Magnesium-based bioresorbable cellular metal as bone substitute

Abstract

The design and development of an osteoinductive environment to reconstruct and treat large bone defects is still a challenge. Biodegradable porous metals have been proposed to bridge healthy parts of the tissue when the lesion overcomes the bone self-healing capacity. Mg-based scaffolds promise to assist in this bridging process, providing the mechanical properties and adapting to the new requirements such as weight and geometry as the healing time advances. Moreover, the porous condition guides the tissue and blood vessels' growth, and the release of Mg2+ accelerates the healing process. However, the Mg support is limited by its rapid degradation, which hinders the appropriate integration with the tissue. Additionally, the degradation is again accelerated in the porous condition, and the complex geometry limits the application of current protection methods.

The present thesis aims to create an open-porous Mg-based scaffold for bone tissue engineering, focused on enhanced corrosion resistance and biocompatibility. Porous Mg materials were then fabricated in various geometrical configurations: random pores, truncated octahedron, and diamond unit cells. The control over the degradation of the material was achieved by modifying the first nanometers of the surface, avoiding changes in the architecture of the structures, and preserving the bulk properties of the material such as open porosity and lightweight.

The nanometric modification was created via low-energy Ar+ irradiation, which developed well-ordered nanostructures on the surface, followed by Al-rich nanoclusters' accumulation. The creation of the Al-rich nanoclusters accelerated the passivation kinetics of the porous Mg, enhancing the apatite nucleation ability when immersing the materials in physiological fluids. Moreover, the apatite formation ability was conditioned to the concentration of Al on the near-surface, which offered surfaces for different biological purposes by tailoring the CaP ratio.

Superior properties regarding in vitro biodegradation and biocompatibility were obtained on hydroxylapatite tailored surfaces, such as decreased weight loss, conservation of the strut size during the immersion time, and decreased H2 and Mg2+ release. Furthermore, higher cell density was adhered to and proliferated on the DPNS surfaces indicating outstanding biocompatibility. The increase in biocompatibility was also supported by the formation of focal adhesion points and increased osteogenic potential, and the immune response modulation of the cells seeded on the modified surfaces. Finally, the material was tested in vivo, demonstrating steady corrosion and improved porous structure stability after 8 weeks of implantation in Wistar rats.

El diseño y desarrollo de un entorno osteoinductivo para reconstruir y tratar grandes defectos óseos sigue siendo un desafío. Los metales porosos biodegradables se han propuesto para conectar partes sanas del tejido cuando le lesión supera la capacidad autoreparadora del hueso. Los scaffolds de Mg prometen ayudar en este proceso de soporte, proporcionando las propiedades mecánicas y adaptándose a los nuevos requisitos, como el peso y la geometría, a medida que avanza el tiempo de curación. Además, la condición porosa guiaría el crecimiento del tejido y de los vasos sanguíneos, y la liberación de Mg2 + aceleraría el proceso de curación. Sin embargo, las funciones de soporte del Mg están limitadas por su rápida degradación, lo que dificulta la integración con el tejido. Además, el proceso de corrosión se acelera con la condición de porosidad, y la geometría compleja limita la aplicación de los métodos de protección actuales. La presente tesis tiene como objetivo crear un andamio basado en Mg de poros abiertos para reemplazo de hueso, centrado en una mayor resistencia a la corrosión y biocompatibilidad. Para este propósito, se fabricaron materiales porosos de Mg en varias configuraciones geométricas: poros aleatorios, octaedro truncado y celdas unitarias de diamante. El control sobre la degradación del material se logró modificando los primeros nanómetros de la superficie, para evitar transformaciones en la arquitectura del material y conservar de propiedades volumétricas como la porosidad abierta y el peso ligero. La modificación nanométrica se creó mediante irradiación de baja energía con Ar+, lo que desarrolló nanoestructuras ordenadas en la superficie, seguidas de la acumulación de nanoclusters ricos en Al. La creación de nanoclusters ricos en Al aceleró la cinética de pasivación del scaffold de Mg, mejorando su capacidad de nucleación de apatita al sumergir los materiales en fluidos fisiológicos. Además, dicha capacidad de formación de apatita estaba condicionada a la concentración de Al en la superficie, lo que ofrece superficies para diferentes propósitos biológicos al adaptar la proporción de CaP. Se obtuvieron propiedades mejoradas en cuanto a biodegradación y biocompatibilidad in vitro en superficies irradiadas que formaron una relación Ca:P similar a la hidroxiapatita. Estas propiedades incluyen menor pérdida de peso, conservación del tamaño del strut durante el tiempo de inmersión y disminución de la liberación de H2 y Mg2+. Además, se adhirió y proliferó una mayor densidad celular en las superficies de DPNS, lo que indica una mejora sobresaliente también en la biocompatibilidad, que, además, está respaldada por la formación de puntos de adhesión focales y el aumento del potencial osteogénico y la modulación de la respuesta inmune de las células adheridas a la superficie modificada de Mg. Finalmente, el material se evaluó in vivo, demostrando una corrosión constante y una estabilidad mejorada de la estructura porosa después de 8 semanas de implantación en ratas Wistar.