Process optimization of combined PEO and EPD for local drug delivery from titanium implants

The current rise in orthopedic procedures has established the prevention of Periprosthetic Joint Infections (PJI) as a primary clinical priority, being one of the leading causes of implant failure. To overcome the limitations associated with systemic toxicity, local drug delivery systems capable of acting directly in situ represent a highly promising approach. In this context, the present study aims to develop and optimize a composite coating on Grade II titanium substrates by exploiting the combined action of Plasma Electrolytic Oxidation (PEO) and Electrophoretic Depositon (EPD). Specifically, the strategy involves the creation of a porous TiO2 ceramic layer via PEO, upon which a chitosan polymeric matrix, selected for its intrinsic antimicrobial and biodegradable properties, is subsequently deposited via EPD. Microstructural investigations confirmed that employing high-frequency PEO regimes (1000 Hz) prevents micro-arc coalescence, thereby promoting the development of a fine porosity; conversely, low-frequency regimes (50 Hz) generate a network of larger cavities. The subsequent EPD phase demonstrated that the underlying PEO morphology fundamentally governs the architecture of the overlying polymer. Finally, the identification of an optimal operational window (30-50 V) ensured a homogeneous chitosan deposition, which was thoroughly validated through morphological (optical microscopy, SEM) and chemical-physical (EDS) analyses. Finally, the efficiency of the matrix as a drug carrier was validated using fluorescein as a model molecule to simulate the release kinetics of a broad-spectrum antibiotic. In conclusion, process control enabled the production of a system suitable for localized antibiotic delivery, representing a promising strategy to minimize revision surgeries for orthopedic implants.

L’attuale incremento delle procedure ortopediche ha reso prioritaria la prevenzione delle infezioni peri-protesiche (PJI), oggi tra le principali cause di fallimento implantare. Un approccio promettente per superare i limiti della tossicità sistemica è rappresentato dai sistemi di rilascio farmacologico locale, capaci di agire direttamente in situ. In quest’ottica, il presente studio propone lo sviluppo e l’ottimizzazione di un rivestimento composito su substrati in titanio di grado II sfruttando l’azione combinata di Ossidazione Elettrolitica al Plasma (PEO) e Deposizione Elettroforetica (EPD). In particolare, la strategia prevede la creazione di uno strato ceramico poroso in TiO2 mediante PEO, sul quale viene successivamente depositata via EPD una matrice polimerica in chitosano, selezionato per la sua intrinseca natura antimicrobica e biodegradabile. L’indagine microstrutturale ha confermato che l’impiego di regimi PEO ad alta frequenza (1000 Hz) previene la coalescenza dei micro-archi, favorendo lo sviluppo di una porosità fine; al contrario, regimi a bassa frequenza (50 Hz) generano un sistema di cavità di maggiori dimensioni. La successiva fase di EPD ha dimostrato come la morfologia del PEO governi l’architettura del polimero sovrastante. L’identificazione di una finestra operativa ottimale (30-50 V) ha garantito una deposizione omogenea del chitosano, validata da indagini morfologiche (microscopio ottico, SEM) e chimico-fisiche (EDS). Infine, l’efficienza della matrice come carrier farmacologico è stata validata impiegando la fluoresceina come molecola modello per simulare la cinetica di rilascio di un antibiotico ad ampio spettro. In conclusione, il controllo dei processi ha consentito la produzione di un sistema utilizzabile per il rilascio locale di antibiotico, rappresentando una promettente strategia per limitare le chirurgie di revisione degli impianti ortopedici.