Funkcjonalizacja powierzchni stopu NiTi na drodze obróbki chemicznej i wytwarzania powłok na bazie chitozanu z nanocząstkami metali

Abstract

Niniejsza rozprawa doktorska prezentuje rezultaty badań w zakresie powierzchniowej funkcjonalizacji stopu z pamięcią kształtu NiTi do zastosowań w implantologii, ze wskazaniem na chirurgię ortopedyczną. Przeprowadzona funkcjonalizacja miała charakter wieloetapowy, na który składały się procesy obróbki mechanicznej, chemicznej oraz plazmochemicznej stopu wraz z otrzymaniem warstw na bazie chitozanu z dodatkiem nanocząstek złota, srebra i miedzi. Powyższe prace eksperymentalne miały na celu otrzymanie biomateriału, który będzie (i) spełniał warunki biozgodności z tkanką kostną; (ii) charakteryzował się określonymi parametrami chropowatości oraz zwilżalności, sprzyjającymi adhezji komórek i powodującymi ich prawidłowy wzrost; (iii) stanowił barierę dyfuzyjną dla pierwiastków składowych stopu, ograniczając ich negatywny wpływ na organizm; (iv) wykazywał działanie antybakteryjne, o możliwie jak najbardziej precyzyjnym modelu uwalniania czynników bioaktywnych, dla ograniczenia infekcji w obrębie wszczepu. Przeprowadzane badania obejmowały między innymi dobór warunków obróbki chemicznej powierzchni stopu, w tym mieszaniny reakcyjnej oraz czasu trawienia. W oparciu o analizę otrzymanych wyników, dobrano odpowiednie warunki wspomnianego procesu i zaproponowano kolejne etapy modyfikacji powierzchni stopu NiTi, z otrzymaniem powłok na bazie chitozanu. W procesie otrzymywania warstw zastosowano dwie metody syntezy (i) na bazie koloidów chitozanu i nanocząstek otrzymanych na drodze redukcji chemicznej, oraz (ii) wykorzystując metodę hybrydową obejmującą otrzymanie dwóch warstw chitozanu, pomiędzy którymi naniesiono nanocząstki z wykorzystaniem techniki kondensacji struktur w obecności gazu obojętnego wspieranego rozpylaniem magnetronowym. Otrzymane serie eksperymentalne scharakteryzowano w zakresie zmian morfologii, topografii, składu chemicznego, zwilżalności i energii powierzchniowej modyfikowanego stopu NiTi oraz otrzymanych warstw. Ponadto przeprowadzono badania odporności na korozję otrzymanych struktur w symulowanym środowisku organizmu (roztworze Ringera). Wykonano również badania właściwości biologicznych warstw, w tym testy cytotoksyczności wraz z obrazowaniem morfologii linii komórkowej MG-63 oraz testy antybakteryjności w kontakcie z Gram+ S. aureus i Gram- E. coli. Ponadto określono kinetykę uwalniania nanocząstek z warstw na bazie chitozanu. Na podstawie analizy przeprowadzonych badań określono najbardziej odpowiednie warunki trawienia chemicznego stopu NiTi, które obejmowały wykorzystanie mieszaniny 2.3% NH3/13.6% H2O2 przez 30 minut w temperaturze 70°C. Trawienie w opisanych warunkach prowadziło do uzyskania na powierzchni stopu tlenków tytanu i niklu, co ważne bez udziału wolnych form metalicznych tych pierwiastków. Dodatkowo trawienie w tych warunkach prowadziło do uzyskania parametrów chropowatości powierzchni na poziomie ok. 14.4 nm (Ra) i zwilżalności powierzchni ok. 84°, które mogą korzystnie wpływać na proliferację komórek i ograniczać wzrost biofilmu bakteryjnego. W zakresie otrzymywania warstw warto zaznaczyć potencjał aplikacyjny struktur hybrydowych, które pozwalają na intencjonalne i kontrolowane nanoszenie dopasowanej dawki nanocząstek na powierzchni matrycy biopolimerowej (w tym przypadku chitozanu), w przeciwieństwie do losowego rozłożenia nanocząstek (w warstwie chitozanu) otrzymanych z koloidu. W rezultacie warstwy otrzymane metodą hybrydową pozwalają na kontrolowane uwalnianie tych struktur, o stosunkowo niewielkim i stałym stężeniu w okresie 14 dni. Dodatkowo otrzymane warstwy biopolimerów modyfikowanych nanocząstkami pozwoliły na podwyższenie wartości gęstości prądu przebicia warstwy ochronnej stopu NiTi, a z kolei stabilność wartości potencjału w funkcji czasu dla warstw CS@AuNPs oraz CS/CuNPs/CS wskazuje na skuteczną ochronę korozyjną. Warto zauważyć, że wybrane pokrycia na bazie chitozanu modyfikowanego nanocząstkami charakteryzują się zarówno zgodnością komórkową, zabezpieczają nitinol przed korozją, wykazują charakter antybakteryjny oraz stopniowy model uwalniania niewielkiej, ale skutecznej dawki nanocząstek. Szczególnie obiecująca jest w tym względzie modyfikacja z otrzymaniem warstwy CS/CuNPs/CS, która charakteryzuje się antybakteryjnością, biozgodnością, czy też skutecznym profilem uwalniania nanocząstek. Ponadto wszystkie uzyskane warstwy mogą być aplikowane w praktyce medycznej w zależności od wymaganych właściwości materiału.

This doctoral dissertation presents the results of research in the field of surface functionalisation of the NiTi shape memory alloy for applications in implantology, with an indication for orthopedic surgery. The multistage functionalization included mechanical, chemical, and plasma-chemical treatment of the alloy and obtaining chitosan-based layers with the addition of gold, silver, and copper nanoparticles. The experimental work aimed to achieve a biomaterial that would (i) meet the requirements of biocompatibility with bone tissue; (if) demonstrate specific roughness and wettability parameters, facilitating cell adhesion and causing their proper growth; (iii) constitute a diffusion barrier for the alloy components, limiting their negative impact on the body; (iv) exhibit antibacterial activity, with the most precise possible model of release of bioactive factors to reduce infection within the implant. The performed research includes, inter alia, selecting conditions for chemical treatment of the alloy surface, including the reaction mixture and etching time. Based on the analysis of the obtained results, the appropriate conditions for the aforementioned process were chosen and subsequent stages of NiTi alloy surface modification were proposed, with obtaining chitosan-based coatings. In the process of layer synthesis, two methods were applied: (i) based on chitosan colloids and nanoparticles obtained by chemical reduction and (ii) using a hybrid method involving the preparation of two layers of chitosan, between which nanoparticles were deposited using the magnetron sputtering-based inert gas condensation technique. The obtained experimental series were characterized in terms of changes in morphology, topography, chemical composition, wettability, and surface energy of the modified NiTi alloy surface and the obtained layers. Additionally, corrosion resistance tests on the obtained structures were carried out in a simulated body environment (Ringer's solution). The biological properties of the layers were also examined. This includes cytotoxicity tests along with imaging of the MG-63 cell line morphology and antibacterial tests in contact with Gram+ S. aureus and Gram- E. coli. Moreover, the release kinetics of the nanoparticles from chitosan-based layers were determined. Based on the analysis of the performed studies, the most appropriate conditions for chemical etching of the NiTi alloy were determined, which included the use of a 2.3% NH3/13.6% H2O2 mixture for 30 minutes at 70°C. Etching in the described conditions led to receiving titanium and nickel oxides on the alloy surface, which is important in order to limit the free metallic forms of these elements. Additionally, etching under these conditions led to surface roughness parameters of approximately 14.4 nm (Ra) and a water contact angle around 84°, which may have a beneficial effect on cell proliferation and limit the growth of bacterial biofilm. In terms of obtaining layers, the application potential of hybrid layers is worth emphasizing, which allow for intentional and controlled application of a tailored dose of nanoparticles on the surface of the biopolymer matrix (in this case chitosan), as opposed to the random distribution of nanoparticles (in the chitosan layer) received from the colloid. As a result, the layers obtained by means of the hybrid method allow for a controlled release of these structures at a relatively low and constant concentration over a period of 14 days. Additionally, the obtained layers of biopolymers modified with nanoparticles enabled an increase in the value of the breakdown current density of the NiTi alloy protective layer, and in turn, the stability of the potential value as a function of time for the CS@AuNPs and CS/CuNPs/CS layers indicates effective corrosion protection. It is also worth noting that the selected coatings based on chitosan modified with nanoparticles exhibit cellular compatibility, protect nitinol against corrosion, demonstrate antibacterial characteristics and a gradual model of releasing a small but effective dose of nanoparticles. The modification with obtaining the CS/CuNPs/CS layer, which exhibits antibacterial properties, biocompatibility, and an effective nanoparticle release profile, is especially promising. Moreover, all the obtained layers can be applied in medical practice depending on the required material properties.