Design of osteogenic-stimulating implants by mechanotransduction modulation

Abstract

À medida que a esperança de vida aumenta, aumenta também o número de doentes que necessitam de intervenções ortopédicas. Além disso, a idade média dos pacientes de cirurgia ortopédica tem vindo a diminuir devido à maior prevalência de um estilo de vida sedentário e obesidade. Uma das doenças esqueléticas mais comuns é a osteoartrite, que afeta principalmente as articulações da anca e do joelho. As soluções terapêuticas atuais incluem a substituição da articulação por um implante ortopédico, frequentemente composto por uma liga de Titânio 6- Alumínio 4-Vanádio (Ti6Al4V). No entanto, quando inserido na cavidade óssea, há uma diminuição da estimulação mecânica na interface osso-implante, quando comparada com o carregamento fisiológico do osso levando, portanto, à perda de fixação do implante e consequente dor. Tendo identificado esta preocupação, esta tese de doutoramento visa melhorar a interface entre o osso e o implante através da ativação de processos de mecanotransdução responsáveis pela diferenciação das células estaminais mesenquimais humanas em células ósseas. Diferentes modificações superficiais de substratos de Ti6Al4V foram investigadas, com a produção de micropilares através de uma técnica subtrativa a laser, de modo a induzir um carregamento mecânico adequado ao nível celular, promovendo simultaneamente uma interligação na interface implanteosso. As propriedades potencialmente bioativas da camada de óxido e a topografia assistida por laser foram avaliadas em condições estáticas, e o modo dinâmico foi explorado para abordar o efeito da carga mecânica na osteogénese. Para tal, um dispositivo customizado para estimulação mecânica celular foi desenhado e fabricado por tecnologia laser, pioneiro na utilização de substratos metálicos para cultura celular e para estudos de mecanobiologia utilizando live imaging. Este projeto interdisciplinar estabelece a base para o desenvolvimento de implantes ortopédicos capazes de induzir cargas mecânicas que promovam osteogénese na interface ossoimplante. Ao assegurar uma atividade osteogénica adequada das células em torno dos implantes endósseos, espera-se a promoção da regeneração óssea saudável e a integração do implante, reduzindo potencialmente a necessidade de substituição do implante nos anos subsequentes.

As life expectancy increases, so does the number of patients requiring orthopaedic interventions. Furthermore, the average age of orthopaedic surgery patients has declined due to the higher prevalence of a sedentary lifestyle and obesity. One of the most common skeletal diseases is osteoarthritis, primarily affecting the hip and knee joints. Current therapeutic solutions include joint replacement by an orthopaedic implant, often composed of Titanium 6 Aluminium 4 Vanadium (Ti6Al4V) alloy. However, when inserted into the bone cavity, there is a diminished mechanical stimulation at the bone-implant interface when compared to the physiological bone stimulation leading, therefore, to the loss of implant fixation and subsequent pain. Having identified this concern, this PhD thesis aims to improve the interface between bone and implant by activating the mechanotransduction processes responsible for the differentiation of human mesenchymal stem cells into bone cells. Different surface modifications to Ti6Al4V substrates were investigated, with micro-pillars being produced on the surface via laser subtractive technique aiming to induce an adequate mechanical loading at the cellular level, while also promoting an interlocking at implant-bone interface. The potentially bioactive properties of the oxide layer and laser-assisted topography were assessed under static conditions, and the dynamic mode was explored to address the effect of mechanical loading on osteogenesis. For that purpose, a custom device for cell mechanical stimulation was designed and fabricated using laser technology, pioneering the use of metallic substrates for cell culture and for mechanobiology studies using live imaging. This interdisciplinary project lays the foundation for the development of orthopaedic implants capable of inducing osteogenic-stimulating mechanical loading at the bone-implant interface. By assuring an adequate osteogenic activity of cells around endosseous implants, it is hoped to promote healthy bone regeneration and implant integration, potentially reducing the need for implant replacement in subsequent years.