Study of structured surfaces from micro- to nano-scale topography for bioadhesive applications

Abstract

Esta tesis se ha centrado, principalmente, en el análisis del papel jugado por la rugosidad superficial de superficies texturizas de biomateriales, desde escala micro- a nanoscópica, mediante el uso de una extensa batería de herramientas matemáticas, desde las herramientas estadísticas clásicas hasta las más avanzadas. Además, dado su amplio uso en el campo de la implantología, el grabado ´acido de las superficies de titanio fue estudiado en detalle. Finalmente, en colaboración con grupos de investigación en medicina y odontología, se realizaron estudios sobre la respuesta celular de células osteoblásticas sobre superficies modificadas de silicio y titanio. Las principales cuestiones que este trabajo respondió fueron: ¿cómo debe ser caracterizada la rugosidad superficial y que herramientas matemáticas debemos emplear para ello en el caso de superficies con aplicaciones biomédicas? ¿cómo describen los funcionales de Minkowski y el análisis de escalado el grabado ´acido de las superficies de titanio? y, por ´ultimo, ¿cómo afecta la rugosidad superficial a la adhesión celular de osteoblastos sobre superficies modificadas de silicio y titanio. Esta tesis aborda diferentes aspectos de la física de superficies relacionados con la caracterización superficial, particularmente, la caracterización de la rugosidad para la optimización de superficies texturizadas en ingeniería de materiales. Así, hemos realizado una caracterización completa de la rugosidad de superficies reales, más allá de la mera caracterización estadística.

This thesis was mainly focused on the analysis of the role played by the surface roughness of structured biomaterial surfaces, from micro- to nano-scale topography, through a complete set of mathematical tools, from classic statistical to advanced ones. Acid etching of titanium surfaces was studied in detail because of its wide use in the field of implantology. Finally, osteoblast-like cells response was studied on modified silicon and engineered titanium surfaces in collaboration with odontological and medical research groups. The main questions that this work addressed are: how should surface roughness be characterized and what mathematical tools should be used for it in the case of surfaces with biomedical applications? how is acid etching of titanium surfaces described through Minkowski functionals and scaling analysis? and, finally, how does surface roughness affect the osteoblast-like cell adhesion on modified silicon and engineered titanium surfaces? This dissertation involves different aspects of surface physics related to the surface characterization, particularly the roughness characterization for the optimization of textured surfaces in biomaterial engineering. Thus, beyond the known statistical roughness, we have conducted a more complete characterization of the roughness of real surfaces.