Process tuning of multifunctional plasma Electrolytic Oxidation Coatings on light alloys for implantable devices

Among light metals, titanium and its alloys represent nowadays one of the main substrates for the production of biocompatible and biostable implantable orthopaedic devices, especially in the case of components subjected to high mechanical loads, such as joint prostheses and bone fixation systems. For permanent devices, accelerating the integration between implants and bone tissue is crucial both to improve the devices' effectiveness and to extend their functional lifespan, and the promotion of bone cell adhesion and differentiation at the bone-device interface is a key aspect to achieve such goals. At the same time, though, one of the main complications associated with implantable biomaterials is the occurrence of bacterial infections and subsequent biofilm formation, which in most cases lead to implant failure and have severe implications for both the patient and the healthcare system. On the other hand, with respect to bone fixation systems, research has recently been moving towards bioresorbable materials to develop more effective temporary implants. In this context, magnesium and its alloys are gaining increasing clinical relevance due to their mechanical properties closely matching those of natural bone. Nevertheless, one of the main drawbacks associated with the use of magnesium remains its poor corrosion resistance, which severely hampers its ability to withstand sustained loads, as well as potentially compromising the chemical balance in the surrounding biological environments due to the release of degradation products. Together, these aspects contribute to the complexity of transposing magnesium-based implants to widespread clinical applications. All the cited issues can be addressed by taking advantage of surface modification treatments, to either improve the physical-chemical properties of the substrate (e.g., its corrosion behaviour) or provide the treated surfaces with additional features, such as antibacterial or pro-osteointegrative effects. Among these potential solutions, Plasma Electrolytic Oxidation represents a relatively simple electrochemical process appliable to both titanium and magnesium, which can be exploited to form thick oxide coatings on the surface of these materials to both protect them from the surrounding environment and provide multiple functionalities through the incorporation of inorganic dopants. However, several aspects related to this coating technique are still difficult to control, and their impact has not been completely elucidated so far. In this work, an extensive exploration of the process parameters involved in the growth of plasma electrolytic oxidation coatings is performed, focusing on both pulsed unipolar and alternate current conditions and highlighting their effects among the explored substrates towards the desired coating features. The resulting findings are then combined with the introduction of inorganic dopants to provide the surfaces with improved corrosion resistance or pro-osteogenic and antibacterial properties, elucidating the various possibilities of the PEO technique in the field of implantable orthopaedic devices.

Tra i metalli leggeri, il titanio e le sue leghe rappresentano ad oggi uno dei principali substrati per la produzione di dispositivi ortopedici impiantabili biocompatibili e biostabili, soprattutto nel caso di componenti sottoposte a carichi elevati , come le protesi articolari ed i sistemi di fissazione ossea. Nel caso dei dispositivi permanenti, accelerare l'integrazione tra impianti e tessuto osseo circostante è fondamentale sia per migliorare l'efficacia dei dispositivi stessi, sia per prolungarne la durata funzionale, e la promozione dell'adesione e del differenziamento delle cellule ossee all'interfaccia osso-impianto è cruciale per raggiungere tale obiettivo. Al contempo, però, una delle principali complicazioni associate ai biomateriali impiantabili è l'insorgenza di infezioni batteriche ed il conseguente sviluppo di biofilm, che nella maggior parte dei casi portano al fallimento dell'impianto ed hanno pesanti ricadute sia sul paziente che sul sistema medico-sanitario. Per quanto riguarda invece i sistemi di fissazione ossea, la ricerca si sta recentemente orientando verso materiali bioriassorbibili, al fine di sviluppare impianti temporanei più efficaci. In questo contesto, il magnesio e le sue leghe stanno acquisendo una crescente rilevanza clinica grazie alle loro proprietà meccaniche molto simili a quelle dell'osso naturale. Tuttavia, uno dei principali svantaggi associati all'uso del magnesio rimane la sua scarsa resistenza alla corrosione, che ne ostacola gravemente la capacità di sostenere carichi elevati per lunghi periodi di impianto, oltre a compromettere potenzialmente l'equilibrio chimico dell'ambiente biologico circostante a causa dell'intenso rilascio di prodotti di degradazione. L'insieme di questi aspetti contribuisce ad accrescere la complessità della trasposizione di impianti a base di magnesio in applicazioni cliniche su larga scala. Tutti gli aspetti citati possono però essere potenzialmente affrontati sfruttando i trattamenti di modifica superficiale, per migliorare le proprietà fisico-chimiche del substrato (tra cui la sua resistenza alla corrosione) o per dotare le superfici trattate di ulteriori funzionalità, come ad esempio capacità antibatteriche o pro-osteointegrative. Tra queste potenziali soluzioni, i processi di ossidazione elettrolitica al plasma rappresentano un'opzione relativamente semplice, applicabile sia al titanio che al magnesio, che può essere sfruttata per formare spessi film di ossido sulla superficie di questi materiali, sia per proteggerli dall'ambiente circostante che per conferire loro molteplici funzionalità grazie all'incorporazione di agenti dopanti inorganici. Tuttavia, diversi aspetti di processo legati a questa tecnica di rivestimento sono tuttora difficili da controllare, ed il loro impatto sui film risultanti non è stato ancora del tutto chiarito. Nel presente lavoro è stata condotta un'esplorazione approfondita dei parametri di processo coinvolti nella crescita dei rivestimenti di ossidazione elettrolitica al plasma, incentrata su regimi di corrente pulsata unipolare ed alternata, evidenziando i loro effetti sui diversi substrati esplorati al fine di ottenere le caratteristiche desiderate nei rivestimenti. I risultati ottenuti sono poi stati combinati con l'introduzione di vari agenti dopanti inorganici, in modo da conferire alle superfici una maggiore resistenza alla corrosione o proprietà pro-osteogeniche e antibatteriche, chiarendo le diverse potenzialità della tecnica PEO nell'ambito dei dispositivi ortopedici impiantabili.