Surface functionalization with antibacterial and bioactive compounds using hybrid techniques (subtractive and addictive) via laser for the improvement of knee prostheses properties

Abstract

Knee arthroplasty is a surgical procedure that consists in the removal of the entirety or part of the knee joint, extracting damaged cartilage and replacing it with a prosthesis or implant. Thus, knee prostheses are devices that replace the function of the joint. They have different components, each with a specific function and composed of different materials. However, their longevity is still relatively short, about 15 years, and the use of materials with inadequate mechanical properties can lead to the appearance of undesirable phenomena that contribute to an even earlier prosthesis removal. That being said, it is important to find solutions to improve not only the functionality of these implants, but also their longevity. Therefore, this work focuses on the modification of materials typically used in these implants, such as zirconia and titanium, through a hybrid (subtractive and additive) laser processing technique. Patterns were thus created on the surface of the materials, and bioactive compounds (hydroxyapatite and mineral trioxide aggregate) were incorporated into them, in order to improve the bioactivity and consequent functionality and longevity of the knee prostheses. Firstly, samples of the base materials in question were created and textured using different strategies and varying laser parameters such as power, speed and number of passes. The bioactive materials were then deposited and incorporated on the surface of the samples using different techniques, such as CO2 laser sintering, conventional furnace method or deposition using a spatula. Finally, mechanical tests were performed in order to analyse and evaluate the properties of the produced samples. These include SEM-EDS, wettability, friction tests and cell viability tests. Results show that the laser texturing was considered an effective and reliable method to produce different structures throughout the samples without compromising its mechanical properties. The employed functionalization techniques were successful, as mechanically interlocked and thick coatings were created. The incorporation of said coatings had a significant effect on the surface energy of the samples, since wettability tests showed that contact angle of the samples is reduced after the addition of the bioactive layer. Friction tests comproved the adherence of bone to the surface of functionalized samples, while biological tests revealed the bioactive potencial of the MTA coating. In conclusion, textured samples were successfully produced and afterwards functionalized using different techniques. These surfaces showed promising results in both mechanical and biological tests, as this new approach for the development of functionalized knee prostheses is validated.

A artroplastia do joelho é um procedimento cirúrgico que consiste na remoção da totalidade ou de parte da articulação do joelho, retirando cartilagem danificada e substituindo a mesma por uma prótese ou implante. Assim, as próteses do joelho são dispositivos que substituem a função da articulação, possuindo diferentes componentes, cada um deles com uma função específica e compostos por materiais distintos. No entanto, a sua longevidade é ainda relativamente curta, de cerca de 15 anos, e a utilização de materiais com propriedades mecânicas desadequadas levam ao aparecimento de fenómenos indesejáveis que contribuem para a remoção da prótese de forma precoce. É então importante encontrar soluções para melhorar não só a funcionalidade destes implantes, mas também a sua longevidade. Assim, este trabalho foca-se na modificação de materiais tipicamente usados nestes implantes (zircónia e titânio) através de uma técnica de processamento híbrida (subtrativa e aditiva), via laser. Foram assim criados padrões na superfície dos materiais, e incorporados neles compostos bioativos (hidroxiapatite e agregado de trióxido mineral), de modo a melhorar a bioatividade e consequente funcionalidade e longevidade das próteses do joelho. Primeiramente, foram criadas e texturizadas as amostras dos materiais base em questão, utilizando diferentes estratégias e variando parâmetros do laser, como a potência, velocidade e número de passagens. Os materiais bioativos foram posteriormente incorporados na superfície das amostras através de diferentes técnicas, como sinterização a laser, forno ou deposição com recurso a uma espátula. Por último, foram efetuados testes mecânicos de modo a analisar e avaliar as propriedades das amostras produzidas, como o SEM-EDS, molhabilidade, testes de fricção e testes de viabilidade celular. Resultados mostram que a texturização a laser foi considerada um método eficiente na produção de diferentes estruturas superficiais. As técnicas de funcionalização foram bem-sucedidas, já que camadas espessas de bioativos foram aprisionadas na superfície. A adição destes materiais afetou a energia da superfície, já que os testes de molhabilidade mostraram uma redução do ângulo de contacto após deposição. Testes de fricção comprovam a adesão de osso na superfície das amostras funcionalizadas, enquanto que os testes biológicos revelaram o potencial bioativo do revestimento de MTA. Concluindo, amostras texturizadas foram produzidas e posteriormente funcionalizadas através de técnicas variadas. Estas superfícies demonstraram resultados promissores tanto em termos biológicos como mecânicos, sendo a abordagem de funcionalização proposta validada.