Studio di rivestimenti sol-gel antibatterici in TiO2 per protesi ortopediche in lega di Co-Cr

Joint prosthesis infections are still widely diffused in orthopaedic surgery (there is an infection rate close to 1% for hip prostheses replacements, to 2% for knee ones, with percentages rising again in case of revision implants). However, the overcoming of such infections is still challenging, even due to the increasing bacterial resistance to antibiotics. In the coming years, then, there will be another growth of such types of intervention, for the expansion of medical indications: the impact of prosthetic infections on public health in terms of mortality, morbidity and economic costs is intended therefore to be heavy, in the absence of adequate remedies. The most important problem in the management of prosthetic joint infections is the ability of microbial populations to produce biofilms, in which micro-organisms are structured and coordinated in functional communities, to ensure an effective barrier against antimicrobial agents and the body's immune response. So new strategies, based on alternative approaches to conventional ones, are needed. It has become recently aware that the biomaterial-tissue interface represents the key point for an effective battle, because there an accidental contamination may quickly turn into colonization and then into an infection of clinical relevance; acting on surface properties could therefore prove to be the winning solution. Among the many under study, one of the most promising strategies is based on the incorporation in coatings of inorganic antimicrobial agents, such as silver, wells known since ancient times, and gallium, that is recently attracting great scientific interest. The employed technique in this work is the sol-gel one, advantageous in many respects, including quality of obtained product, cost-effectiveness and versatility. It involves the hydrolysis of an alkoxide (titanium tetraisopropoxide in this case), forming a colloidal suspension, and the evolution of this latter to a gel, through a process of condensation. It may therefore be summarized in the following three steps: 1) preparation of sol (with the addition of anti-bacterial ions); 2) deposition, with transformation of sol and gel formation; 3) heat treatment to obtain the desired product. This thesis starts from these considerations to achieve, by means of this technique, a titanium dioxide coating containing antibacterial ions, added in the form of salts, with the goal of minimizing the adhesion and bacterial colonization on the substrate. The research focused first on the optimization of the chemical formulation of the sol to be used, also through comparisons among different solutions, changing the type of reagents, their proportion and the manufacturing process, followed by the study of the effect induced by heating in an oil bath, for different durations and at different temperatures. Afterwards, cylindrical samples of cobalt-chromium alloy (ISO 5832-12), widely used for hip and knee prosthesis components, were covered exploiting a dip-coating process, preferred to convenience to the spray and the spin-coating. Employed samples, provided by an external company, were of two types: the ones with a just blasted surface, the other ones with titanium plasma-spray treated surface (excellent osseointegration), to simulate features extremely popular in the field of orthopaedic components. Then, there was the phase of consolidation in temperature, with the evaporation of the solvent (risk of cracks formation), and all required tests and characterizations (physico-chemical, morphological, mechanical...), to verify the adequacy of the obtained result. Tests included XRD analyses, DLS, GDOES, ICP-OES, SEM observations, measurements of contact angle and surface roughness. By these analyses it was possible to effectively assess the crystallinity of titanium dioxide, to estimate the hydrodynamic diameter of particles in solution before the deposition, even under different heating conditions, to quantify the concentrations of the ions in the antibacterial coating, compared to those ones added in solution, changes in morphology and surface wettability before and after the depositions, and even other aspects. The obtained results seem encouraging: the coating consists of a thin layer of crystalline anatase (thickness is greater in depositions on Ti PS samples), with proper roughness values for the application type and moderate hydrophobicity. The amount of gallium and silver salts introduced in sol (0,01 M) resulted in surface density values above the minimum threshold required and also the stability of antibacterial coating seems to be good. The last step consisted in antibacterial microbiological tests, to compare the behaviour of treated and untreated samples, assessing whether there may also be a synergistic effect given by the simultaneous presence of gallium and silver.

Le infezioni di protesi articolare sono ancora oggi molto diffuse in ambito chirurgico ortopedico (si parla di un tasso di infezione vicino all’ 1% per la protesi d’anca, al 2% per quella di ginocchio, con percentuali che aumentano ancora nel caso di protesi di revisione). Sono tantissimi i passi avanti compiuti nel combattere tali infezioni, tuttavia ciò non è bastato ad eradicare il problema, anche a causa della sempre più diffusa resistenza batterica agli antibiotici. Nei prossimi anni, poi, è prevista un’ulteriore crescita di tali tipologie di intervento, per l’ampliarsi delle indicazioni terapeutiche: l'impatto delle infezioni protesiche sulla salute pubblica in termini di mortalità, morbilità e costi economici è destinato perciò ad essere pesantissimo, in assenza di adeguati rimedi. Il problema più rilevante nella gestione delle infezioni protesiche in genere, ed articolari in particolare, è la capacità delle popolazioni microbiche di produrre il biofilm, nel quale i microrganismi sono strutturati e coordinati in comunità funzionali, idonee a garantire una efficace barriera nei confronti degli agenti antimicrobici e della risposta immunitaria dell’organismo. Urgono quindi nuove strategie, che si basino anche su approcci alternativi a quelli convenzionali. Si è affermata negli ultimi tempi la consapevolezza che l’interfaccia biomateriale-tessuto rappresenti lo snodo cruciale per una battaglia efficace, poiché è lì che una contaminazione accidentale può rapidamente trasformarsi in colonizzazione e quindi in un’infezione di rilevanza clinica; andare ad agire sulle proprietà di superficie potrebbe quindi rivelarsi la soluzione vincente. Tra le molte in fase di studio, una delle strategie disponibili ad oggi più promettenti è quella che prevede l’incorporazione in coating di agenti antimicrobici inorganici, quali l’argento, di cui sono note fin dall’Antichità le proprietà in tal senso, ed il gallio, solo più recentemente diventato oggetto di grande interesse scientifico. La tecnica adottata per questo lavoro è quella sol-gel, vantaggiosa sotto molti punti di vista, tra cui qualità del prodotto ottenuto, versatilità, rapidità ed economicità. Essa implica l'idrolisi dell'alcossido di partenza (titanio tetraisopropossido nel nostro caso), la formazione di una sospensione colloidale e l'evoluzione di quest'ultima verso un gel, attraverso un processo di condensazione. Può essere perciò schematizzata nei seguenti tre step: 1) Preparazione del sol di titanio (con aggiunta degli ioni antibatterici); 2) deposizione, con trasformazione del sol e formazione del gel; 3) trattamento termico per ottenere il prodotto desiderato. Questa Tesi prende le mosse da tali considerazioni per realizzare, mediante tale tecnica, un coating di biossido di titanio nel quale incorporare gli ioni antibatterici di interesse, aggiunti sotto forma di sali, con l’obiettivo di minimizzare l’adesione e la colonizzazione batterica del substrato. La ricerca ha riguardato in primo luogo l’ottimizzazione della formulazione chimica del sol da impiegare, anche a seguito di comparazioni tra diverse soluzioni, differenti per tipologia di reagenti, loro proporzione e procedimento realizzativo, seguita dallo studio dell’effetto su esse indotto da riscaldamenti in bagno d’olio, per diverse durate ed a diverse temperature. Mediante procedimento di dip-coating, preferito per ragioni di praticità allo spray ed allo spin coating, si sono andati quindi a rivestire dei campioncini cilindrici in lega di cobalto-cromo (ISO 5832-12), molto utilizzata per componenti di protesi d’anca e di ginocchio. I campioni utilizzati, forniti da un’azienda esterna, erano di due tipologie: l’uno con superficie semplicemente sabbiata, l’altro con superficie rivestita in titanio rugoso plasma-spray, a simulare tipologie di superfici protesiche estremamente diffuse in ambito ortopedico. Sono seguite la delicata fase di consolidamento in temperatura, con l’evaporazione del solvente (rischio di formazione di cricche), e tutte le prove e caratterizzazioni del caso (chimico-fisiche, morfologiche, meccaniche…), al fine di verificare l’adeguatezza del risultato ottenuto. Tra le prove condotte si annoverano analisi XRD, DLS, GDOES, ICP-OES, osservazioni al SEM, misure di angolo di contatto e di rugosità superficiale. In questo modo si è riusciti a valutare efficacemente la cristallinità del rivestimento in biossido di titanio, a stimare il diametro idrodinamico delle particelle in soluzione prima della deposizione, anche al variare delle condizioni di riscaldamento, a quantificare le concentrazioni degli ioni antibatterici effettivamente presenti nel coating rispetto a quelli aggiunti in soluzione, le variazioni di bagnabilità, morfologia e sviluppo superficiale dei campioni prima e dopo le deposizioni ed altri aspetti ancora. I risultati forniti sembrano incoraggianti: il rivestimento è costituito da un sottile strato cristallino di anatasio (lo spessore è maggiore nelle deposizioni su campioni rivestiti in Ti PS), con valori di rugosità adeguati per il tipo di applicazione e proprietà di moderata idrofobicità. Le quantità di sali di gallio ed argento introdotte nel sol (0,01 M) si sono tradotte in valori di densità superficiale per i rispettivi ioni superiori alla soglia minima antibatterica richiesta ed anche la stabilità del coating sembra essere molto buona. L’ultimo step ha previsto infine la conduzione di prove microbiologiche antibatteriche, per comparare il comportamento di campioni trattati e non trattati, valutando se vi possa anche essere un effetto sinergico dato dalla contemporanea presenza del gallio e dell’argento.