Multifunctional mussel inspired coatings for orthopaedic applications

Abstract

Currently, there is still a significant rate of implant failures in clinical practice. Current solutions would consist of the development of robust, biocompatible, biodegradable coatings with enhanced adhesive and bioactive properties. So, in this work the development of multifunctional coatings inspired by adhesive properties of mussels and the robust nacre structure were proposed. Based on the configuration of the 3,4-dihydroxy-L-phenylalanine (DOPA) amino-acid of the mussel’s adhesive proteins, catechol groups were conjugated to chitosan (CHT) and hyaluronic acid (HA). Layer-by-layer (LbL) assembly was used to mimic the nacre structure, where the organic phase consisted of both polymers and the inorganic phase of bioactive glass nanoparticles (BGNPs). In parallel, polymeric LbL coatings were constructed for the sake of comparison. The modified polymers were characterized by ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy. The construction of various LbL configurations was monitored by quartz crystal microbalance and the adhesive properties were evaluated by lap shear adhesive tests. The bioactivity and the in-vitro cell behaviour were analysed for the coatings with and without BGNPs. In-vitro tests were conducted using the cell line L929. Hydroxyapatite deposition was evaluated by scanning electron microscopy (SEM) coupled with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and X-ray powder diffraction (XRD). Since the structure and topography play an important role in the functional performance of the films, two LbL assembly methods, dip- and spin-coating, were compared using three different substrates: glass, stainless steel, and titanium. The coatings were characterized by SEM, Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), atomic force microscopy (AFM) and water contact angle (WCA). Given the enhanced adhesion and bioactivity of the developed films, they could be used as coatings of a variety of implants. In addition, spin-coating was found to be a particularly suitable method for the build-up, since films with smoother and more uniform surfaces were produced.

Atualmente, ainda há uma percentagem significativa de falhas dos implantes na prática clínica. Soluções atuais envolveriam o desenvolvimento de revestimentos robustos, biocompatíveis, biodegradáveis, com propriedades adesivas e bioativas melhoradas. Assim, neste trabalho foi proposto o desenvolvimento de revestimentos multifuncionais inspirados nas propriedades adesivas dos mexilhões e na estrutura robusta do nácar. Baseado na configuração do aminoácido 3,4-dihidroxi-L-fenilalanina (DOPA) das proteínas adesivas dos mexilhões, foram conjugados grupos catecóis ao quitosano (CHT) e ao ácido hialurónico (HA). A montagem camada-a-camada (LbL) foi utilizada para mimetizar a estrutura do nácar, onde a fase orgânica consistiu em ambos os polímeros e a fase inorgânica nas nanopartículas de vidro bioativas (BGNPs). Paralelamente, foram construídos revestimentos LbL poliméricos para fins de comparação. Os polímeros modificados foram caracterizados por espectroscopia ultravioleta-visível (UV-Vis). A construção das várias configurações LbL foi monitorizada através da microbalança de cristal de quartzo e as suas propriedades adesivas avaliadas através de testes adesivos sob tensão de corte. A bioatividade e o comportamento celular in-vitro foram analisados para os revestimentos com e sem BGNPs. Os testes in-vitro foram realizados usando a linha celular L929. A deposição de hidroxiapatita foi avaliada por microscopia eletrónica de varrimento (SEM) acoplada com espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS) e por difração de raios-X (XRD). Uma vez que a estrutura e topografia apresentam um papel importante no desempenho funcional dos filmes, dois métodos de montagem LbL, revestimento por imersão e por rotação, foram comparados usando três substratos diferentes: vidro, aço inoxidável e titânio. Os revestimentos foram caracterizados por SEM, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FT-IR), microscopia de força atómica (AFM) e ângulo de contacto da água (WCA). Dado à adesão e bioatividade melhoradas dos filmes desenvolvidos, estes poderiam ser utilizados como revestimentos para uma variedade de implantes. Além disso, verificou-se que o revestimento por rotação foi um método particularmente adequado para a construção, uma vez que foram produzidos filmes com superfícies mais lisas e uniformes.