Electroactive materials-based strategies for improving orthopedic implant interfaces through antibacterial and cell stimulation effects

Abstract

A falha dos implantes ortopédicos é desencadeada essencialmente por dois fatores: infeções cirúrgicas e desintegração do implante do tecido ósseo. Avanços científicos na área sugerem materiais eletroativos como possíveis osseointegradores e capazes de combater a colonização bacteriana. A eletroatividade intrínseca do osso é a base teórica para a compatibilidade desses materiais com a osseointegração e, por sua vez, a capacidade das bactérias sentirem e reagirem ao ambiente circundante sugere que ambientes eletroativos possam ser uma alternativa no combate a infeções. Neste contexto, o objetivo desta tese é o desenvolvimento de estratégias baseadas em materiais eletroativos para melhorar interfaces de implantes ortopédicos através de efeitos antibacterianos e de estimulação celular. A tese está dividida em três seções que abordam de forma sistemática as diferentes estratégias desenvolvidas. A primeira secção discutiu a resposta de bactérias cultivadas em filmes piezoelétricos de poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) e compósitos magnetoelétricos baseados em PVDF com nanofios de níquel, cuja estimulação mecânica e magnética mimetiza microambientes dinâmicos eletroativos. Os resultados mostraram que diferentes cargas superficiais e frequências de estímulo podem ser aplicadas para modular o comportamento das bactérias, sendo capazes de inibir o crescimento bacteriano. Igualmente, foi demonstrado que as propriedades piezoelétricas de superfícies podem ser melhoradas usando diferentes compostos e/ou técnicas de processamento. Em particular, foi proposto um método simples para criar membranas antibacterianas e não citotóxicas usando celulose amino-modificada e fibroína de seda. Além disso, filmes de PVDF revestidos com compostos naturais, como a acilase, uma enzima capaz de interromper a comunicação bacteriana, demonstraram impressionante atividade antibiofilme. Com estes filmes foi ainda demonstrado que o efeito piezoelétrico potencializa a proliferação de pré-osteoblastos, sugerindo assim a sua eficácia na osseointegração e na atividade antimicrobiana. Finalmente, a combinação de líquidos iónicos e materiais à base de PVDF permitiu a produção de interfaces duplamente funcionais, ainda mais eficazes. Além da atividade antibacteriana, foi investigado o potencial osteogénico de uma interface piezo-iónica. Os resultados destacaram a superexpressão de marcadores osteogénicos em resposta às solicitações mecânicas. Esta tese apresentou novas estratégias eficazes para melhorar a osseointegração e, simultaneamente, prevenir a colonização bacteriana. Além disso, abre possibilidades para aplicações avançadas envolvendo materiais eletroativos, de forma a reduzir a resistência aos antibióticos.

Orthopedic implant failure is mainly triggered by two factors: surgical infections and implant loosening from bone tissue. Advances in materials science suggest that electroactive materials may promote osseointegration and combat bacterial colonization. The intrinsic electroactivity of bone tissue provides the theoretical basis for the compatibility of electroactive materials with osseointegration processes. Moreover, the ability of bacteria to sense and react to their surroundings suggests that the electroactive microenvironment may offer a new way to combat implant-related infections. In this context, the objective of this thesis is the development of novel strategies based on electroactive materials for improving orthopedic implant interfaces through antibacterial and cell stimulation effects. The thesis was divided into three main sections in which the developed strategies are presented. The first section discussed the response of bacteria grown on piezoelectric poly(vinylidene fluoride) (PVDF) films and PVDF-based magnetoelectric composites containing nickel nanowires, whose mechanical and magnetic stimulation mimics electroactive microenvironments. The experiments showed that different surface charges and dynamic stimuli can be used to tailor the behavior of both bacteria. Furthermore, electroactive dynamic conditions are able to inhibit bacterial growth and reduce biofilm formation. It was further demonstrated that piezoelectric surface properties can be improved using various processing techniques and compounds. A simple method for creating antibacterial and non-cytotoxic membranes was established using amino-modified cellulose and silk fibroin. Then, an alternative approach involving antibacterial coatings was also considered. PVDF films coated with natural-based compounds such as acylase, an enzyme able to disrupt bacterial communication, demonstrated an important antibiofilm activity. Furthermore, the piezoelectric effect was shown to enhance preosteoblast proliferation, making this material highly effective for both osseointegration and antimicrobial effects. Finally, ionic liquids (IL) were combined with PVDF-based materials to produce an even more effective dual-functional interface. In addition to antibacterial activity, this section investigated the osteogenic potential of a piezo-ionic interface, composed of a PVDF-based matrix and [EMIM][HSO4] IL. The results highlighted an overexpression of osteogenic markers in response to mechanical solicitations. This study successfully presented new strategies for improving osseointegration while preventing bacterial colonization. Furthermore, it opens up promising possibilities for advanced applications involving electroactive-based materials to reduce antibiotic resistance.