Covalent Functionalization of Titanium with Natural Small Molecules for Bioactive Bone Implants

Resumen

Aunque los implantes óseos, dentales y ortopédicos, tienen una elevada tasa de éxito, su fallo supone un impacto muy elevado. La investigación actual en implantes óseos se centra en mejorar su funcionamiento, desarrollando nuevos biomateriales que mejoren la integración del tejido alrededor del implante, y con funcionalidades añadidas como una menor adherencia bacteriana. La modificación de la superficie es una herramienta muy versátil para ajustar las propiedades superficiales a las deseadas, con el objetivo de controlar las interacciones célula-material. En esta tesis se presentan tres superficies bioactivas basadas en la inmovilización covalente de pequeños compuestos de origen fitoquímico, con efectos en el metabolismo óseo previamente conocidos, sobre sustratos de titanio: el fitato (IP6) y los flavonoides taxifolina y quercitrina. El IP6, un polifosfato que se encuentra en las semillas de las plantas y que, entre otras funciones, inhibe la resorción ósea, se unió directamente a las superficies de Ti mediante enlaces covalentes Ti-O-P. El pH de la disolución de IP6 resultó ser un factor clave para la unión covalente de la molécula a la superficie. Los flavonoides taxifolina y quercitrina —compuestos polifenólicos con propiedades antioxidantes, antibacterianas y antiinflamatorias— se unieron covalentemente a las superficies de Ti utilizando (3-aminopropil) trietoxisilano como agente de unión, a través de la formación de una base de Schiff entre el grupo cetona del flavonoide y el grupo amino terminal de la superficie silanizada. También se evaluó una estrategia de aminación reductora para optimizar el recubrimiento, utilizando NaCNBH3 como reductor. Las superficies se caracterizaron físico-químicamente utilizando varias técnicas de superficie con el objetivo de evaluar la rugosidad superficial, la mojabilidad y la naturaleza y composición química. Para determinar la cantidad de flavonoide unida a las superficies se desarrolló un método espectrofluorimétrico utilizando 2-aminoetil difenilborinato, un éster borónico que forma un complejo fluorescente con los compuestos flavonoides de manera espontanea. Este método se podría aplicar para caracterizar cuantitativamente otros recubrimientos basados en polifenoles. El efecto biológico de las superficies se evaluó in vitro utilizando distintos tipos de células óseas y células gingivales. Las superficies Ti-IP6 no resultaron citotóxicas para células preosteoblásticas MC3T3-E1 y promovieron significativamente la expresión génica de marcadores osteogénicos. Aunque las superficies Ti-IP6 no causaron un efecto bactericida, sí mostraron una menor adhesión de S.sanguinis, un microorganismo presente en la cavidad bucal. Las superficies funcionalizadas con flavonoides mostraron efectos osteogénicos in vitro en células madre mesenquimales humanas diferenciadas a osteoblastos, y potencial anti-inflamatorio y anti-fibrótico en fibroblastos gingivales humanos. Además, las superficies de Ti funcionalizadas covalentemente con quercitrina promovieron la adhesión celular temprana de células madre mesenquimales humanas, incrementaron la mineralización in vitro, y disminuyeron la osteoclastogenesis in vitro en células RAW264.7 e in vivo en un modelo animal de oseointegración. Por tanto, las superficies desarrolladas en esta tesis, en particular aquellas funcionalizadas con quercitrina, tienen aplicación potencial en dispositivos médicos implantables, como implantes dentales y ortopédicos con mejor integración del tejido, y podrían ser fácilmente trasladadas a etapas clínicas.