Trattamenti ASD antibatterici e osteointegrativi per impianti ortopedici

In the last ten years there has been an increase in the need for interventions for the implantation of orthopedic prostheses. The main purpose of these interventions is the replacement of damaged tissues, which cause pain and limits movements, in order to allow the patient a decrease in pain and an improvement in quality of life. For the realization of these devices, different types of biomaterials have been studied, among them, the metals are the most appropriate one because they have the most suitable mechanical characteristics for the purpose. In particular, titanium and its alloys are considered the materials that best meet the requirements of biocompatibility, corrosion resistance and elastic modulus, that are closer to the bone one. In order for the implant to be successful, in addition to the characteristics of the biomaterial listed above, it is essential that the osseointegration of the device occurs and that the latter is not colonized by bacteria. In fact, lack of osseointegration and infections are the major cause of implant failure. To improve osseointegration and antibacterial properties of an implant, it has been developed various surface modification strategies, useful for varying the chemical-physical properties of the surface. One of these treatments is the Anodic Spark Deposition (ASD), an electrochemical treatment that allows the incorporation into the titanium oxide of ions present in an electrolytic solution. The coatings formed with this process allow to obtain homogeneous surfaces, with controlled porosity and nanorugous morphology. The morphological characteristics of this oxide can be modulated acting on the electrical paraments of the process, such as final voltage and current density, and modifying the concentration and the type of elements contained in the electrolytic solution. One of the most recently studied elements to promote osseointegration is strontium, which acts by activating a calcium-sensitive receptor, CaSR, promoting the replication and differentiation of osteoblasts. Strontium, besides improving the metabolism of osteoblasts, it inhibits osteoclastic activity, thus it promotes the neoapposition of bone matrix. As for the antibacterial aspect, in the last few years gallium has been studied with particular attention. It can be co-deposited together with strontium using the ASD technique. The gallium, because of its chemical and structural similarity with iron, replaces the latter in some vital metabolic processes of the bacteria, interrupting them. The aim of this thesis work is to realize some surface electrochemical treatments on the titanium alloy Ti6Al7Nb, able to give it osteointegrative and antibacterial properties.

Negli ultimi dieci anni si è registrato un aumento della necessità di interventi per l’impianto di protesi ortopediche. Il principale scopo di tali interventi è la sostituzione dei tessuti danneggiati, che provocano dolore e limitazione nei movimenti, per consentire al paziente una diminuzione del dolore e un miglioramento della qualità di vita. Per la realizzazione di questi dispositivi sono stati studiati diversi tipi di biomateriali, tra questi, i metalli risultano i più adatti in quanto presentano caratteristiche meccaniche più adeguate allo scopo. In particolare, il titanio e le sue leghe sono considerati i materiali che meglio rispondono alle richieste di biocompatibilità, resistenza a corrosione e modulo elastico che più si avvicini a quello dell’osso. Affinché ci sia la riuscita dell’impianto, oltre alle caratteristiche del biomateriale sopraelencate, è fondamentale che avvenga l’osteointegrazione del dispositivo e che quest’ultimo non sia colonizzato da batteri. Infatti, la mancata osteointegrazione e le infezioni rappresentano la maggior causa di fallimento degli impianti. Per migliorare le proprietà di osteointegrazione e antibatteriche di un impianto sono state messe a punto diverse strategie di modifiche superficiali utili a variare le proprietà chimicofisiche della superficie. Uno di questi trattamenti è l’Anodic Spark Deposition (ASD), un trattamento elettrochimico che consente di inglobare gli ioni presenti in una soluzione elettrolitica all’interno dell’ossido di titanio. I coating formati con questo processo consentono di ottenere superfici omogenee, con porosità controllata e morfologia nanorugosa. Le caratteristiche morfologiche di tale ossido possono essere modulate andando ad agire sui paramenti elettrici del processo, come tensione finale e densità di corrente, e modificando la concentrazione e la tipologia degli elementi contenuti nella soluzione elettrolitica. Uno degli elementi più recentemente studiati per favorire l’osteointegrazione è lo stronzio, che agisce attivando un recettore sensibile al calcio, il CaSR, promuovendo la replicazione e la differenziazione degli osteoblasti. Lo stronzio, oltre a migliorare il metabolismo degli osteoblasti, inibisce l’attività osteoclastica, favorendo quindi la neoapposizione di matrice ossea. Per quanto invece riguarda l’aspetto antibatterico, negli ultimi anni è stato studiato con particolare attenzione il gallio. Quest’ultimo può essere co-depositato insieme allo stronzio utilizzando la tecnica ASD. Il gallio, in virtù della sua somiglianza chimica e strutturale con il ferro, va a sostituirsi a quest’ultimo in alcuni processi metabolici vitali dei batteri interrompendoli. Il presente lavoro di tesi si propone quindi di realizzare trattamenti superficiali elettrochimici sulla lega di titanio Ti6Al7Nb, che conferiscano a quest’ultima proprietà osteointegrative e antibatteriche.