Desarrollo de nanoestructuras de óxido de titanio y nanopartículas/nanopelículas para la prevención de la formación de biofilms bacterianos sobre materiales implantables de base titanio - Cajiao Checchin, Valentina Chiara (2025)
Los biomateriales de titanio han revolucionado la medicina, permitiendo la fabricación de implantes altamente funcionales. Sin embargo, su uso enfrenta desafíos críticos, como la susceptibilidad de la superficie a la adhesión bacteriana, lo que incrementa el riesgo de infecciones debido a la formación de biofilms. Esto, sumado a la creciente resistencia bacteriana a los antibióticos, puede conducir al recambio del implante, impactando negativamente en los pacientes y en los sistemas de salud. A lo largo de este trabajo de Tesis, se han desarrollado diversas estrategias para modificar la superficie de los implantes de titanio con el objetivo de mejorar su capacidad para inhibir y combatir la formación de biofilms bacterianos. Estas estrategias buscan prevenir la adhesión bacteriana mediante superficies antiadherentes y/o con propiedades antibacterianas, que pueden actuar por contacto directo o mediante la liberación de compuestos antimicrobianos. Los análisis realizados a partir de diferentes técnicas que incluyen: ATR-FTIR, potencial Z, SEM, TEM, AFM, MFM, Raman, XPS, DRS, TGA, ángulo de contacto, VC, PCA, así como ensayos microbiológicos y cultivos de células eucariotas han permitido evaluar las propiedades de las nuevas superficies desarrolladas. Las modificaciones implementadas incluyen la alteración de la carga superficial, la hidrofilicidad, la funcionalización con agentes antimicrobianos, la inmovilización de nanopartículas y cambios topográficos, relacionados con la rugosidad y la geometría/nanoestructuración de la superficie, y han impactado sobre la adhesión/muerte de bacterias y el crecimiento de células eucariotas sobre las superficies. Entre los desarrollos se encuentra la generación de superficies de titanio recubiertas con una película de ácido tánico (AT), de aprox. 400 nm de espesor. Los análisis fisicoquímicos confirmaron una alta hidrofilicidad y la liberación de agentes antimicrobianos desde la superficie. Los estudios microbiológicos evidenciaron una reducción en el número de bacterias vivas adheridas del 99 % y un efecto sinérgico al combinar el AT con levofloxacina (LEV), logrando la erradicación bacteriana. Este sistema se presenta como una estrategia sostenible y eficiente, con potencial aplicación en implantes en la cavidad oral. Asimismo, se sintetizaron nanopartículas de óxido de hierro (IONPs) con estructura cristalina de magnetita/maghemita. Las IONPs funcionalizadas con AT permitieron la adhesión de nanopartículas de plata (NPAg), por síntesis in situ. Estas nanopartículas mixtas fueron depositadas sobre superficies de titanio, mejorando significativamente la acción antimicrobiana contra Staphylococcus aureus en estadios de adhesión temprana. La estrategia basada en IONPs @AT-NPAg logró la erradicación bacteriana sobre el titanio. Por otro lado, se generaron nanotubos de TiO₂ (NT-Ti) mediante oxidación anódica a distintos voltajes, observándose nanoporos entre 5-10 V y nanotubos definidos a 15 V. Se demostró que las topografías desarrolladas influyen en la adhesión celular y bacteriana. La superficie generada a 15 V fue seleccionada para incorporar Ag y Ce con el objetivo de mejorar sus propiedades antibacterianas y fotocatalíticas. Posteriormente, mediante el anodizado a 0,8 V se logró depositar Ag en forma de microparches sobre los nanotubos (Ag-NT-Ti), mientras que el Ce se incorporó a la red de anatasa del TiO₂ (Ce-NT-Ti). Los microparches de Ag mostraron estabilidad y liberación gradual de iones con efecto antimicrobiano. La presencia de Ag o Ce modificó la morfología y la rugosidad de los NT-Ti, influyendo en sus propiedades biológicas y antibacterianas. Finalmente, se estudió la capacidad fotocatalítica de NT-Ti, Ag-NT-Ti y Ce-NT-Ti. Se comprobó que la incorporación de Ag favoreció la formación de heterouniones Ag-TiO₂, mejorando la separación de cargas y aumentando la degradación de azul de metileno bajo luz UV y visible. Además, Ag-NT-Ti mostró actividad antimicrobiana tras irradiación UV, mientras que Ce-NT-Ti también mejoró las propiedades bactericidas, aunque en menor grado, destacando su capacidad de activación mediante luz visible. Las estrategias desarrolladas en esta investigación han permitido generar superficies multifuncionales que demostraron ser efectivas para mejorar las propiedades antibacterianas de los implantes de titanio. La combinación de fitocompuestos, nanopartículas y/o nanotubos de TiO₂ con metales como Ag y Ce permitió obtener superficies con capacidad antimicrobiana, reducción de la adhesión bacteriana y mejoras en la actividad fotocatalítica. En particular, mediante la estrategia mixta basada en AT y LEV se logró la erradicación de bacterias, mientras que la incorporación de NPAg potenció la acción antibacteriana de las IONPs sobre las superficies de titanio. Por otra parte, la oxidación anódica permitió la obtención de nanotubos de TiO₂ con características optimizadas para futuras aplicaciones médicas. Finalmente, el uso de fotocatálisis y generación de especies reactivas sobre las superficies nanoestructuradas de TiO₂ abre nuevas posibilidades para el desarrollo de superficies fotoactivas bajo radiación, tanto UV como visible. Las estrategias desarrolladas contribuyen a la prevención y tratamiento de infecciones en implantes biomédicos, restringiendo la generación de bacterias resistentes.