Development of antibacterial surfaces in titanium biomedical implants by thermal nanospikes functionalisation

Abstract

[ES] El desarrollo de superficies nanoestructuradas de materiales biomédicos es una estrategia para mejorar la adhesión celular e inhibir el desarrollo de biopelículas bacterianas. Las aleaciones de titanio son los materiales más comunes para la fabricación de implantes, como los de cadera, rodilla o dentales. La nanoestructuración de estas aleaciones se puede realizar mediante técnicas termoquímicas y tiene como objetivo reproducir estructuras que aparecen en las hojas de algunas plantas o en las alas y conchas de insectos. Una de estas nanoestructuras son las nanoespigas, que se utilizan en este proyecto. El primer objetivo es examinar la cinética de la formación de nanoespigas. Este objetivo se examina utilizando XRD, SEM, FIB y TEM. Sin embargo, los implantes médicos también están sujetos a acciones mecánicas que pueden romper estas nanoestructuras debido a su fragilidad. Para asegurar su capacidad antibacteriana, se propone la funcionalización química de las nanoestructuras con compuestos naturales y propiedades antimicrobianas. El segundo objetivo de este proyecto es desarrollar superficies funcionalizadas basadas en la adsorción de aceites esenciales de plantas reconocidos por su efecto antimicrobiano. El objetivo es desarrollar el procedimiento experimental para la adsorción efectiva y controlada de estas sustancias en fase vapor sobre superficies nanoestructuradas de titanio. Los aceites esenciales utilizados son trans-cinamaldehído, timol y carvacrol. Para identificar el aceite en la superficie, se utiliza espectroscopia Raman. Para determinar la cantidad de aceite adsorbido, se realiza TGA.

[CA] El desenvolupament de superfícies nanoestructurades de materials biomèdics és una estratègia per a millorar l'adhesió cel·lular i inhibir el desenvolupament de biopel·lícules bacterianes. Les aliatges de titani són els materials més comuns per a la fabricació d'implants, com els de maluc, genoll o dentals. La nanoestructuració d'aquestes aliatges es pot realitzar mitjançant tècniques termoquímiques i té com a objectiu reproduir estructures que apareixen en les fulles d'algunes plantes o en les ales i conquilles d'insectes. Una d'aquestes nanoestructures són les nanoespigues, que s'utilitzen en aquest projecte. El primer objectiu és examinar la cinètica de la formació de nanoespigues. Aquest objectiu s'examina utilitzant XRD, SEM, FIB i TEM. No obstant això, els implants mèdics també estan subjectes a accions mecàniques que poden trencar aquestes nanoestructures a causa de la seua fragilitat. Per a assegurar la seua capacitat antibacteriana, es proposa la funcionalització química de les nanoestructures amb compostos naturals i propietats antimicrobianes. El segon objectiu d'aquest projecte és desenvolupar superfícies funcionalitzades basades en l'adsorció d'olis essencials de plantes reconeguts pel seu efecte antimicrobià. L'objectiu és desenvolupar el procediment experimental per a l'adsorció efectiva i controlada d'aquestes substàncies en fase vapor sobre superfícies nanoestructurades de titani. Els olis essencials utilitzats són trans-cinnamaldehid, timol i carvacrol. Per a identificar l'oli en la superfície, s'utilitza espectroscòpia Raman. Per a determinar la quantitat d'oli adsorbit, es realitza TGA.

[EN] The development of nanostructured surfaces of biomedical materials is a strategy to enhance cell adhesion and inhibit the development of bacterial biofilms. Titanium alloys are the most common materials for the manufacture of implants such as hip, knee or dental implants. The nanostructuring of these alloys can be done by thermochemical techniques and aims to reproduce structures that appear in the leaves of some plants or the wings and shells of insects. One of these nanostructures are nanospikes, which are used in this project. The first objective is to examine the kinetics of nanospike formation. This objective is examined using XRD, SEM, FIB and TEM. However, the medical implants are also subjected to mechanical actions that can break these nanostructures due to their fragility. To ensure their antibacterial capacity, chemical functionalisation of nanostructures with natural compounds and antimicrobial properties is proposed. The second objective of this project is to develop functionalised surfaces based on the adsorption of essential plant oils recognised for their antimicrobial effect. The aim is to develop the experimental procedure for effective and controlled adsorption of these substances in vapour phase on nanostructured titanium surfaces. The used essential oils are trans-cinnamaldehyde, thymol and carvacrol. To identify the oil on the surface, Raman spectroscopy is used. To determine the amount of adsorbed oil, TGA is executed.