Diseño de superfícies de titanio bioactivas liberadoras de fármacos

Abstract

El principal objetivo de la actual Tesis Doctoral fue diseñar, elaborar y optimizar superficies de titanio bioactivas liberadoras de fármacos. Para ello, el trabajo de investigación presentó dos estrategias en el diseño de superficies. Una estrategia fue el diseño de superficies de titanio (pulida, oxidada y precipitados biomiméticos) mediante diferentes tratamientos superficiales. Caso contrario, donde la segunda estrategia consistió en la elaboración de 2 matrices capaces de contener y trasportar fármacos en su estructura (hidrogel y nanopartículas). Dichas superficies se diseñaron con el propósito de emplearse en la entrega dirigida de fármacos en el tejido diana. La modificación de la superficie puede realizarse mediante diferentes metodologías, siendo el tratamiento térmico alcalino, uno de los más empleados para inducir la precipitación de fosfato de calcio amorfo en la superficie. Por otro lado, los sistemas liberadores de fármacos pueden ser diseñados mediante diferentes vías de optimización, así como por el uso de diferentes materiales de acuerdo con el objetivo deseado. Para el diseño y desarrollo de los sistemas trasportadores de fármacos fueron seleccionados dos polímeros; uno de origen natural, como es el chitosan (Cs), y otro de origen sintético, como es el alcohol polivinilo (PVA). Se utilizó la espectrofotométrica UV-visible como método analítico para calibrar las concentraciones farmacológicas, así como el análisis de los perfiles de liberación. Se analizaron los perfiles topográficos y de humectabilidad de las superficies. La dispersión dinámica de luz (DSL) fue el método analítico utilizado para la caracterización de las nanopartículas. Por último, se realizaron ensayos de liberación y se analizó mediante pruebas bacteriológicas la actividad bacteriana de los sistemas portadores del antibiótico. Dichas pruebas bacteriológicas supusieron el uso de un cultivo bacteriano para analizar las unidades formadoras de colonias (UFC), un ensayo de la actividad de Trifosfato de adenosina (ATP)―por sus siglas en inglés Adenosine Tripolyphosphate ― y un ensayo de Life/Dead analizado mediante microscopía confocal. La topografía se vio modificada drásticamente cuando la superficie fue recubierta con los precipitados de hidroxiapatita. También fue posible recubrir las superficies con las matrices poliméricas, presentando un perfil de liberación adecuado a los objetivos planteados. Por último, los sistemas liberadores de fármaco presentaron propiedades antimicrobianas, demostrando una mayor eficacia y un mayor efecto prolongado en sus propiedades antibacterianas cuando fueron cargados con doxiciclina.

The primary objective of the present doctoral thesis was to design, develop, and optimize bioactive drug-eluting titanium surfaces. For this purpose, the research work presented two strategies in surface design. One strategy was the design of titanium surfaces (polished, oxidized, and biomimetic precipitates) through different surface treatments. Conversely, the second strategy involved the development of two matrices capable of containing and transporting drugs within their structure (hydrogel and nanoparticles). These surfaces were designed with the purpose of being used for targeted drug delivery to target tissue. Regarding titanium surfaces, various methodologies can be used for modification, with alkali treatment being one of the most used. This treatment induces the precipitation of amorphous calcium phosphate on the surface. As for drug delivery systems, they can be designed through numerous methods, using different materials, each one targeting a different purpose. Besides, two polymers were selected for the design and development of drug delivery systems: one of a natural origin, chitosan (Cs), and another of a synthetic origin, alcohol polyvinyl (PVA). Concerning the methodology, UV-visible spectrophotometry was used as the analytical method to calibrate pharmacological concentrations. and release profiles; and the dynamic scattering light (DSL) method was used for nanoparticles characterization. Both the topographic and the wettability profiles, and the release profiles of drug delivery systems and their antimicrobial activities were measured and analyzed as well. Furthermore, bacteriological tests were performed using a bacterial culture selected from the patients. Antimicrobial activities were confirmed by colony-forming units (CFU), adenosine triphosphate, and live/dead assay. The topography was drastically altered when the surface was coated with hydroxyapatite precipitates. It was also possible to coat the surfaces with polymeric matrices, presenting a release profile suitable for the intended objectives. Finally, the drug delivery systems exhibited antimicrobial properties, demonstrating greater efficacy and a prolonged antibacterial effect when loaded with doxycycline.