Modifid nanoporous anodic titanium dioxide layers : characterization and biomedical applications

Dostęp do publikacji jest możliwy w Archiwum UJ

Obecnie coraz popularniejsze w leczeniu człowieka staje się podejście zwane medycyną spersonalizowaną. Jej główne założenie polega na tym, że sposób leczenia dobiera się do konkretnego pacjenta, a nie danej choroby. Natomiast w przypadku implantologii związane jest to z projektowaniem wszczepów o określonym kształcie i właściwościach. Zgodnie z tą zasadą poszukuje się nowych, wielofunkcyjnych materiałów implantologicznych, które można byłoby dostosować do potrzeb różnych osób. W kontekście badań nad implantami kostnymi ważną rolę odgrywa zarówno topografia, jak i chemia powierzchni, które mogą być odpowiedzialne za efektywną osteointegrację, a także oddziaływanie z cząsteczkami leków. Najczęściej wszczepy są wykonane z tytanu lub jego stopów, ale mimo swoich licznych zalet nie zapewniają szybkiej adhezji komórek, co może prowadzić do odrzutu implantu. Dlatego też jednym ze sposobów modyfikacji biomateriałów jest pokrycie ich nanoporowatą warstwą tlenku tytanu(IV) (TiO2) otrzymaną w procesie anodyzacji. Dodatkowo w celu dalszej poprawy biokompatybilności ich powierzchnia może zostać sfunkcjonalizowana. Z tego powodu głównym celem badań było zmodyfikowanie nanoporowatych warstw tlenku tytanu(IV) o różnej strukturze krystalicznej: (i) wodorotlenkiem sodu (NaOH) oraz (ii) pochodnymi silanu różniącymi się grupami funkcyjnymi ((3-aminopropylo)trietoksy-silanem (APTES), (3-glicydyloksypropylo)trimetoksysilanem (GPTMS) i (3-merkapto-propylo)trimetoksysilanem (MPTMS)). Zbadano również wpływ modyfikacji na proces uwalniania leków oraz na interakcję z komórkami osteoblastopodobnymi, a także określono bioaktywność takich podłoży. Dodatkowo anodowe warstwy tlenku tytanu(IV) zostały pokryte kompozytem hydroksyapatytu i chitozanu w procesie osadzania elektroforetycznego. Funkcjonalizacja powierzchni prób TiO2 wymienionymi związkami została potwierdzona różnymi technikami, które pozwoliły na kompleksową charakterystykę oraz określenie ich najważniejszych właściwości. Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że zarówno struktura krystaliczna tlenku tytanu(IV), stężenia użytych roztworów, jak i czas prowadzenia procesu wpływały na efektywność modyfikacji. Co więcej, funkcjonalizacja podłoży oraz obróbka termiczna powodowały wzrost hydrofilowości próbek. Wprowadzone modyfikacje miały na celu między innymi spowolnienie uwalniania modelowych leków (ibuprofenu i gentamycyny). Na podstawie parametrów modelu desorpcji-desorpcji-dyfuzji (DDD) stwierdzono, iż zmiana struktury krystalicznej oraz chemii powierzchni powodowała spowolnienie procesu uwalniania ibuprofenu, natomiast nie wpływała na profil dostarczania gentamycyny. Nowym badanym rozwiązaniem było jednoczesne wprowadzenie leków do nośnika oraz analiza kinetyki ich wspólnego dostarczania. Uzyskane wyniki dowiodły, że morfologia oraz faza krystaliczna TiO2, a także procedura impregnacji wpływały na opóźnienie uwalniania tylko gentamycyny. Z kolei badania komórkowe na testowanych podłożach pokazały, iż komórki obu linii (SAOS-2 i MG-63) wykazywały lepszą przeżywalność, adhezję i proliferację na modyfikowanych warstwach tlenku tytanu(IV). Co więcej, próbki o strukturze anatazu lub anatazu/rutylu charakteryzowały się lepszą bioaktywnością. Podsumowując, można stwierdzić, że zaproponowane funkcjonalizacje anodowego TiO2 pozwoliły na poprawę odpowiedzi komórkowej oraz wpłynęły na zmianę kinetyki uwalniania leków.

Nowadays, personalized medicine is becoming more and more popular. This approach assumes that the method of treatment is selected rather for a particular patient than for a given disease. In the case of implantology, it is associated with a custom-designed implants having a specific shape and properties. According to this principle, new multifunctional implantable materials, that could be adapted to the needs of different people, are sought. In case of bone implants, both topography and surface chemistry play an important role, and may be also responsible for effective osseointegration and interaction with drug molecules. Most often used implants are made of titanium or its alloys. However, despite many advantages, they do not provide rapid cell adhesion, which can lead to the recoil of the implant. Therefore, one of the proposed modifications of such biomaterials is to form nanoporous titanium dioxide (TiO2) layers on metal surfaces by using anodization process. Additionally, in order to further improve biocompatibility, their surface can be functionalized with different molecules. For this reason, the main aim of this research was to modify nanoporous titanium dioxide layers having different crystalline structure with: (i) sodium hydroxide (NaOH) and (ii) silane derivatives with different functional groups (i.e., (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES), (3-glycidyloxypropyl)trimethoxysilane (GPTMS) and (3-mercapto-propyl)trimethoxysilane (MPTMS)). Their impact on the drug release process and the interaction between the osteoblast-like cells and the biomaterial was investigated. Moreover, the bioactivity of the samples was also determined. In addition, anodic samples were coated with the hydroxyapatite and chitosan composite by using the electrophoretic deposition technique. Functionalization of the TiO2 surfaces was confirmed using various techniques that allowed for their comprehensive characterization and determination of the most important properties. The results showed that the crystalline structure of titanium dioxide, the concentration of solutions, and the process duration influenced effectiveness of the modifications. What is more, both the substrate functionalization and thermal treatment increased the hydrophilicity of the samples. The above modifications aimed at slowing down the release of model drugs (i.e., ibuprofen and gentamicin). Based on the desorption-desorption-diffusion model (DDD) parameters, it was found that the change in the crystal structure and surface chemistry slowed down the release kinetics of ibuprofen, but did not affect the delivery profile of gentamicin. Moreover, the simultaneous loading of the model drugs into the nanopores, as well as the the study of the kinetics of their delivery was successfully proposed for the first time. The obtained results showed that the morphology and crystalline structure of TiO2, as well as the drug loading procedure, had impact only on the release of gentamicin, causing its delay. Finally, cellular tests showed that cells of both lines (SAOS-2 and MG-63) exhibited better survival, adhesion, and proliferation on modified titanium dioxide layers. Moreover, samples with anatase or anatase/rutile structure were characterized by better bioactivity. To sum up, it can be concluded that the proposed functionalizations of anodic TiO2 led to the improvement in both cellular response and drug release kinetics.