Nanotubi di Titania integrati negli impianti ortopedici AM per la somministrazione localizzata di farmaci

22 novembre 2021

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Una ricerca recentemente pubblicata sulla rivista Materials del Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI), "Titania Nanotube Architectures Synthezed on 3D-Printed Ti-6Al-4V Implant and Assessing Vancomycin Release Protocols", discute il potenziale dei nanotubi di titanio (TNT) prodotti in modo additivo come bersaglio sistemi di somministrazione di farmaci negli impianti ortopedici.

Il passaggio da semplici calchi e stecche a impianti interni come placche, viti e aste – tipicamente realizzati in acciaio, titanio, cromo o cobalto – illustra i progressi nei supporti per ossa rotte o fratturate, ma questi impianti comportano rischi: infezione o rigetto. Nel peggiore dei casi, questi esiti negativi possono provocare la perdita degli arti o la morte del paziente. Nonostante questi possibili risultati, tuttavia, la fissazione interna è preferibile per molti pazienti poiché, nonostante i possibili effetti avversi, generalmente determina una guarigione più rapida con una maggiore garanzia che le ossa guariscano nella posizione corretta.

Per mitigare i rischi di infezione, vengono utilizzati antibiotici. Storicamente, tuttavia, è stato difficile garantire che questi colpissero l’impianto stesso quando gli antibiotici venivano somministrati per via orale o endovenosa. Metodi di somministrazione più localizzati, come il cemento osseo caricato con antibiotici, offrono un’opzione mirata, ma sono stati sollevati dubbi sulla sua capacità di rilasciare gli antibiotici a livelli sufficientemente sostenuti. Il recente articolo suggerisce un’alternativa a questo metodo: nanotubi di titanio, incorporati nella superficie di impianti realizzati su misura mediante produzione additiva.

Studi recenti hanno riportato che l'uso del rivestimento di nanotubi di TiO2 delle superfici degli impianti biomedici è biocompatibile, ben si adatta alla crescita dei tessuti e consente una forte adesione e proliferazione cellulare. In questo studio, è stato ipotizzato che i TNT sembravano anche un metodo promettente per il rilascio diretto di farmaci specifici nel sito dell’infezione.

I ricercatori su "Titania Nanotube Architectures Synthezed on 3D-Printed Ti-6Al-4V Implant and Assessing Vancomycin Release Protocols" hanno utilizzato una tecnica di anodizzazione per sintetizzare array di TNT su superfici Ti6AL4V prodotte in modo additivo al fine di osservare e analizzare il rilascio della vancomicina antibatterica su un periodo di ventiquattro ore.

SolidWorks 2020, il software CAD e CAE di Dassault Systèmes, è stato utilizzato per progettare e modellare l'impianto della piastra Ti6Al4V 25 x 25 x 2 mm prima che fosse prodotto in modo additivo utilizzando una Mlab Cusing 100R, una macchina Laser Beam Powder Bed Fusion (PBF-LB) di GE Additive Concept Laser. Le parti sono state prodotte utilizzando polvere micro Ti6Al4V D50 da Meticuly Co Ltd, Bangkok, Tailandia. Durante il processo di anodizzazione, questo impianto di piastra ha funzionato come anodo, mentre una piastra di platino commerciale (12 x 30 mm) di Umicore era il catodo. Sotto atmosfera controllata, le piastre di Ti6Al4V sono state riscaldate a 950°C per 2 ore in un forno elettrico.

Prima dell'anodizzazione, l'asperità superficiale delle piastre Ti6Al4V è stata ridotta mediante macinazione convenzionale con carta a grana da 80 a 2000 e sonicazione all'interno della soluzione acida, acqua deionizzata ed etanolo.

Per ottenere una superficie nanostrutturata con matrici ordinate di TNT con proporzioni molto elevate, come elettrolita è stato utilizzato alcoli polivalenti contenenti fluoruro, in particolare glicole etilenico, noto per la produzione di superfici biocompatibili e bioattive. I campioni macinati sono stati immersi nell'elettrolita preparato a base di glicole etilenico contenente una soluzione mista di glicole etilenico al 98% in peso, fluoruro di ammonio (0,5% in peso) e acqua deionizzata all'1,5% in peso per 1, 2, 3 e 4 ore. La soluzione elettrolitica è stata agitata continuamente con una barra magnetica a 100 giri al minuto.

Dopo la produzione, i ricercatori hanno studiato i TNT anodizzati utilizzando tecniche di caratterizzazione come la microscopia elettronica a scansione a emissione di campo (FESEM), il misuratore dell'angolo di contatto, l'infrarosso a trasformata di Fourier (FTIR), un microscopio a forza atomica (AFM) e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X al fine di notare la morfologia, il comportamento di bagnabilità, l'interazione tra gli ioni di titania, la dimensione dei pori, la lunghezza e la rugosità superficiale.