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Strontium plays an important role in bone regeneration; it promotes the differentiation and maturation of os-teoblasts and inhibits the activity of osteoclasts. Our principal objective in this study was to formulate new organic-inorganic hybrid sol-gel coatings applied to titanium discs. These coatings were functionalised with different amounts of SrCl2 and examined using in vitro tests and proteomics. The chemical and morphological characteristics of obtained coatings were scrutinised. The in vitro evaluation using the MC3T3-E1 osteoblasts and RAW264.7 macrophages showed the osteogenic and anti-inflammatory effects of strontium doping. The prote-omic assay identified 111 different proteins adhering to the coatings. Six of these proteins reduced their adhesion affinity as a result of Sr-doping, whereas 40 showed increased affinity. Moreover, the proteomic analysis revealed osteogenic and anti-inflammatory properties of these biomaterials. The analysis also showed increased adhesion of proteins related to the coagulation system. We can conclude that proteomic methods are invaluable in developing new biomaterials and represent an important tool for predicting the biocompatibility of dental implants. The work was supported by MICIU [RTC-2017-6147-1], MINECO [PID2020-113092RB-C21], Generalitat Valenciana [APOSTD/2020/036, PROMETEO/2020/069], Basque Government [PRE_2016_1_0141] and Universitat Jaume I [UJI-B2021-25]. The authors would like to thank the company GMI-Ilerimplant for producing the titanium discs.

332 p. Uno de los desafíos en la investigación de materiales consiste en desarrollar materiales y/o superficies que incrementen la tasa de éxito de los implantes dentales, pudiendo además recortar los tiempos de recuperación de la funcionalidad, así como su universalización. Para ello, promover el proceso de osteointegración del implante es la mejor solución, siendo una de las opciones más interesantes la modificación de las superficies metálicas mediante recubrimientos biofuncionales, obtenidos vía sol-gel.En esta tesis doctoral se han planteado diferentes vías de actuación que se complementan entre sí:- Desarrollo de nuevos recubrimientos con adición de sales de estroncio y de calcio sobre el recubrimiento base que actúa como vehículo de liberación controlada.- Caracterización de las propiedades fisicoquímicas, así como de la biocompatibilidad (mediante proteómica y experimentación in vitro e in vivo) de cada uno de los recubrimientos desarrollados.- Establecimiento de correlaciones entre los patrones de proteínas adheridas al biomaterial y los respectivos patrones biológicos in vitro, para establecer biomarcadores proteínicos capaces de anticipar la respuesta del material in vivo.Así, además de desarrollar recubrimientos que promuevan la osteointegración, el trabajo de esta tesis doctoral ha permitido predecir el comportamiento in vivo de los biomateriales, mediante la identificación de las proteínas

149 p. La liberación controlada de fármacos es una de las aplicaciones más atractivas del uso de los nanomateriales en la biomedicina puesto que el hecho de transportar un agente terapéutico de forma controlada a un órgano o tejido concreto minimiza posibles efectos adversos que ese agente pueda tener sobre tejidos sanos.A pesar de los esfuerzos, la traslación de los nanomateriales a la medicina es limitada. Los nanomateriales pueden sufrir transformaciones durante su circulación y en los diferentes procesos de translocación a nivel de tejido, órgano o células que conducen a su agregación, degradación o pérdida de integridad, lo cual compromete su eficacia terapéutica.En esta tesis, nos hemos propuesto avanzar en la comprensión de las propiedades físico-químicas y la transformación de nanomateriales en el ambiente celular y en medios biológicos relevantes. Se ha trabajado con diferentes nanomateriales como hidrogeles, nanopartículas metálicas modificadas con cepillos poliméricos, nanopartículas de oro y nanopartículas poliméricas supramoleculares. Cada material considerado, nos permite resolver diferentes aspectos de la interacción de los nanomateriales con el ambiente celular. Para ello se han utilizado técnicas como microscopía confocal, microscopía confocal Raman, resonancia magnética nuclear de lapso de tiempo, espectroscopia de fluorescencia de correlación o espectroscopia de fluorescencia de correlación cruzada. CIC biomaGUNE; Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas (INIFTA) Argentina; Surflay Nanotec Berlin; Universität Leipzig Institut für Midizinische Physik und Biophysik, Leipzig; NanoBioMedical Centre, Adam Mickiewicz University, Poznań, Poland

235 p. En mi tesis, he combinado conceptos sobre catálisis junto con las destacadas propiedades fotofísicas yfotoquímicas de las flavinas para abordar las limitaciones de la fotoquimioterapia con metales. Estaslimitaciones están asociadas con las pobres propiedades de absorción de los complejos metálicos,especialmentelos compuestos de PtIV. Los complejos metálicos son típicamente considerados comocatalizadores, los cuales convierten sustratos en compuestos más valiosos, mientras que aquí, empleo demanera poco convencional las flavinas como fotocatalizadores para activar profármacos con metalesque actúan como sustratos. Esta aplicación sin precendentes consigue la activación fotocatalítica de loscomplejos de PtIV y RuII-areno con gran eficiencia y selectividad, incluso en ambiente biológico. CICbiomaGUNE

184 p. Cada vez hay más cepas bacterianas resistentes a antibióticos y su presencia en entornos médicos supone un riesgo cuando los pacientes son sometidos a una intervención quirúrgica. Cuando una persona es sometida a una cirugía para la sustitución de un hueso por un implante hay riesgo de desarrollar una infección nosocomial y no conseguir una buena osteointegración del implante. En estos casos, es necesario realizar una segunda cirugía para evitar la proliferación de la infección en la zona donde se sitúa el implante, siendo necesaria su sustitución.En la actualidad, para evitar infecciones se suministran antibióticos oralmente; su mayor desventaja es que la concentración que llega a la zona deseada, en este caso el implante, es baja, y en muchos casos no es lo suficientemente alta para evitar la proliferación bacteriana. En este marco surge la necesidad de desarrollar recubrimientos antibacterianos efectivos. Hay dos rutas principales para conseguir una buena osteointegración del implante; (I) evitar la proliferación bacteriana empleando superficies antibacterianas, esta sería la forma más directa, y (II) se puede evitar de una manera indirecta la infección mejorando la adhesión de pre-osteoblastos al implante, lo que hará que se forme la cápsula protectora más rápidamente evitando así la proliferación bacteriana y consiguiendo una rápida proliferación y diferenciación celular.Esta tesis presenta diferentes métodos de funcionalización de películas de titania mesoporosa mediante el uso de antibióticos y factores de crecimiento. Es posible incorporar antibióticos directamente, por inmersión, o también se pueden formar complejos con el antibiótico y ensamblar una película basada en multicapas de polielectrolitos (PEM, por sus siglas en inglés). Los iones bioactivos pueden estimular procesos celulares como la proliferación y diferenciación en pre-osteoblastos. Estos iones se pueden incorporar a la matriz de titania o complejarse en las paredes de la película mesoporosa que se ha funcionalizado previamente con grupos carboxilo. En el Capítulo 1, se utilizan películas mesosporosas de titania para encapsular y liberar controladamente gentamicina. La superficie mesoporosa se funcionaliza con la proteína morfogenética ósea recombinante humana 2 (rhBMP-2, por sus siglas en inglés). La gentamicina es un antibiótico de amplio espectro que se emplea en infecciones seriasque han podido ser causadas tanto por bacterias gram negativas como positivas; como P. aureginosa, E. coli o citrobacter, Estreptococos o Estafilococos. La gentamicina es un aminoglucósido y por tanto su mecanismo de acción consiste en unirse al ARN ribosomal de la subunidad 30S de los ribosomas bacterianos, interfiriendo así en la síntesis proteica. La rhBMP-2 es una proteína ósea, y se ha demostrado que promueve la formación ósea y se emplea para reconstruir defectos óseos patológicos. Las películas se sintetizan mediante recubrimiento por centrifugación sobre cubreobjetos de vidrio a través del método de autoensamblaje inducido por evaporación (EISA, por sus siglas en inglés). La película obtenida tiene un espesor de 80 nm con poros de 5.7 nm de diámetro conectados por cuellos de 4.2 nm de diámetro. Muestran una porosidad del 30.7 %, obtenida por Porosimetría Elipsométrica Ambiental (EEP, por sus siglas en inglés). El módulo de elasticidad de las películas se midió por nanoindentación, resultando tener un valor de 25,5 ± 5 GPa, lo que hace que la superficie sea óptima para su uso en implantes óseos. A pesar de que las superficies de titania densa muestran un módulo de elasticidad en el rango de 100 a 120 GPa, mayor que el de películas mesoporosas de titania, el módulo elástico del hueso varía entre 4 y 30 GPa, donde se encuentra el valor de las películas mesoporosas.La gentamicina se incorpora en los poros por inmersión, mientras que la rhBMP-2 se adsorbe electrostáticamente sobre la superficie de la película. Mediante medidas de ángulo de contacto y Espectroscopía Fotoelectrónica de Rayos-X (XPS, por sus siglas en inglés) se prueba la presencia de gentamicina y rhBMP-2. Se observa que la liberación de la gentamicina del interior de los poros de la película ocurre en dos fases; al inicio un 36 % de la gentamicina encapsulada se libera rápidamente, seguida por una segunda fase que ocurre más prolongadamente y que dura semanas. Este perfil de liberación resulta óptimo en implantes óseos donde es necesaria una alta concentración de antibiótico durante la cirugía y en las horas posteriores, viéndose necesaria su disminución cuando el tejido óseo se está formando. Las películas en base a titania funcionalizadas con gentamicina y rhBMP-2 han resultado ser eficaces contra la colonización por S. aureus. Cuando se sembraron 1,000 unidades formadoras de colonias (UFC), éstas no proliferaron, demostrando la eficacia de la gentamicina que se libera del interior poroso de la película. La presencia de rhBMP-2 mejora la adhesión celular, evaluada con la líneacelular pre-osteoblástica MC3T3-E1, lo que contrarresta el efecto que la gentamicina tiene en la proliferación y diferenciación celular. Después de 10 días de cultivo en medio osteogénico la diferenciación celular es el doble si se compara con películas mesporosas no funcionalizadas. En el Capítulo 2, se fabrican multicapas en base a poli-L-lisina (PLL) y complejos de ácido poli(acrílico) (PAA) y gentamicina mediante la técnica de ensamblado capa por capa (LbL, por sus siglas en inglés). La técnica LbL consiste en la adsorción sucesiva de polielectrolitos con carga opuesta mediante interacciones electrostáticas. La multicapa se fabrica sobre películas mesoporosas de titania. Los complejos se preparan mezclando PAA y gentamicina en 500 mM NaCl a pH 4.5 con el objetivo de obtener complejos de tamaño estable. Se necesitan aproximadamente 2 h para fabricar la multicapa, y los complejos se estabilizan durante 2 h, después de mezclar el PAA con la gentamicina. Una vez han transcurrido estas 2 h se comienza a fabricar la multicapa. El tamaño de los complejos se mantiene estable durante la formación de la multicapa con un tamaño alrededor de 300 nm de diámetro. El ensamblado del PLL y los complejos sigue un crecimiento exponencial, observado cuando el ensamblado es monitoreado en la Microbalanza de Cristal de Cuarzo con monitoreo de la disipación (QCM-D, por sus siglas en ingles), permitiendo una alta carga de gentamicina en una PEM de únicamente 4 capas. Las imágenes de Microscopía Electrónica de Barrido (SEM, por sus siglas en ingles) y Microscopía de Fuerza Atómica (AFM, por sus siglas en inglés) demuestran que la superficie del ensamblado es irregular, lo que unido al crecimiento exponencial observado por QCM-D, da lugar a asociar este tipo de crecimiento a un crecimiento por ¿islas¿ descrito previamente en otros trabajos. Hasta pH 13 la PEM es estable, sin embargo, a pH fisiológico la gentamicina se libera. El 48 % de la gentamicina total es liberada en las 6 primeras horas, dando lugar después a una liberación paulatina del 80 % que dura más de un mes.Para estudiar la actividad de la gentamicina liberada de la multicapa se siembran 1,000 UFC de S. aureus sobre las multicapas y sobre los sustratos control, que consisten en cubreobjetos de vidrio sumergidos en gentamicina. Se incuban las bacterias durante 24 h y posteriormente se despegan las que se han adherido y se siembran sobre placas de agar, para proceder al conteo visual de las UFC después de dejarlas crecer una noche(aproximadamente 18 h). Las multicapas sintetizadas son eficaces para prevenir la proliferación de la S. aureus, en comparación con el control, la cantidad de bacterias que crecen sobre la multicapa son 3 órdenes de magnitud inferior. En el Capítulo 3, se preparan películas mesoporosas de titanato de estroncio (SrTiMFs) con un 30 % de volumen poroso y un contenido molar de estroncio (Sr) del 20 %. Las películas presentan un diámetro de poro de 5,5 nm conectados por cuellos de 3,2 nm y tienen un espesor de 85 nm. Los SrTiMFs muestran una gran área superficial interna disponible para el intercambio de Sr. Los espectros obtenidos en diferentes zonas de la película por Microscopía Electrónica de Barrido por Transmisión (STEM, por sus siglas en inglés) han demostrado que el Sr se encuentra distribuido homogéneamente en la estructura de titania y no se observan agregados o islas de Sr. La liberación del estroncio se monitorea mediante mediciones de Espectrometría de Masas de Plasma Acoplado Inductivamente (ICP-MS, por sus siglas en inglés). Los resultados indican que en las 8 primeras horas el 44 % del Sr que contenía la película es liberado al medio celular. Después de las 8 horas, se observa que más Sr se libera, pero en cantidades inferiores, y debido a que no se ha liberado el 100 % se espera que haya una liberación más lenta y paulatina. Los SrTiMFs mejoran la adhesión de pre-osteoblastos mostrando una mayor filopodia, se observa que las células están más alargadas, si se compara con células cultivadas sobre sustratos de titania que no contienen estroncio. Las tasas de proliferación y diferenciación celular también mejoran gracias a la presencia de estroncio. En general, la incorporación de Sr en los recubrimientos de titania mesoporosa puede dar lugar a una más pronta osteointegración en las etapas tempranas de formación de tejido óseo. En el segundo día, la proliferación celular es en un 64% mayor, comparada con la proliferación celular sobre sustratos sin estroncio, y la actividad de la alcalina fosfatasa también es mayor después del quinto día de cultivo en medio osteogénico. En el Capítulo 4, se sintetizan películas híbridas de sílice inorgánica-orgánica mesoporosa y de titania con grupos funcionales de ácido carboxílico covalentemente unido a las paredes de los poros. Las películas de sílice se fabrican en un solo paso utilizando alcoxisilanos derivados de ácidos carboxílicos obtenidos mediante la reacción clic de adición radicalaria tiol-eno iniciada fotoquímicamente (PRTEA, por sus siglas en inglés).Los organosilanos se preparan mediante una reacción clic entre tioácidos mercaptosuccínicos (MSA, por sus siglas en inglés) o mercaptoacéticos (MAA, por sus siglas en inglés) y el viniltrimetoxisilano (VTMS, por sus siglas en inglés). Las películas se sintetizan mediante EISA a partir de una solución que contiene una mezcla de tetraetoxisilano y diferentes cantidades de organosilanos. Las películas de titania se obtienen en dos pasos; el sol se prepara mezclando VTMS y el precursor de Ti, y después de la síntesis de la película, se somete la película a una reacción fotoquímica con MSA para incorporar los grupos carboxilo en la superficie porosa de la película. Las películas se caracterizan mediante microscopía electrónica, mediciones de porosimetría y Dispersión de Rayos-X de Ángulo Pequeño con detección bidimensional (2D-SAXS, por sus siglas en inglés). El grado de ordenamiento de las películas de sílice depende de la cantidad de organosilano agregado en la síntesis. La incorporación de los grupos vinilo y carboxilo funcionales se muestra mediante XPS, y la presencia de los grupos COOH se confirma mediante Espectroscopia de Transformada de Fourier de Infrarrojo por Reflectancia Difusa (DRIFTS, por sus siglas en inglés). La disponibilidad de los grupos COOH para la modificación química se demuestra mediante DRIFTS siguiendo los cambios en las bandas IR típicas de carbonilo durante el intercambio de protones y la complejación de metales. Para películas de sílice se estudia la complejación de Pb2 +, y para películas de titania Sr2 +. La liberación del estroncio se estudia por ICP-MS, mostrando una liberación prolongada de Sr que dura una semana, beneficiando así los procesos de diferenciación y proliferación de pre-osteoblastos. Se observa una mejora en la proliferación a 3 día de cultivo y la diferenciación celular se mejora después de 15 días de cultivo en medio osteogénico. Estos resultados se obtienen comparando con la proliferación y la diferenciación celular sobre películas de titania mesoporosa sumergidos en SrCl2. Este capítulo muestra la posibilidad de sintetizar películas mesoporosas con grupos funcionales disponibles para la complejación de iones bioactivos, como pueden ser el magnesio o el calcio, que también ayudan en procesos celulares relacionados con la regeneración de hueso. En general, se ha demostrado la versatilidad de las películas mesoporosas de titania para mejorar la osteointegración y evitar la proliferación bacteriana. Los materialesmesoporosos son muy versátiles siendo posible modificar la estructura mesoporosa y la orientación de los poros cambiando el surfactante empleado para la síntesis. También se puede modificar el espesor cambiando los parámetros de velocidad de centrifugación o inmersión y, por último, también es posible sintetizar películas híbridas mesoporosas, pudiendo obtenerse así películas con diversas funcionalidades. Modificando la síntesis de las películas mesoporosas, varía la concentración de moléculas que quedan atrapadas en el interior de la estructura porosa. Además, el área superficial interna disponible para el intercambio iónico también se puede ampliar. CICbiomaGUNE CNEA: Comisión Nacional de Energía Atómica University of Greifswald

232 p., El uso de implantes dentales en odontología está tan extendido hoy en día, que ya nadie discute su relevancia. Su tasa de éxitos es elevada (debido al criterio de selección de pacientes), si bien un porcentaje cercano al 10% de los implantes debe ser eliminado, por problemas de osteointegración, o por la aparición de infecciones, considerándose esto último hoy en día, la principal causa del fallo de los implantes dentales. Sin embargo, una gran parte de la investigación destinada a evitar el fallo de los implantes está dirigida hacia el diseño de los tornillos. En esta tesis se plantea como innovación fundamental el recubrimiento de las prótesis con un material que proporcione un triple objetivo: la protección antimicrobiana a largo y corto plazo y una alta osteoinducción. Los silicatos obtenidos vía sol-gel suponen una de las alternativas más interesantes ya que combinan una serie importante de ventajas; los materiales pueden ser biorreabsorbibles en mayor o menor grado, permiten la funcionalización de la superficie que forma, la disolución de los vidrios de Si tipo sol-gel se produce mediante una reacción de hidrólisis que da lugar a productos no-tóxicos y en baja concentración, el ácido silícico desprendido es osteoinductor y el procesado cumple los requisitos medio ambientales. La innovación vendría, por tanto, de la generación de nuevas familias de productos (implantes dentales de titanio recubiertos con films obtenidos vía sol-gel) con marcadas características antibacterianas y osteoinductoras.

290 p., Since Professor Brånemark introduced the new concept of osseointegration and the proposal of titanium as the best choice for implants production, many efforts have been done to modify their surface in order to improve the direct bone-implant contact and in this way accelerate osseointegration process.The aim of this thesis work is on the one hand to accelerate the osseointegration process to avoid the appearance of possible problems during the first stages after implantation, and on the other hand, to promote the osteoinductive ability of implants making them widespread and accessible for every type of patients, moreover under unfavourable conditions. With this purpose, bioactive and osteoinductive coatings based on silicon precursors and obtained through the sol-gel process have been developed.