Ionic solution deposition for multifunctional Zinc-Brushite coatings

The use of Titanium and Ti alloys for orthopedic implants has been consolidated in the biomedical industry due to the exceptional chemical and biocompatibility properties they possess. Nevertheless, there exists a list of complications, such as peri-implantar infections and biofilm formation. Those have been reduced through the multifunctional coating’s creation, where calcium phosphates play a fundamental role. It has been demonstrated that through the application of these coatings, a balanced relationship in terms of bioactivity and antibacterial features can be achieved. With the creation of diverse approaches to modify Ti surfaces, biomedical researchers are always closer to the conception of the ideal orthopedic implant, capable to respond synergistically to the body’s microenvironment. One example of a well-recognized calcium phosphate is Hydroxyapatite (HA), which is widely used as a metallic implant coating. However, its high degree of stability when in contact with physiological solution translates into a scarce solubility of ions able to interact with the neighboring tissue. Therefore, the application of less stable CaPs such as Dicalcium Phosphate Dihydrate (DCPD), also known as brushite, could potentially enhance higher osteoinductive and osteoconductive properties since Ca2+ and PO43- ions are more susceptible to interacting with the bone-implant microenvironment. This thesis work presents the development of a multifunctional layer on Ti6Al4V alloy’s surface. To that extent, an electrodeposited brushite layer has been modified in an innocuous manner by incorporating Zn2+ ions with the purpose of ensuring enhanced osteointegrative and antibacterial properties, avoiding thus bacterial colonization. Zinc gluconate hydrate (ZnG) was selected to be the source of foreign Zn2+. A straightforward technique known as ionic solution deposition (ISD) was employed and adapted to the particular aim. An effective concentration of metallic zinc ions was incorporated into the DCPD layer such that it provides not only bactericidal and osteoconductive characteristics but also shows cytocompatibility features. Moreover, different sterilization techniques were carried out to study their effect on brushite’s chemical constitution and morphology structure. The target amount of zinc deposited was in a range between 50 to 150 μg/cm2 which demonstrated an antibacterial effect against S. aureus, while no cytotoxic phenomena against fibroblasts NIH-3T3 (mouse fibroblasts) nor for SaOS-2 HTB-85 (osteosarcoma) cell lines were detected. The treated samples were characterized by X-ray diffraction analysis (XRD), inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES) and scanning electron microscopy (SEM) at different stages of the experimental process.

L'uso del Titanio e delle leghe di Ti per gli impianti ortopedici si è consolidato nell'industria biomedica per le eccezionali proprietà chimiche e di biocompatibilità che possiedono. Tuttavia, esiste un elenco di complicazioni, come le infezioni perimplantari e la formazione di biofilm. Queste problematiche sono state ridotte attraverso la creazione del rivestimento multifunzionale, dove i fosfati di calcio svolgono un ruolo fondamentale. È stato dimostrato che attraverso l'applicazione di questi rivestimenti è possibile ottenere un rapporto equilibrato in termini di bioattività e caratteristiche antibatteriche. Con la creazione di diversi approcci per modificare le superfici in Ti, i ricercatori sono sempre più vicini alla progettazione dell'impianto ortopedico ideale, il cui dovrebbe essere in grado di rispondere sinergicamente al microambiente corporeo. Un esempio di fosfato di calcio ben riconosciuto è l'idrossiapatite (HA), che è ampiamente utilizzata come rivestimento metallico negli impianti. Tuttavia, il suo elevato grado di stabilità a contatto con la soluzione fisiologica si traduce in una scarsa solubilità di ioni in grado di interagire con i tessuti vicini. Pertanto, l'applicazione di CaP meno stabili come il fosfato bicalcico diidrato (DCPD), noto anche come brushite, potrebbe potenzialmente migliorare le proprietà osteoinduttive e osteoconduttive poiché gli ioni Ca2+ e PO43- sono più suscettibili a interagire con il microambiente dell'impianto osseo. Questo lavoro di tesi presenta lo sviluppo di uno strato multifunzionale sulla superficie della lega Ti6Al4V. A tal fine, uno strato di brushite elettrodepositato è stato modificato in modo innocuo incorporando ioni Zn2+ allo scopo di garantire migliori proprietà osteointegrative e antibatteriche, evitando così la colonizzazione batterica. Lo zinco gluconato idrato (ZnG) è stato selezionato come fonte di Zn2+. Una tecnica semplice nota come ionic solution deposition (ISD) è stata impiegata e aggiustata allo scopo particolare. Un'efficace concentrazione di ioni di zinco metallico è stata incorporata nello strato DCPD in modo tale da fornire non solo caratteristiche antibatteriche e osteoconduttive, ma anche di citocompatibilità. Inoltre, sono state eseguite diverse tecniche di sterilizzazione per studiarne l'effetto sulla costituzione chimica e sulla struttura morfologica della brushite. La quantità target di zinco depositata compresa tra 50 e 150 μg/cm2 ha dimostrato un effetto antibatterico contro S. aureus, mentre nessun fenomeno citotossico contro linee cellulari di fibroblasti NIH-3T3 (fibroblasti di topo) né di SaOS-2 HTB-85 (osteosarcoma) sono è stato rilevato. I campioni trattati sono stati caratterizzati mediante analisi di diffrazione di raggi X (XRD), spettroscopia di emissione ottica al plasma accoppiata induttivamente (ICP-OES) e microscopia elettronica a scansione (SEM) in diverse fasi del processo sperimentale.