltre consentono di non abbassare eccessivamente le proprietà meccaniche (minima resistenza a compressione “as-sintered” 5 MPa). La riassorbibilità e il meccanismo di riassorbimento di questi scaffold vetro ceramico prodotti a partire dal biovetro 45S5 è valutata nel paragrafo III.3. Queste osservazioni vengono correlate a un’analisi microstrutturale approfondita e alla relativa variazione della microstruttura, ottenute applicando differenti tecniche di caratterizzazione dei materiali. Le evidenze sperimentali suggeriscono che il materiale vetro ceramico costituente lo scaffold è totalmente riassorbibile in ambiente acquoso. Inoltre non è stato osservato alcun fenomeno di instabilità dell’interfaccia tra fase amorfa e fase cristallina. Infine è stata valutata la performance in vivo per questo tipo di scaffold, impiantandolo in una tasca sottocutanea in topi. Il materiale ha dimostrato un’ottima affinità con il tessuto ospitante e non si è registrata la presenza di infiltrato infiammatorio nelle vicinanze dell’impianto. Il tessuto rigenerato ha colonizzato lo scaffold già dopo 3 settimane di impianto ed è stata mantenuta integrità meccanica anche a 6 settimane. Il materiale vetro ceramico ha subito un progressivo processo di amorfizzazione e ha sviluppato uno strato di calico fosfati bioattivi sulla superficie. E’ stato inoltre osservato un principio di hollow-out in alcune strut dello scaffold a 6 settimane.