Biofunctionalization of titanium surfaces for dental implants: osteogenic, anti-microbial and tribocorrosion resistant surfaces

Abstract

The rise of the worldwide dental implant market constantly increases the concerns regarding the quality, efficiency and lifetime of dental implants. Titanium based materials have shown proven ability for application in this field, essentially due to their adequate mechanical properties, corrosion behavior and biocompatibility. However, and despite the high success rates associated with dental implants, failures still continue to occur. Among the problems affecting the performance of dental implants, one can find: lack of osteointegration, propensity for bacterial colonization and corrosion/tribocorrosion processes. All these aspects are highly dependent on the surface properties of the implant. Ideally, implant surfaces should simultaneously promote adhesion of osteoblasts and inhibit the colonization by unwanted microorganisms. Furthermore, it is also necessary to minimize combined actions between corrosion and wear (tribocorrosion) that can cause degradation of the implant surface and ultimately lead to its failure. This thesis presents an approach to develop multifunctional titanium oxide surfaces with excellent tribocorrosion performance, while promoting a bio-selective behavior between the adhesion of osteoblastic cells and the minimization of bacterial colonization. For that purpose, surface modification of titanium by Micro-Arc Oxidation was performed, allowing the formation of a thick, adherent and porous titanium oxide structure with incorporated bioactive elements such as calcium, phosphorous, magnesium and zinc. A detailed characterization of the surfaces provided important insights for the understanding of the mechanisms of film formation. Moreover, the results allowed the correlation between chemical/structural properties of the oxide, and their effect on biological and tribocorrosion mechanisms. The surfaces developed in this work presented excellent tribocorrosion resistance, good interactions with osteoblastic cells, and promising antimicrobial properties.

O crescimento do mercado mundial de implantes dentários cria condições para um maior desenvolvimento deste tipo de restaurações e uma crescente exigência em relação à qualidade, eficiência e tempo de vida dos implantes. Materiais à base de titânio mostraram ao longo do tempo que possuem uma eficácia comprovada para uso em implantes devido às suas boas propriedades mecânicas, comportamento à corrosão e biocompatibilidade. No entanto, apesar da elevada taxa de sucesso, são ainda reportadas algumas falhas em sistemas de implantes. Entre os problemas que afetam a performance dos implantes podem encontrar-se: a falta de osseointegração, a possibilidade de colonização bacteriana e também processos de corrosão e tribocorrosão. A superfície do implante é um fator transversal, que influencia todos estes aspetos. Idealmente, esta deverá promover a adesão de células ósseas ao mesmo tempo que minimiza a colonização e proliferação de microrganismos prejudiciais. Além disso, deverá também minimizar processos de tribocorrosão (ação simultânea de mecanismos de corrosão e desgaste mecânico) que podem causar a degradação do implante e potencialmente levar à sua falha. Esta tese apresenta uma solução para o desenvolvimento de superfícies multifuncionais de óxido de titânio com excelente resistência à tribocorrosão e um comportamento bio-seletivo através da promoção da adesão de células ósseas e diminuição da atividade bacteriana. Para este fim, a modificação superficial do titânio foi conseguida através da técnica eletroquímica de anodização, permitindo a formação de um filme de óxido de titânio com uma estrutura porosa e dopado com elementos bioativos, como cálcio, fósforo, magnésio e zinco. Uma caracterização detalhada das superfícies produzidas, permitiu obter informação essencial para a compreensão dos mecanismos de formação do filme. Adicionalmente, os resultados permitiram ainda correlacionar as propriedades químicas e estruturais dos filmes com o comportamento biológico e os mecanismos de tribocorrosão identificados. As superfícies desenvolvidas neste trabalho apresentam uma excelente resistência à tribocorrosão, boa interação com células ósseas e ainda propriedades antibacterianas promissoras.