Tesis:
Development of functionalized titanium alloys (Ti-6Al-4V) by Activated Vapor Silanization (AVS) and potential applications for bone replacement and regeneration
- Autor: ALVAREZ LOPEZ, Aroa
- Título: Development of functionalized titanium alloys (Ti-6Al-4V) by Activated Vapor Silanization (AVS) and potential applications for bone replacement and regeneration
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: CIENCIA DE LOS MATERIALES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/84450/
- Director/a 1º: PÉREZ RIGUEIRO, José
- Director/a 2º: GONZÁLEZ NIETO, Daniel
- Resumen: The prevalence of skeletal system disorders due to trauma or age-related bone degeneration is increasing because of demographic change. Titanium-based devices are commonly used for bone replacement or fixation, but their integration into the body is limited. This often results in progressive instability and the need for revision surgeries, which are technically demanding and have high complication rates. To promote implant osseointegration, many studies based on biomolecule-coated (functionalization) materials are being conducted. However, the lack of reproducibility, stability or control over these functionalization strategies complicates their translation into clinics.
In this Thesis we addressed the current bottlenecks in the field to advance on the design of titanium-based prosthesis with enhanced biological performance on bone tissue regeneration. Our strategy focuses on applying a robust and versatile method based on the covalent immobilization of extracellular matrix-derived oligopeptides using an appropriate crosslinking chemistry on Activated Vapor Silanization (AVS)-functionalized Ti-6Al-4V surfaces. The feasibility of this approach was evaluated using four peptides (RGD, CS-1, IKVAV and PHSRN) with known ability to reinforce surface-cell interactions. With this method, the immobilization of these peptides on functionalized Ti-6Al-4V surfaces proved to be stable over short- (one day) and long-term (five months) periods. The RGD layer in the Ti-6Al-4V surface was also stable in vivo one week after implantation in a critical-size bone defect model in mice.
Two main biological effects were observed with the RGD-coated Ti-6Al-4V implants. First, we found an enhanced recruitment of endogenous cells towards the implant, with a mitigation of macrophage-driven inflammation during the second day after implantation. Second, the RGD coating also improved the in vitro attachment, proliferation and differentiation of mesenchymal stem cells (MSC) into osteoblastic-like cells. These MSC seeded on RGD-coated Ti-6Al-4V surfaces were also able to survive in vivo for at least one week after implantation.
Collectively, our results highlight the efficacy and reproducibility of the developed protocol to decorate Ti-6Al-4V surfaces with a wide spectrum of molecules and cells, offering a set of possibilities for bone tissue replacement strategies. RGD-decorated Ti-6Al-4V implants would control the recruitment of endogenous cells towards the implant, mitigating the initial pro-inflammatory response. Additionally, it would be possible to modulate the in vivo behavior of MSC exogenously incorporated in the implant. We believe that our results represent a neat breakthrough in the field that could accelerate the development of new advanced metallic biomaterials for clinical treatment of skeletal disorders after trauma or age-related bone degeneration.
RESUMEN
El aumento de los trastornos esqueléticos debido al envejecimiento poblacional ha generado una demanda creciente de implantes óseos más duraderos. Los implantes de titanio, ampliamente utilizados en la actualidad, presentan una limitada capacidad de integración en el hueso. Esta situación compromete su estabilidad a largo plazo, obligando al paciente a someterse a repetidas cirugías, invasivas y asociadas a un alto riesgo de complicaciones. Con el objetivo de mejorar la osteointegración de los implantes, se están desarrollando estrategias de recubrimiento con moléculas biológicas activas. Sin embargo, la variabilidad y complejidad de estos procesos representan un obstáculo significativo para su aplicación clínica.
Esta Tesis aborda los desafíos actuales en la funcionalización de implantes de titanio, con el objetivo de diseñar prótesis capaces de promover la regeneración ósea. Para ello, proponemos un método versátil y robusto basado en la inmovilización covalente de péptidos bioactivos sobre superficies de Ti-6Al-4V tratadas mediante Silanización de Vapor Activado (AVS). La viabilidad de este enfoque se evaluó utilizando cuatro péptidos (RGD, CS-1, IKVAV y PHSRN) con capacidad para mejorar las interacciones célula-superficie. Con este método, la inmovilización de los péptidos sobre Ti-6Al-4V demostró ser estable in vitro a corto (un día) y largo plazo (cinco meses). El RGD inmovilizado sobre Ti-6Al-4V también demostró una notable estabilidad in vivo tras su implantación en un modelo murino de defecto óseo crítico.
A nivel biológico, los implantes de Ti-6Al-4V decorados con RGD promovieron dos efectos clave. En primer lugar, se observó una aceleración del reclutamiento celular endógeno in vivo hacia la superficie del implante, acompañada de una atenuación de la respuesta inflamatoria mediada por macrófagos durante el segundo día tras la cirugía. Por otra parte, el recubrimiento con RGD mejoró la adhesión, proliferación y diferenciación osteoblástica de células madre mesenquimales (MSC) in vitro. Las MSC sembradas en implantes de Ti-6Al-4V recubiertos con RGD también demostraron una notable viabilidad in vivo, manteniéndose adheridas a la superficie del material durante al menos una semana tras su implantación.
En este estudio, hemos desarrollado un protocolo versátil y reproducible para funcionalizar superficies de Ti-6Al-4V con una amplia gama de biomoléculas y células, ofreciendo un abanico de posibilidades para estrategias de reemplazo óseo. Los implantes de Ti-6Al-4V decorados con RGD controlarían el reclutamiento de células endógenas hacia el implante, mitigando la respuesta proinflamatoria inicial. Además, sería posible modular el comportamiento in vivo de las MSC incorporadas exógenamente en el implante. Nuestros hallazgos representan un avance significativo en el desarrollo de biomateriales metálicos avanzados para el tratamiento de enfermedades óseas.