Design of new biocompatible osseointegrated and antimicrobial dental implant

Abstract

Como alternativa aos implantes dentários convencionais de Ti, foi realizada uma biofuncionalização de superfícies de Ta por diferentes tratamentos de superfície de modo a aumentar a bioatividade da superfície bem como dotá-la de capacidade bactericida. Para alcançar este design inovador, a estratégia adotada prendeu-se com duas etapas principais: i) desenvolvimento de uma superfície bioativa baseada no efeito sinergético da camada anódica de Ta2O5 com (nano a micro) porosidades e enriquecida por elementos osteocondutores; ii) desenvolvimento do sistema antimicrobiano pela deposição, por pulverização catódica, de NPs de Zn/ZnO na superfície de Ta2O5, com ou sem uma fina camada de carbono. O primeiro tratamento funcional consistiu em duas etapas de anodização. A anodização inicial revelou-se sensível à concentração do eletrólito levando a uma curva j-t instável, ao aumento de temperatura do eletrólito e a uma morfologia final porosa ordenada e homogénea. A segunda anodização teve como finalidade incorporar elementos osteocondutores (Ca; P e/ou Mg) com uma razão de Ca/P biomimética. Duas abordagens foram propostas: anodização e/ ou polarização inversa. Os elementos osteocondutores foram incorporados na camada porosa de Ta2O5 sem comprometer a morfologia, porém a secção transversal das superfícies revelou uma estrutura lamelar inviável para aplicações biomédicas. Numa segunda abordagem, foi adotado o processo de oxidação por micro-arco onde foi possível otimizar uma estrutura (micro+nano) -porosa de Ta2O5 com Ca e P. Posteriormente, NPs de Zn (Zn/ZnO – core/shell) foram depositadas por pulverização catódica nas superfícies bioativas com (ou sem) uma camada adicional de carbono para controlar a libertação dos iões Zn²⁺. A adesão celular inicial foi garantida em todas as superfícies, destacando-se a superfície de Ta2O5 com NPs e a camada de carbono, que traduziu a maior taxa de proliferação celular. As duas superfícies com NPs apresentaram atividade antibacteriana contra S. aureus e a maior inibição das bactérias sésseis foi observada na superfície com as NPs Zn/ZnO sem a camada de carbono. Graças ao excelente desempenho in vitro das superfícies de Ta nanoestruturadas com elementos osteocondutores, este trabalho é um progresso na estratégia para desenvolver uma nova geração de implantes dentários simultaneamente capazes de promover a osteointegração e prevenir infeções implantares.

As alternative to the conventional Ti dental implants surfaces, Ta surface biofunctionalization was investigated using different surface treatments in order to enhance the surface bioactivity as well as endow it with bactericidal ability. To achieve this innovative design, the adopted strategy was accomplished in two main steps: i) development of a bioactive surface based on the synergetic effect of anodic Ta2O5 with multilevel porosity (nano to micro) with osteoconductive elements incorporated; ii) development of an antimicrobial delivery system by deposition, by magnetron sputtering, of Zn/ZnO nanoparticles deposited onto the anodic Ta2O5 structured surface with or without an additional thin carbon layer. The first functional treatment consisted of two anodization steps. The initial anodization-step was sensible to the electrolyte concentration leading to an unstable j-t curve and to a strong electrolyte temperature increase and a quite ordered and homogeneous porous nanopattern. A second anodization was carried out to obtain a porous structure enriched with osteoconductive elements (Ca, P and/or Mg), attaining a biomimetic Ca/P ratio. Two approaches were proposed: anodization and/or reverse polarization. The osteoconductive elements were successfully incorporated onto the porous Ta2O5 layer without compromising the nanostructure, however the cross-sectional analysis revealed an unsuitable lamellar structure for biomedical applications. As second approach, micro-arc oxidation process was adopted where it was possible to optimize a (micro+nano)porous CaP-containing Ta2O5 surface. Afterwards, Zn NPs (Zn/ZnO core-shell structure) were deposited by magnetron sputtering onto the bioactive surfaces with (or without) an additional carbon layer, for Zn²⁺ ions release control. The initial osteoblasts adhesion was ensured on all surfaces, but the porous Ta2O5 surface with the Zn/ZnO NPs and the carbon layer stood out, which also translated to a higher proliferation rate. Both Zn-containing surfaces presented antibacterial activity against S. aureus and the greatest sessile bacteria inhibition was observed on the surface with the Zn/ZnO NPs without the carbon layer. Due to the excellent in vitro performance of the nanostructured Ta surface with osteoconductive elements, this work is clearly a progress on the strategy to develop a new generation of dental implants that can simultaneously promote osseointegration and prevent implant’s infection.