A new concept of bio-multifunctional nanotubular surfaces for dental implants: tribocorrosion resistant, antibacterial and osteogenic

Abstract

Dental implant market is continuously growing due to the constant increase in life expectancy and higher concerns on oral hygiene and aesthetics. Titanium-based materials are the most widely used in dental implants due to their superior biocompatibility, mechanical properties, and excellent corrosion resistance. However, despite the high overall success rate of dental implants, a significant number of failures still occur. Implant failures in dentistry may be ascribed essentially to three main causes, namely the lack of an adequate implant-bone integration, microbial infection, and corrosion/tribocorrosion processes. The modification of Ti surface features has been a strategy currently adopted in the attempt to overcome these complications. Ideally, the implant should be able to display concomitantly two contradictory properties: the enhancement of human cell adhesion and the inhibition of the adhesion of undesirable microorganisms. Additionally, the implant surface should be also tailored with the ability to withstand the combined actions of corrosion and wear (tribocorrosion), at which they are exposed to in the human body. Nanotechnology is an emerging area in the field of dentistry, and in particular, nanotubular TiO2 surfaces have been widely recognized as promising candidates to improve the performance of dental implants. However, the construction of effective nanotubular systems based on an integrated approach addressing, simultaneously, the three main causes of failure, is still missing. This thesis aims the synthesis of multifunctional TiO2 nanotubes (NTs) in Ti surfaces, tailored to exhibit simultaneously tribo-electrochemical resistance, antibacterial activity, and an adequate osseointegration ability. To achieve the main aim, TiO2 NTs were synthesized by anodization, and functionalized with bone-constituting elements such as calcium, phosphorous, and zinc, through a novel methodology based on reverse polarization anodization processes. After bio-functionalization, Ti surfaces decorated with TiO2 NTs displayed an outstanding triboelectrochemical behavior, the capacity to impair bacterial viability, and the ability to improve human cell responses. These multiple functions were ascribed to the morphological, topographical, and physicochemical features of bio-functionalized TiO2 NTs, as well as to their mechanical properties and adhesion strength to Ti. The outcomes of this work remarkably show that significant improvements have been achieved. By means of a simple approach, key functionalities of conventional TiO2 NTs were improved, which are expected to have a major clinical impact in dental implant therapies.

O mercado de implantes dentários tem vindo a crescer, devido ao aumento constante da esperança de vida e maiores preocupações no que respeita higiene oral e estética. Materiais à base de titânio (Ti) são os mais usados em implantes dentários devido à sua elevada biocompatibilidade, propriedades mecânicas e excelente resistência à corrosão. No entanto, apesar da alta taxa de sucesso, um número significativo de falhas ainda ocorrem. As falhas de implantes em odontologia podem ser atribuídas essencialmente a três causas, nomeadamente, a falta de uma adequada integração implante-osso, infeção microbiana e processos de corrosão/tribocorrosão. A modificação das características de superfície do Ti tem sido uma estratégia atualmente adotada, na tentativa de superar essas complicações. Idealmente, o implante deveria ser capaz de exibir concomitantemente duas propriedades contraditórias: o aumento da adesão de células humanas e a inibição da adesão de microrganismos indesejáveis. Além disso, a superfície do implante deveria também ser adaptada com a capacidade de resistir às ações combinadas de corrosão e desgaste (tribocorrosão), às quais estão expostas no corpo humano. A nanotecnologia é uma área emergente na área da odontologia e, em particular, as superfícies de TiO2 nanotubulares têm sido amplamente reconhecidas como potencial candidatas para melhorar o desempenho dos implantes dentários. No entanto, ainda está em falta a construção de sistemas nanotubulares eficazes, assentes numa abordagem integrada que considere, simultaneamente, as três principais causas de falha. Esta tese objetiva a síntese de nanotubos (NTs) de TiO2 multifuncionais em superfícies de Ti, adaptados para exibir simultaneamente resistência tribo-eletroquímica, atividade antibacteriana e adequada capacidade de osteointegração. Neste sentido, NTs de TiO2 foram sintetizados via anodização e funcionalizados com elementos constituintes do osso, como cálcio, fósforo e zinco, através de uma nova metodologia baseada em processos de anodização via polarização inversa. Após bio-funcionalização, as superfícies de Ti decoradas com NTs de TiO2 apresentaram um excelente comportamento tribo-eletroquímico, a capacidade de prejudicar a viabilidade bacteriana e a aptidão de melhorar a resposta de células humanas. Estas múltiplas funções foram atribuídas às características morfológicas, topográficas e físico-químicas dos NTs de TiO2 bio-funcionalizados e às suas propriedades mecânicas e força de adesão ao Ti. Os resultados deste trabalho mostram notavelmente que melhorias significativas foram alcançadas. Por intermédio de uma abordagem simples, as funcionalidades chave dos NTs de TiO2 convencionais foram melhoradas, as quais são esperadas ter um impacto clínico relevante nas terapias de implantes dentários.