Polycaprolactone and Calcium Peroxide-based coating on Titanium substrate: deposition process and optimization

Titanium is a widely used material for orthopedic implants. However, there remains a need to improve its integration with the surrounding bone tissue and minimize associated bacterial infections. To achieve these goals, modifications of the implant surface represent an effective strategy. In this context, the use of oxygen-generating biomaterials, including calcium peroxide (CaO2), can be a promising solution to provide the surfaces with both pro-osteointegrative properties and antibacterial features. In this experimental work a coating based on polycaprolactone (PCL) and calcium peroxide was developed, optimizing its deposition process on a titanium substrate. The dip-coating technique was used and tuned varying several process parameters including sample extraction rate, polymer solution concentration, and number of dips, in order to achieve optimized results in terms of coating continuity, uniformity, and thickness. The morphology, composition, weights, and thicknesses of the coatings were analyzed, demonstrating effective and homogeneous incorporation of CaO2 into PCL. The study investigated the oxygen release kinetics of the coatings over an 8-week period. The results indicated an initial burst release, followed by a more gradual and sustained release over time. Additionally, the study demonstrated the dependence of oxygen release on the amount of CaO2 present in the coating. Cytotoxicity/cellular tests showed good cell viability results on peroxide containing samples only when they underwent a pre-release of oxygen prior to the test. These results highlight the significance of controlling the kinetics of oxygen release to investigate its potential in promoting cell viability and activity. Overall, the incorporation of CaO2 into a biodegradable and hydrophobic barrier composed of PCL proved effective in achieving sustained and controlled oxygen release, which could have a positive impact on implant integration.

Il titanio è un materiale ampiamente utilizzato per impianti ortopedici. Tuttavia, c’è ancora la necessità di migliorarne l’integrazione con il tessuto osseo circostante e minimizzarne le infezioni batteriche associate. Le modifiche della superficie dell’impianto rappresentano una strategia efficace per raggiungere queste finalità. In questo contesto, l’utilizzo di oxygen-generating biomaterials, tra cui perossido di calcio (CaO2), costituisce una soluzione promettente per conferire alle superfici sia proprietà pro-osteointegrative che caratteristiche antibatteriche. In questo lavoro sperimentale è stato sviluppato un coating a base di policaprolattone (PCL) e perossido di calcio, ottimizzandone il processo di deposizione su substrato in titanio. La tecnica del dip-coating è stata utilizzata e messa a punto variando diversi parametri di processo quali velocità di estrazione del campione, concentrazione della soluzione polimerica e numero di dip, al fine di ottenere un rivestimento ottimizzato in termini di continuità, uniformità e spessore. La morfologia, la composizione, i pesi e gli spessori dei rivestimenti sono stati analizzati, provando un’effettiva e omogenea incorporazione del CaO2 nel PCL. La cinetica di rilascio di ossigeno dei rivestimenti è stata analizzata in un periodo di 8 settimane. I risultati hanno mostrato un iniziale burst release, seguito da un rilascio più graduale e sostenuto nel tempo. Inoltre, lo studio ha dimostrato la dipendenza del rilascio di ossigeno dalla quantità di CaO2 presente nel rivestimento. I test cellulari/di citotossicità hanno presentato buoni risultati di vitalità cellulare su campioni contenenti perossido solo se soggetti a un pre-rilascio di ossigeno prima del test. Questi risultati evidenziano l’importanza di regolare la cinetica di rilascio di ossigeno per investigarne le potenzialità nella promozione di vitalità e attività cellulare. Nel complesso, l’incorporazione del CaO2 in una barriera biodegradabile ed idrofobica costituita da PCL si è rivelata efficace per ottenere un rilascio di ossigeno sostenuto e controllato, che potrebbe avere un impatto positivo sull’integrazione dell’impianto.