Search

En las últimas décadas se han desarrollado en Europa y en todo el mundo biomateriales y biocerámicas basados en fosfatos de calcio. Estos biomateriales tienen numerosas aplicaciones en el campo de la medicina, sobre todo como materiales de sustitución ósea en cirugía ortopédica y dental. Estas biocerámicas se han convertido en los materiales bioactivos más implantados debido a sus numerosas ventajas, como su analogía composicional con el mineral óseo y su capacidad para unirse químicamente al tejido óseo y promover la formación de una interfaz estable en su contacto. Dotar a estos materiales de propiedades antibacterianas los haría aún más interesantes de lo que son hoy. Cabe señalar que el interés por la estructura de las alas de las cigarras ha puesto de relieve su capacidad para eliminar bacterias únicamente mediante la acción mecánica de los nanopilares de su superficie. El interés aquí es implantar estos nanopilares en biomateriales para conferirles propiedades antimicrobianas. Este proyecto explora varias estrategias para controlar la topografía generada en la superficie de la hidroxiapatita deficiente en calcio (CDHA). Para entender cómo modificar y controlar estas nanoptopografías, se estudiaron diferentes parámetros experimentales como el proceso de molienda o la temperatura de hidrólisis. En este estudio se estudiaron en particular dos fosfatos cálcicos: el fosfato cálcico amorfo y el fosfato tricálcico alfa sintetizados a alta temperatura. La primera parte detalla el interés de utilizar fosfatos de calcio como biomaterial y la posibilidad de generar e implantar nanopartículas en su superficie. En la segunda parte, se detallan las diferentes etapas de la síntesis de la hidroxiapatita deficiente en calcio, incluida la síntesis del reactivo de partida: el fosfato tricálcico alfa e el fosfato cálcico amorfo, las etapas de molienda y de hidrólisis. La última parte del proyecto trata de los resultados del estudio. Los diferentes parámetros experimentales estudiados han permitido poner de manifiesto la formación de diversas topografías y su influencia o no en la estructura de las topografías generadas, como la forma de los pilares, la distancia entre pilares y la distribución de los pilares. Cabe señalar que la nanoestructura final obtenida es muy diferente en función del reactivo de partida hidrolizado, y que las condiciones de hidrólisis y, en particular, la temperatura tiene una influencia importante en la forma de los pilares, la distancia entre pilares y la distribución de los pilares. Les biomatériaux et biocéramiques à base de phosphates de calcium se sont développées au cours des dernières décennies en Europe et à l’échelle mondiale. Ces biomatériaux trouvent de nombreuses applications dans le domaine médical et notamment en tant que matériaux de substitution osseuse en chirurgie orthopédique et en chirurgie dentaire. Ces biocéramiques sont devenus les matériaux bioactifs les plus implantés pour leurs nombreux avantages tels que leur analogie de composition avec le minéral osseux ainsi leur capacité de se lier chimiquement au tissu osseux et de promouvoir la formation d'une interface stable à leur contact. Doter ces matériaux de propriétés antibactériennes permettrait de rendre ces matériaux encore plus intéressants qu’ils ne le sont actuellement. Il est à noter que s’intéresser à la structure des ailes de cigales, a mis en évidence sa propriété à tuer les bactéries uniquement par l'action mécanique de ses nano-piliers à sa surface. L’intérêt ici est d’implanter ces nano-piliers sur les biomatériaux pour leur conférer des propriétés antimicrobiennes. Ce projet explore plusieurs stratégies pour contrôler la topographie générée sur la surface de l’hydroxyapatite déficient en calcium (CDHA). Dans le but de comprendre comment modifier et contrôler ces nano-topographies, différents paramètres expérimentaux ont été étudiés tels que le processus de broyage ou encore la température d’hydrolyse. Dans cette étude deux phosphates de calcium ont été plus particulièrement étudiés : le phosphate de calcium amorphe et l’alpha tricalcium phosphate synthétisé à haute température. La première partie détaille l’intérêt de l’utilisation des phosphates de calcium en tant que biomatériau et la possibilité de générer et d’implanter des nano-topographies à leur surface. Dans un deuxième temps, les différentes étapes de synthèse de l’hydroxyapatite déficient en calcium sont détaillées, en passant par l’étape de synthèse du réactant de départ : l’alpha tricalcium phosphate et le phosphate de calcium amorphe, l’étape de broyage et d’hydrolyse. La dernière partie du projet porte sur les résultats de l’étude. Les différents paramètres expérimentaux étudiés ont permis de mettre en évidence la formation de topographies variées et de leurs influences ou non sur la structure des topographies générées tels que la forme des piliers, la distance entre piliers et la distribution des piliers. Il est à noter que la nanostructure finale obtenue est très différente en fonction du réactant de départ hydrolysé, et que les conditions d’hydrolyse et notamment la température ont une influence importante sur la forme des piliers, la distance entre piliers et la distribution des piliers. Biomaterials and bioceramics based on calcium phosphates have been developed over the last decades in Europe and worldwide. These biomaterials have many applications in the medical field and in particular as bone replacement materials in orthopedic and dental surgery. These bioceramics have become the most implanted bioactive materials because of their numerous advantages such as their compositional analogy with bone mineral and their ability to chemically bind to bone tissue and promote the formation of a stable interface at their contact. Equipping these materials with antibacterial properties would make them even more interesting than they are now. Treating infections is challenging due to the acquired resistance of bacteria to antibiotics. However, the discovery that the structure of cicada wings was able to kill bacteria solely by the mechanical action of nanopillars on its surface opened a new strategy for treating infections. The focus of this project is to implant these nanopillars on biomaterials to confer antimicrobial properties. This project explores several strategies to control the topography generated on the surface of calcium deficient hydroxyapatite (CDHA). In order to understand how to modify and control these nano-topographies, different experimental parameters were studied such as the synthesis route of the calcium phosphate reagents, the milling process or the hydrolysis temperature of the reagents. In this study, two calcium phosphate reagents are explored: amorphous calcium phosphate (ACP) synthesized at low temperature and alpha tricalcium phosphate (α-TCP) synthesized at high temperature. The first part of the project provides the state of the art on the interest in the use of calcium phosphates as biomaterials and the possibility of generating and implanting nanotopographies on their surface. In a second part, the different steps on the generation of the calcium deficient hydroxyapatite topographies are detailed, including the synthesis of the starting reactants: amorphous calcium phosphate and alpha tricalcium phosphate, the milling and hydrolysis steps. The last part of the project deals with the results of the study. The different experimental parameters studied have allowed to highlight the formation of various topographies and their influence or not on the structure of the topographies generated such as the shape of the pillars, the distance between pillars and the distribution of the pillars. It should be noted that the final nanostructure obtained is very different depending on the reagent used and the hydrolysis conditions, in particular its temperature, influencing the shape of the pillars, the distance between pillars and the distribution of the pillars. Durant les últimes dècades s'han desenvolupat biomaterials i bioceràmiques a base de fosfats de calci a Europa i a tot el món. Aquests biomaterials troben nombroses aplicacions en l'àmbit mèdic i en particular com a materials substitutius ossis en cirurgia ortopèdica i en cirurgia dental. Aquestes bioceràmiques s'han convertit en els materials bioactius més implantats pels seus nombrosos avantatges, com ara la seva analogia en la composició amb el mineral ossi, així com la seva capacitat d'unir-se químicament al teixit ossi i promoure la formació d'una interfície estable en contacte. Dotar aquests materials de propietats antibacterianes els faria encara més atractius del que són actualment. Cal destacar que interessar-se per l'estructura de les ales de cigales ha destacat la seva capacitat per matar bacteris únicament per l'acció mecànica dels seus nanopilars a la seva superfície. L'interès aquí és implantar aquests nanopilars en biomaterials per donar-los propietats antimicrobianes. Aquest projecte explora diverses estratègies per controlar la topografia generada a la superfície de la hidroxiapatita amb deficiència de calci (CDHA). Per tal d'entendre com modificar i controlar aquestes nanotopografies, s'han estudiat diferents paràmetres experimentals com la ruta de síntesi del fosfat tricálcic alfa (a alta temperatura o a baixa temperatura), el procés de mòlta o la temperatura d'hidròlisi. En aquest estudi, es van estudiar més particularment dos fosfats de calci: el fosfat de calci amorf i el fosfat de calci alfa sintetitzat a alta temperatura. La primera part detalla l'interès d'utilitzar els fosfats de calci com a biomaterial i la possibilitat de generar i implantar nanotopografies a la seva superfície. En un segon pas, es detallen les diferents etapes de síntesi d'hidroxiapatita deficient en calci i el fosfat de calci amorf, passant per l'etapa de síntesi del reactiu inicial: fosfat tricálcic alfa, etapa de mòlta i hidròlisi. L'última part del projecte se centra en els resultats de l'estudi. Els diferents paràmetres experimentals estudiats van permetre destacar la formació de diverses topografies i la seva influència o no en l'estructura de les topografies generades com la forma dels pilars, la distància entre pilars i la distribució dels pilars. Cal tenir en compte que la nanoestructura final obtinguda és molt diferent en funció del reactiu d'inici hidrolitzat, i que les condicions d'hidròlisi i en particular la temperatura tenen una influència important en la forma dels pilars, la distància entre pilars i la distribució dels pilars. Incoming

Incoming

Un dels materials més rellevants en les últimes dècades és la zircònia (ZrO2) degut a les seves excel·lents propietats mecàniques. Degut a les seves propietats, aquest material s’ha utilitzat àmpliament en aplicacions dentals i ortopèdiques. Avui en dia continua sent un material àmpliament estudiat, ja que es volen trobar noves maneres per millora l’osteointegració i prevenir els problemes relacionats amb la degradació hidrotèrmica. En aquest projecte final de grau (TFG), l’objectiu principal és aconseguir conformar un implant dental. S’ha intentat conformar amb tres materials base zircònia; 3Y-ZrO2, 12Ce-ZrO2 i un composite de 3Y/12Ce-ZrO2. Per tal d’aconseguir aquest objectiu s’han utilitzat dues tècniques, la impressió 3D, mitjançant la tècnica del Robocasting també coneguda com Direct Ink Writing (DIW), i el fresat. En el transcurs del TFG, s’ha hagut de caracteritzar la pols de partida, en termes de mida de gra i cristal·linitat, així com les propietats tant microestructurals com mecàniques mitjançant tècniques avançades de caracterització (com per exemple microscòpia electrònica de rastreig, difracció de rajos X, entre altres) dels diferents materials tant processats mitjançant tècniques de processat tradicional, Cold Isostatic Pressing (CIP) com mitjançant impressió 3D. Finalment, s’han investigat les propietats tant microestructurals com mecàniques en condicions de servei, per això les mostres han estat degradades hidrotèrmicament. La caracterització de la pols així com la seva cristal·linitat ha permès observar que els diferents materials d’estudi en aquest TFG poden ser impresos en 3D, i que les seves propietats mecàniques resultants no es veuen molt afectades en comparació amb les propietats obtingudes quan els materials han estat conformats mitjançant tècniques tradicionals. A més s’ha pogut comprovar com el material composite 85/15-ZrO2 no ha patit degradació hidrotèrmica en concordança amb el que hi ha reportat a la literatura. Pel que fa a la impressió d’implants,s’ha aconseguit imprimir l’implant amb diferents longituds, 24, 17 i 12 mm el qual implica un 600%, 400 % y 200% superior a l’original, respectivament; fet que posa de manifest que la tècnica emprada d’impressió 3D es una tècnica viable per a realitzar aquest tipus de geometria i, amb un control més precís de la pols de partida així com dels paràmetres d’impressió, es pot arribar a imprimir amb les mesures reals. Per contra, les tècniques de mecanitzat tradicionals no han donat els resultats esperats, ja que les eines usades s’han vist superades per l’alta duresa dels materials estudiats en aquest TFG. Uno de los materiales más relevantes en las últimas décadas es la circonia (ZrO2) debido a sus excelentes propiedades mecánicas. Debido a sus propiedades, este material se ha utilizado ampliamente en aplicaciones dentales y ortopédicas. Hoy en día continúa siendo un material ampliamente estudiado, puesto que se quiere encontrar nuevas maneras para mejorar la osteointegración y prevenir problemas relacionados con la degradación hidrotérmica. En este proyecto final de grado (TFG), el objetivo principal es conseguir conformar un implante dental. Se ha intentado conformar con tres materiales base circonia; 3Y-ZrO2, 12Ce-ZrO2 y un composite 3Y/12Ce-ZrO2. Para conseguir este objetivo se han utilizado dos técnicas, la impresión 3D, mediante la técnica del Robocasting también conocida como Direct Ink Writing (DIW), y el fresado. En el transcurso del TFG, se ha tenido que caracterizar el polvo de partida, en términos de tamaño de grano y cristalinidad, así como las propiedades tanto microestructurales como mecánicas mediante técnicas avanzadas de caracterización (como por ejemplo microscopia electrónica de barrido, difracción de rayos X, entre otros) de los diferentes materiales tanto procesados mediante técnicas de procesado tradicional, Cold Isostatic Pressing (CIP) como mediante impresión 3D. Finalmente, se han investigado las propiedades tanto microestructurales como mecánicas en condiciones de servicio, por eso las muestras han sido degradadas hidrotermalmente. La caracterización del polvo así como su cristalinidad ha permitido observar que los diferentes materiales estudiados en este TFG pueden ser imprimidos en 3D, y que sus propiedades mecánicas resultantes no se ven muy afectadas en comparación con las propiedades obtenidas cuando los materiales han sido conformados mediante técnicas tradicionales. Además, se ha podido comprobar como el material composite 85/15-ZrO2 no ha sufrido degradación hidrotérmica en concordancia con lo que hay reportado en la literatura. En cuanto a la impresión de implantes, se ha conseguido imprimir el implante con diferentes longitudes, 24, 17 y 12 mm lo cual implica un 600%, 400% y 200% de escalado respecto al tamaño original, respectivamente; hecho que pone de manifiesto que la técnica empleada de impresión 3D es una técnica viable para realizar este tipo de geometría y, con un control más preciso del polvo de partida así como de los parámetros de impresión, se puede llegar a imprimir con las medidas reales. Por el contrario, las técnicas de mecanizado tradicionales no han dado los resultados esperados, puesto que las herramientas usadas se han visto superadas por la alta dureza de los materiales estudiados en este TFG. One of the most important materials in the last decades is the zirconia (ZrO2) due to its excellent mechanical properties. Due to its properties, this material has been widely used in dental and orthopaedic applications. Nowadays it remains under investigation, as new ways are to be found to improve the osseointegration and prevent the issues related to the hydrothermal degradation. In this Bachelor’s degree project, the main objective is to achieve the shaping of a dental implant. Three zirconia-based materials have been used; 3Y-ZrO2, 12Ce-ZrO2 and a composite of 3Y/12Ce-ZrO2. To achieve this objective, two techniques have been used, 3D printing, using the Robocasting technique also known as Direct Ink Writing (DIW), and milling. In the course of this Bachelor’s degree project, it has been necessary to characterise the starting powders, in terms of grain size and crystallinity, as well as the microstructural and mechanical properties by means of advanced characterization techniques (such as scanning electron microscopy, X-Ray Diffraction, among others) of the different materials both processed by traditional processing techniques, Cold Isostatic Pressing (CIP) and 3D printing. Finally, both microstructural and mechanical properties have been investigated under service conditions, so the samples have been hydrothermally degraded. The characterization of the powder as well as its crystallinity has allowed to observe that the different materials studied in this Bachelor’s degree project can be 3D printed, and that their resulting mechanical properties are not much affected in comparison with the properties obtained when the materials have been made by traditional techniques. Furthermore, it has been verified that the 85/15- ZrO2 composite materials has not suffered hydrothermal degradation as accordance in the literature. As for the 3D printing of implants, it has been possible to print the implant with different lengths, 24, 17 and 12 mm, which implies 600%, 400% and 200% more than the original, respectively; this fact shows that the 3D printing technique used is a viable technique for this type of geometry and, with more precise control of the starting powder as well as the 3D printing parameters, it is possible to print with the real measurements. On the other hand, traditional machining techniques have not given the expected results, since the tools used have been overcome by the high hardness of the materials studied in this bachelor’s degree project.

Outgoing

The combination of the direct ink writing (DIW) manufacturing technique, also named robocasting, with the use of self-setting calcium phosphate inks based on α-tricalcium phosphate opens new possibilities in the field of bone regeneration: i) On one hand, the DIW fabrication process allows a precise control on the external shape and internal porosity of the scaffold. The porosity allows the colonization of the bone tissue and the shape control opens new perspectives in personalised medicine; ii) On the other hand, the use of self-setting α-TCP inks provide a micro/nano porosity and a high specific surface area (SSA) to the bone graft. Both factors have been identified as crucial for the bioactivity of the material. Since the fabrication time is a crucial factor for the successful translation of these technologies to the clinical field, and the hardening reaction of conventional self-setting inks is slow, recent investigations have developedan alternative setting procedure (hydrothermal) that considerably reduces the hardening step from 7 days to 30 minutes. Regarding the role of scaffold architecture in bone regeneration, it has been recently proved that the presence of concave surfaces enhances osteogenesis. However, since DIW is based on the extrusion of a paste through a needle, conventional DIW scaffolds are composed of extruded filaments with convex surfaces. Hence the interest in developing scaffolds with non-cylindrical strands, which have concave surfaces. The aim of this study was to assess the in-vivo performance of calcium phosphate scaffolds, analysing on one side the effect of the setting treatment, i.e., comparing the biomimetic setting with the hydrothermal setting treatment, and on the other side comparing cylindrical vs.non-cylindrical strands. The characterization of the scaffolds obtained with the two different treatments revealed that whereas the biomimetic treatment resulted in calcium deficient hydroxiapatatite (CDHA), the hydrothermal treatment led to the presence of small amounts of β-tricalcium phosphate. Biomimetic scaffolds consisted of plate-like crystals, with higher SSA and smaller microporosity than the hydrothermal scaffolds, made of needle-like crystals. The geometry of the strands(i.e. cylindrical vs non-cylindrical)did not havean influence on the material composition, microstructure and global porosity, but they did have an impact on the mechanical properties,with lower ultimate compressive strength for the structures with non-cylindrical strands. The scaffolds were implanted in the femoral condyles of 10 adult female New Zeeland rabbits and explanted after 8 weeks. The samples were embedded in resin and characterised by micro-computed tomography, scanning electron microscopy and optical microscopy afterGolden-Mason trichrome staining. All the samples presented the formation of new mature lamellar bone and a successful osteointegration. No statistically significant differences were observed between the samples studied in terms of the amount of newly formed bone, quantified from the SEM observation.Micro-CT allowed the assessment of bone formation in 3D, although difficulties related to image processing prevented the volumetric quantification that might have revealed significant differences. However, a clear tendency was found for new bone formation in constrained microenvironments, such as the contact zone between two strands or the concavities present in the non-cylindrical condition. Further data analysis will have to be carried out to assess the differences in the different sample conditions. Incoming

Due to the increase of bone diseases caused by the ever-aging population, new biomaterials destined for bone regeneration need to be developed. New methods, such as robocasting are gaining interest as they allow printing of self-setting calcium phosphate (CaP) scaffolds. The control of the architecture by robocasting together with the control of composition using CaPhave resulted in the development of materials very similar to the structure and composition of natural bone. However, the mineral phase in bone is a calcium phosphate (hydroxyapatite) enriched with many ionic substitutions fundamental for bone growth. This project will focus on the incorporation of four different ions (Mg, Sr, Zn and Si) in hydroxyapatite scaffolds produced by robocasting. The incorporation of these ions is explored using two strategies, by incorporating the ion of interest during a post-printing treatment and by incorporation the ion of interest directly in the ink formulation. Different characterization techniques have been used to determine ion incorporation: X-ray powder diffraction, elemental analysis by energy-dispersive X-ray, Raman spectroscopy and electron diffraction by transmission electron microscopy (TEM). Among them, the most successful technique has been TEM. The results show that, in general, ion doping post printing is more successful than changing the ink formulation. In addition, ion concentration had a strong effect on scaffold purity and the degree of ion-doping.

La esperanza de vida del ser humano ha aumentado considerablemente a lo largo de los años y esto requiere del aumento en la durabilidad de los materiales implantables con el fin de sustituirlos el menor número de veces posibles a lo largo de la vida del individuo. Esto motiva una línea de investigación científica basada en el proceso de recubrir el titanio utilizado para prótesis de cadera e implantes dentales con hidroxiapatita, el material que forma la parte mineral del hueso. En esta línea se basa el siguiente TFG con el objetivo de modificar superficialmente una lámina de Ti6Al-7Nb con el fin de inducir rugosidad sobre la misma. Esta modificación superficial se lleva a cabo mediante dos técnicas diferentes, una técnica mecánica (desbaste) y otra térmica (ablación láser). Posteriormente, se recubre dicha superficie mediante la tecnología de deposición térmica por plasma atmosférico y posteriormente se caracteriza microestructuralmente y se ensaya el conjunto recubrimiento/sustrato con el fin de conocer qué sustrato proporciona una mayor resistencia a la adherencia. Este proceso permite llegar a la conclusión, de que es necesaria una rugosidad de alrededor de 60 µm para poder conseguir unos resultados aceptables. L'esperança de vida de l'ésser humà ha augmentat considerablement al llarg dels anys i això requereix de l'augment en la durabilitat dels materials implantables amb la finalitat de substituir-los el menor nombre de vegades possibles al llarg de la vida de l'individu. Això motiva una línia de recerca científica basada en el procés de recobrir el titani utilitzat per a pròtesi de maluc i implants dentals amb hidroxiapatita, el material que forma la part mineral de l'os. En aquesta línia es basa el següent TFG amb l'objectiu de modificar superficialment una làmina de Ti6Al-*7Nb amb la finalitat d'induir rugositat sobre aquesta. Aquesta modificació superficial es duu a terme mitjançant dues tècniques diferents, una tècnica mecànica (desbastament) i una altra tèrmica (ablació làser). Posteriorment, es recobreix aquesta superfície mitjançant la tecnologia de deposició tèrmica per plasma atmosfèric i posteriorment es caracteritza microestructuralment i s'assaja el conjunt recobriment/substrat amb la finalitat de conèixer quin substrat proporciona una major resistència a l'adherència. Aquest procés permet arribar a la conclusió, que és necessària una rugositat al voltant de 60 µm per a poder aconseguir uns resultats acceptables. Human life expectancy has increased considerably over the years and this requires an increase in the durability of implantable materials in order to replace them as few times as possible throughout the individual's life. This motivates a line of scientific research based on the process of coating the titanium used for hip prostheses and dental implants with hydroxyapatite, the material that forms the mineral part of bone. The following TFG is based on this line with the aim of superficially modifying a Ti-6Al-7Nb sheet in order to induce roughness on it. This surface modification is carried out using two different techniques, a mechanical technique (grinding) and a thermal technique (laser ablation). Subsequently, said surface is coated using atmospheric plasma thermal deposition technology and subsequently it is microstructurally characterized and the coating/substrate assembly is tested in order to know which substrate provides greater resistance to adhesion. This process allows us to reach the conclusion that a roughness of around 60 µm is necessary to achieve acceptable results.

Bone is the most transplanted tissue after blood. As pointed out by the World Health Organization, musculoskeletal diseases can potentially rise as the fourth largest cause of disability within the next years. Unfortunately, despite the natural ability of bone to self-heal it cannot bridge large bone defects without the help of a material. Still today the gold standard to restore bone function remains the use of natural bone grafts. However, they have several limitations that need to be overcome to accommodate the high demands of a global ageing population. Calcium phosphate (CaP) bone grafts have been known since the 1970s and stand as excellent synthetic candidates due to their composition, similar to the mineral phase of bone which consists of approximately 70 wt% of hydroxyapatite (HA). CaPs, and in particular HA, possess outstanding intrinsic properties such as biocompatibility, bioactivity and the ability to support bone growth. However, HA is too stable and once implanted it hardly degrades. Ideal synthetic bone grafts should integrate in the bone remodelling cycle, balancing implant resorption with its progressive replacement by new bone. This can be achieved either by modulating the material¿s physicochemical properties, or by combining the substrate with biological molecules capable of adequately orchestrating the various cells involved in the bone healing process. The present thesis seeks to explore, on the one hand, the feasibility of modulating the physicochemical properties of CaPs towards improving its degradation behavior, and, on the other hand, to investigate the potential CaP functionalization with heparin as a strategy to improve their biological performance at the various stages of bone healing: during the initial phase of inflammation, and during the stages of bone resorption and bone growth. The first part of the present thesis deals with the in vitro degradation of CaPs in a solution mimicking the osteoclastic environment, focusing specifically on the effect of some properties like porosity, specific surface area, microstructure and composition. The interrelation of all these parameters sometimes masks the relative importance of textural over compositional features, making difficult the prediction of their degradation behavior. Additionally, part of the work explores different strategies to incorporate carbonate ions in the crystal structure of HA as a route to obtain materials that more closely mimic natural bone. To further mimic the biological environment of bone, the second part of the thesis is focused on grafting heparin, a highly sulfated glycosaminoglycan present in the bone extracellular matrix, to CaPs. The affinity of heparin for growth factors (GF) makes this molecule an excellent candidate to capture endogenous GF bringing many benefits in the regulation of cell behavior. It is hypothesized that heparin, given its anti-inflammatory role, together with the known involvement in osteoblasts differentiation (bone forming cells) and osteoclastogenesis (bone resorbing cells formation) could enhance the biological performance of synthetic bone grafts. To this aim, CaPs were heparinized and their biological performance was assessed using human immune system cells, bone forming cells and bone resorbing cells, in an attempt to elucidate the synergies of both immune cells and cells of the skeletal system., L'os és el teixit més trasplantats desprès de la sang. L'organització Mundial de la Salut ha posat de relleu l'increment de les malalties musculoesquelètiques, les quals esdevindran la quarta causa mundial de discapacitat en el següents anys. Malgrat la capacitat natural de l'ós per autoregenerar-se, els defectes ossis de grans dimensions necessiten l'ajuda de materials per restaurar-se completament. Actualment, l'ús d'empelts naturals és l'alternativa més emprada clínicament. Tot i això, els autoempelts comporten certes limitacions que requereixen ser adreçades per tal de fer front a les elevades demandes d'una població mundial amb un grau d'envelliment creixent. Els empelts basats en fosfats càlcics (CaPs) són coneguts des de la dècada del 1970 i són uns excel·lents candidats per a la regeneració òssia donada la seva composició, similar a la fase mineral de l'os, que consisteix en aproximadament un 70% d'hidroxiapatita (HA). Els CaPs, en particular l'HA, posseeixen unes propietats intrínseques excepcionals com ara la biocompatibilitat, bioactivitat o la capacitat de suportar el creixement de nou os. Malgrat la seva semblança amb l'os, l'HA és massa estable químicament, i un cop implantada es degrada molt lentament. L'empelt ossi sintètic idealment s'hauria d'integrar en el cicle de remodelació òssia, el que requereix d'un balanç entre la seva reabsorció i la progressiva substitució per os nou. Aquesta capacitat es pot modular mitjançant propietats inherents del material o per mitjà de la combinació de substrats amb molècules capaces d'orquestrar adequadament les respostes de les diverses cèl·lules implicades en la restauració o regeneració òssia. La present tesis cerca explorar, per una banda, la possibilitat de modular les propietats físico-químiques dels CaPs per tal de millorar la seva degradació, així com investigar el potencial de funcionalitzar els CaPs amb heparina, amb la finalitat de millorar les interaccions biològiques a les diferents etapes de la restauració òssia, tant durant la primera etapa inflamatòria, com durant la resorció i el creixement d'os nou. Concretament, la primera part de la present tesi explora la manera en què la modificació de propietats com la porositat, la superfície específica, la microestructura o la composició dels CaPs pot ser emprada per regular la degradació d'aquests materials en una solució acídica similar a l'emprada pels osteoclasts durant la resorció òssia. La interrelació de totes aquestes propietats emmascara de vegades la importància relativa de les propietats texturals, molt lligades a les composicionals, dificultant la predicció dels nivells de degradació dels materials depenent de cada propietat. Per tal de mimetitzar encara més la composició de l'os, s'estudiarà també diferents estratègies per incorporar ions carbonat en l'estructura cristal·lina de l'HA. El segon bloc de la tesi explora la funcionalització dels CaPs amb heparina, un tipus de glicosaminoglicà altament sulfonat present en la matriu extracel·lular de l'os. L'afinitat de l'heparina per captar factors de creixement fan d'aquesta molècula un candidat excel·lent per capturar factors de creixement endògens capaços de regular la resposta cel·lular. Així doncs, partint de les propietats anti-inflamatòries de l'heparina, i de la seva implicació en els processos d'osteogènesi i osteoclastogènesi s'ha formulat la hipòtesi de que aquesta biomolècula podria contribuir a millorar les prestacions dels empelts ossis sintètics. Amb aquest objectiu, s'ha posat a punt un procés d'heparinització de CaPs i s'ha avaluat el seu efecte sobre la resposta de cèl·lules humanes del sistema immune, cèl·lules osteogèniques i osteoclàstiques, per tal d'escatir les possibles sinèrgies de tots dos sistemes, l'immune i l'ossi en la regeneració.

From a chemical and structural point of view, hydroxyapatite (HA) is a strong candidate in biomedical applications owing to its similarity to the inorganic components of bones and teeth. HA nanoparticles (NPs) as colloidal suspensions are becoming a popular tool in biomedical applications such as gene/drug delivery, bio-imaging etc. Although it is widely acknowledged that ionic substitutions on bulk HA substrates have a strong impact on their biological performance, little is known of their effect on NPs with potential use in gene transfection or drug delivery. In the third chapter carbonate (CO3) and magnesium (Mg) ions, which are the major substitutions in biological apatite, have been explored in the synthesis of ion-doped HA NPs under similar reaction conditions to allow comparison of results. CO3 and Mg ion were incorporated in the crystal lattice of HA and caused various changes mainly in the morphology and solubility of the different nanoparticles. In addition, the impact of ion doping on the interaction of HA NPs with cells was also evaluated under various cell culture conditions: 1) performing the cell culture study on citrate-dispersed NPs and on agglomerated NPs, 2) adding/excluding 10 % of foetal bovine serum (FBS) in the cell culture media and 3) using different types of cells, i.e. osteosarcoma MG-63 cells versus rat mesenchymal stem cells (rMSCs). The in vitro results indicated that Mg-doped HA NPs induced a profound impact on MG63 cells and, in the absence of citrate and FBS these nanoparticles were clearly cytotoxic. However, Mg-doped HA NPs did not alter cell viability in rMSCs under the same conditions. In the fourth chapter, Sr, Zn, Si and Fe(III) ions, which are minor ionic substitutions in biological apatite, were introduced to synthesize additional ion-doped HA NPs. Physicochemical characterization demonstrated that as-synthesized NPs were phase pure and doped ions had little influence on the morphology of NPs as in all cases they kept needle-like structure. Cytotoxicity studies performed using MG63 and rMSCs cells under the conditions of serum-containing and serum-free indicated that all NPs were non-cytotoxic if FBS was present. Interestingly, Zn-doped and Fe-doped HA NPs clearly stimulated MG63 cell proliferation in the absence of FBS. In addition to exploring the effect of ion-doped HA NPs on cell behaviour, it was also the interest of this thesis to investigate calcium phosphate (CaP) mineralization in the presence of organic molecules and also doping ions. In the fifth chapter of this thesis the effect of various organic molecules on CaP precipitation is provided. As shown by transmission electron microscopic studies (TEM) neuron-like CaP structures could be created using organic molecules of diverse nature such as non-ionic surfactant (Tween 80), anionic polymers (sodium polyacrylate) and cationic polymers (polydiallyldimethylammonium chloride). TEM studies through EELS, EFTEM and SAED proved that the neuron-like structures consisting of a dense core and thin filaments surrounding it had calcium, phosphorous and oxygen evenly distributed throughout the dense core as well as the filaments, and were amorphous in nature. Additionally, the co-effect of inorganic additives (i.e. Mg and Sr) together with organic molecules on CaP was also evaluated. It was proved that the addition of small amounts of ions had diverse impact on the stability of the neuron-like structures Mg clearly disrupting them but not Sr. All the findings with organic molecules provide much inspiration not only for the synthesis of more advanced CaP materials with novel structures and useful properties, but also for a better understanding of biomineralization process in nature., Desde el punto de vista químico y estructural la hidroxiapatita (HA) se considera un gran candidato para aplicaciones biomédicas por su similitud con la fase mineral del hueso y los dientes. Aunque el efecto del dopaje se ha investigado con detalle en la fabricación de implantes viéndose que su presencia tiene un gran impacto en el comportamiento celular, poco se sabe de su efecto en nanopartículas para su uso en terapia génica y liberación de fármacos. En concreto, el tercer capítulo se centra en el dopaje de la apatita con iones carbonato (CO3) y magnesio (Mg) por ser éstas las sustituciones más importantes en la apatita biológica. Para ello todas las reacciones de síntesis se realizan bajo las mismas condiciones con la finalidad de poder comparar resultados. Los resultados muestran que ambas sustituciones acaban incorporando los iones dentro de la estructura del cristal causando diferentes impactos principalmente a nivel de morfología y solubilidad. Con respecto al impacto del dopaje en la caracterización celular, se llevaron a cabo diferentes ensayos: 1) utilizando suspensiones dispersadas con citrato o sin él, 2) en medio de cultivo con o sin 10 % v/v de suero fetal bovino y 3) utilizando dos tipos de células diferentes, células de osteosarcoma (MG63) y células de rata mesenquimales (rMSCs). Los resultados in vitro mostraron que las nanopartículas dopadas con Mg eran claramente citotóxicas a las células MG63 en ausencia de FBS. Sin embargo, las mismas NPs no alteraron la viabilidad celular en rMSCs bajo las mismas condiciones. El capítulo cuarto se centra en la síntesis y caracterización de NPs dopadas con iones Sr, Zn, Si y Fe(III), que representan sustituciones minoritarias en la apatita biológica. Su caracterización fisicoquímica mostró que todas las NPs eran puras con morfología acicular. Los estudios de citotoxicidad con células MG63 y rMSCs, con y sin FBS, mostraron viabilidad en presencia de FBS para todas las NPs. Además, para las NPs dopadas con Zn y Fe se observó un aumento notable en la proliferación celular para las MG63 cultivadas sin FBS. Además de explorar el efecto del dopaje de iones en NP de HA, otro campo de interés en esta tesis ha sido investigar la mineralización de fosfatos de calcio (CaP) en presencia de moléculas orgánicas y de diferentes iones. A través de estudios recientes en el grupo de investigación se ha visto que es posible formar fosfatos de calcio con estructura neuronal con la ayuda de simples moléculas orgánicas. En el quinto capítulo de esta tesis se estudia el efecto de varias moléculas orgánicas en la precipitación de CaP. Estudios por microscopia electrónica de transmisión (TEM) revelaron la presencia de estas estructuras neuronales formadas con la ayuda de moléculas orgánicas de diferente naturaleza: surfactante no iónicos (Tween 80), polímeros aniónicos (poliacrilato sódico) y políremos catiónicos (cloruro de polidialildimetilamonio). Varios estudios por TEM como son EELS, EFTEM y SAED permitieron establecer que las estructuras neuronales consistían de un núcleo denso del cual se extendía una red de filamentos, que en estas estructuras el calcio, fósforo y oxígeno estaba homogéneamente distribuido y que eran de naturaleza amorfa. Además se investigó el efecto simultáneo de añadir aditivos inorgánicos (iones Mg i Sr) junto con moléculas orgánicas. Se observó que la adición de pequeñas cantidades de iones afectaba la estabilidad de las estructuras neuronales. Con Mg las estructuras no eran estables pero sí con Sr. Estos estudios pueden ser fuente no sólo de inspiración en la síntesis de estructuras más avanzadas y con propiedades notablemente diferentes, sino que además proporcionan un mejor conocimiento de los procesos de biomineralización.

The geometry, arrangement and size of the topographic elements of the surface of a biomaterial has a very important impact on bacterial adhesion. This project aims to investigate the effect of nano and microtopography of calcium phosphate substrates on the adhesion of bacteria. Incoming