Trattamento sol-gel in biossido di titanio caricato con ioni metallici per la realizzazione di coating con proprietà osteointegrative e antibatteriche per protesi ortopediche

In recent years there has been an increase of interventions regarding the implantation of orthopedic prostheses. The main purpose of such operations is the replacement of damaged tissues, which cause pain and movement limitation, and the ultimate goal is to improve the quality of life of patients. Metals are among the best biomaterials for the construction of prosthetic devices because they have mechanical characteristics suitable for joint support and restoration of mobility. In particular, titanium alloys, thanks to their corrosion resistance, biocombatibility and elastic modulus compatible with bone tissues, represent the most used materials for the realization of the aforementioned joint prosthesis. In order to avoid the failure of implants, it is necessary to increase its resistance to bacterial colonization and its osseointegrative properties. One way to accomplish such purpose is the surface modification of implant. Among these strategies, the application of a coating layer, designed to incorporate metal ions able to exert antibacterial activity, and thereby to favor osseointegration, is widespread exploited cite{bonnelye2008dual} cite{choudhary2007strontium}. In our study in order to reach this goal, we have developed a surface treatment in which we exploited bismuth and strontium ions ($Bi^{3+}$ $Sr^{2+}$), which have been integrated into a coating of titanium dioxide $TiO_2$. Firstly we have prepared a sol of $TiO_2$ through sol-gel approach, secondly we have added the metal precursors (bismuth (III) nitrate pentahydrate, strontium acetate) to obtain the doped sol, and finally we have coated pure titanium samples by using the dip coated technique. Chemical, physical and morphological characterizations (FT-IR, ICP-OES, SEM-EDS, XRD and contact angle) were then carried out on the samples to verify and quantify the presence of the basic elements and the dopants on the treated samples. Finally, the antibacterial properties of bismuth were analysed through microbiological tests on cultures of planktonic cells ( extit{E. coli} and extit{S. aureus}). The results obtained showed the formation of a thin coating that adheres homogeneously to the sample substrate, providing hydrophobic properties. The SEM-EDS analysis showed the formation of perovskites with partial charges of strontium and bismuth cations (in the order of micrometers) cite{a78}. This has further been confirmed not only by the XRD analysis, but also by the ICP-OES analysis, which revealed the presence of the doping ions inside the coating. The preliminary microbiological tests highlighted a weak antibacterial activity towards extit{Escherichia coli}. Even if we do not obtain a significant antibacterial effect of our coatings, these preliminary results pave the way for the development of a more comprehensive study on the properties of metal ions as antibacterial and osseointegrative coating in the context of orthopedic implants. Further emphasis could be placed on this work thanks to the evaluation of the osseointegrative properties of strontium through cytotoxicity and cytocompatibity tests on cellular cultures, like osteoblasts, which represents an important future development for the achievement of the above mentioned purpose.

Negli ultimi anni è stato registrato un aumento della necessità di interventi per l’impianto di protesi ortopediche. Lo scopo principale di tali operazioni è la sostituzione dei tessuti danneggiati, che provocano dolore e limitazione nei movimenti, al fine di migliorare la qualità di vita dei pazienti. Alcuni metalli risultano essere tra i migliori biomateriali per la realizzazione dei dispositivi protesici perché presentano caratteristiche meccaniche adeguate al sostegno articolare e al ripristino della mobilità. In particolare, le leghe di titanio, grazie alle loro caratteristiche di resistenza alla corrosione, biocombatibilià e modulo elastico compatibile con i tessuti ossei, sono tra i materiali maggiormente utilizzati per la realizzazione delle suddette protesi articolari. Affinchè tale biomateriale garantisca al meglio la sua funzione, dopo essere stato impiantato in loco, è necessario incrementare la sua resistenza alla colonizzazione batterica e aumentare le sue proprietà osteointegrative. Il modo migliore per far si che ciò avvenga è l’apporto di modifiche a livello superficiale. Tra queste, è largamente diffusa l’applicazione di un rivestimento (coating) atto ad inglobare ioni metallici capaci di modificare le caratteristiche superficiali del dispositivo e consentire un effetto antibatterico e favorire l’osteointegrazione cite{bonnelye2008dual}cite{choudhary2007strontium}. Il presente lavoro di tesi utilizza, per tali scopi, il bismuto e lo stronzio, che sono stati integrati ad un coating di biossido di titanio $TiO_2$ utilizzato per il rivestimento di campioni di titanio puro tramite la tecnica del dip-coating. Sono quindi state eseguite caratterizzazioni chimiche, fisiche e morfologiche sulle superfici dei campioni per verificare e quantificare la presenza degli elementi di base e dei dopanti sui campioni trattati (FT-IR, ICP-OES, SEM-EDS, XRD e angolo di contatto). Infine sono stati condotti studi preliminari per capire le proprietà antibatteriche del bismuto attraverso prove microbiologiche su culture di cellule planctoniche ( extit{E. coli} e extit{S. aureus}). I risultati ottenuti mostrano la formazione di un rivestimento sottile che aderisce in maniera omogenea al substrato del campione, fornendo proprietà idrofobiche. L’analisi SEM-EDS mostra la formazione di perovskiti con cariche parziali di cationi di stronzio e bismuto (nell’ordine dei micrometri), all'interno del rivestimento cite{a78}. Inoltre l’analisi XRD e le analisi ICP-OES, rivelano la presenza degli ioni dopanti all’interno del coating. L’analisi microbiologica mostra invece una debole attività antibatterica da parte del coating dopato, maggiore nel caso dell’ extit{Escherichia coli} rispetto allo extit{Staphylococcus aureus}. In conclusione, i risultati ottenuti hanno messo in evidenza una capacità antibatterica non significativa per entrambi i ceppi batterici investigati. La causa potrebbe essere ricondotta ad un non ottimale rilascio dei cationi. Tuttavia, questa fase preliminare ha gettato le basi per proseguire lo studio delle propriet'a antibatteriche degli ioni metallici incorporati all'interno di un coating. Ulteriore enfasi sul presente lavoro potrebbe essere posta sulla valutazione delle proprietà osteointegrative dello stronzio attraverso test di citocompatibilità e citotossicità su colture cellululari quali osteoblasti, che rappresenta un’importante sviluppo futuro per il raggiungimento degli obiettivi sopracitati.