Development of antibacterial sol-gel hydroxyapatite coatings doped with calcium peroxide for orthopedic application

Improving implant performance and longevity is crucial to address issues such as inflammation and implant loosening. Surface coatings that use materials like hydroxyapatite can enhance biocompatibility, fixation, and osseointegration, which are critical for implant stability. In this study, we aimed to develop a titanium coating that incorporates hydroxyapatite and calcium peroxide to enhance antibacterial effects and promote osteointegration. Calcium peroxide, with its oxygen and hydrogen peroxide release properties, shows promise for modifying prosthetic surfaces. We synthesized calcium peroxide nanoparticles, with XRD analysis verifying their size (~ 29 nm). Depositing the hydroxyapatite sol and calcium peroxide solution proved challenging due to the reactivity of calcium peroxide, which transformed into calcium carbonate. However, a 1:2 ratio of calcium peroxide to calcium phosphates facilitated hydroxyapatite formation at lower temperatures (up to 200 °C). Layer-by-layer deposition was performed to deposit calcium peroxide without interacting with hydroxyapatite. SEM analysis confirmed the presence of both compounds on titanium discs. Calcium peroxide released hydrogen peroxide, which was measured indirectly in a PB solution, revealing significant release in the first two hours. Statistical analysis demonstrated a significant difference between controls and calcium peroxide-coated samples, suggesting potential antibacterial benefits. Optimizing the production of hydroxyapatite and the release of calcium peroxide has advantages in material selection and process efficiency. These findings promise to enhance implant functionality and combat early infections, presenting a novel approach to implant coatings. This study offers insights into the development of advanced coatings for orthopedic implants, leveraging the synergistic effects of hydroxyapatite and calcium peroxide. Although the optimized coating faces challenges in deposition and reactivity, it shows promising potential antibacterial properties and prospective to improve implant performance. Further research is necessary to explore additional applications and refine the deposition process for enhanced efficacy in clinical settings.

Migliorare le prestazioni e la longevità degli impianti è di rilevante importanza per contrastare problemi come l'infiammazione e il movimento dell'impianto. Rivestimenti superficiali che utilizzano materiali come l'idrossiapatite offrono vie per migliorare la biocompatibilità, la resistenza all'usura e l'osseointegrazione, fondamentali per la stabilità dell'impianto. Nell’ambito dei rivestimenti per le protesi, il perossido di calcio, con le sue proprietà di rilascio di ossigeno e perossido di idrogeno, offre opportunità promettenti per modificare le superfici protesiche al fine di potenziare gli effetti antibatterici e promuovere l'osseointegrazione. Lo scopo di questo studio è sviluppare un rivestimento di titanio incorporando idrossiapatite e perossido di calcio, sfruttando i loro vantaggi. Inizialmente, sono state sintetizzate nanoparticelle di perossido di calcio, confermando la loro dimensione (circa 29 nm) tramite analisi XRD. I tentativi di depositare il sol di idrossiapatite, la soluzione di perossido di calcio e una miscela delle due hanno evidenziato difficoltà a causa della reattività del perossido di calcio, che si trasforma in carbonato di calcio. Nonostante questi ostacoli, un rapporto di 1 : 2 tra perossido di calcio e fosfati di calcio ha facilitato la formazione di idrossiapatite a temperature più basse (fino a 200 °C). Successivamente, è stato effettuato un deposito strato per strato, per depositare il perossido di calcio senza che interagisse con l'idrossiapatite. L'analisi SEM ha confermato la presenza di entrambi i composti su dischi di titanio. Il rilascio di perossido di idrogeno da parte del perossido di calcio è stato misurato indirettamente in una soluzione di PB, rivelando un rilascio significativo nelle prime due ore. L'analisi statistica ha dimostrato una differenza significativa tra i controlli e i campioni rivestiti di perossido di calcio, suggerendo potenziali benefici antibatterici. Nel complesso, questo studio offre approfondimenti nello sviluppo di rivestimenti avanzati per gli impianti ortopedici, sfruttando gli effetti sinergici di idrossiapatite e perossido di calcio. Nonostante le sfide nel deposito e nella reattività, il rivestimento ottimizzato dimostra promettenti proprietà antibatteriche e potenziale per migliorare le prestazioni dell'impianto. Ulteriori ricerche sono necessarie per esplorare ulteriori applicazioni e per raffinare il processo di deposizione per una maggiore efficacia in contesti clinici.