Evaluation of in vitro degradation and associated risks of novel biomaterials for implants

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-06-03
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
72 + app. 88
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 107/2024
Abstract
The thesis explores innovative approaches to enhance the performance of orthopaedic metallic alloys by addressing the electrochemical behavior related to simulated post-implantation inflammatory conditions. The work comprises a detailed comparison between commercial purity titanium (Ti Group 2 alloy), Ti–6Al–4V alloy (Group 23) and novel Ti–Nb–Zr–Si (TNZS) alloy. Electrochemical studies include open circuit potential analysis, potentiodynamic polarization test, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS), conducted in various media, mimicking normal, inflammatory, and severe inflammatory conditions. The major media differences were mimicked by varying concentration of H2O2, albumin, and lactate. The outcomes indicate i.a. a superior corrosion resistance of TNZS attributed to the presence of silicide phases. In addition, for Group 2 and Group 23 alloys this work examines the electrochemical behavior of additively manufactured (3D printed) patterned titanium layers made of titanium powder of the same composition. For this case, the results reveal an improved corrosion resistance in 3D patterned specimens compared to untreated titanium alloys surfaces. For analysis of more innovative methods of the improvement of the corrosion behavior of metallic alloys tantalum coated with trimanganese tetraoxide (Mn3O4) nanoparticles and 3D patterned titanium with alginate hydrogels laden with octacalcium phosphate (OCaP) particles were studies in these simulated inflammatory media. It was observed that electrophoretic deposition of Mn3O4 nanoparticles on anodized tantalum demonstrates superior corrosion protection for implants in acidic inflammatory conditions, and potential corrosion protection mechanism has been suggested, highlighting nanoparticles' catalytic activity and sealing role, offering valuable insights for developing corrosion-resistant implant materials. For hydrogel-coated titanium alloys, improved hydrophilicity and OCaP phase crystallinity were observed and an effective reduction of corrosion current density has been found, emphasizing the potential of such coatings to mitigate inflammatory-associated corrosion. This comprehensive work provides a combined understanding of metal alloys electrochemical behavior and corrosion resistance, offering novel insights and indicating potential advancements in biomedical materials for orthopedic and dental applications. The work was supported by EU Horizon 2020 project MSCA ITN "PREMUROSA" and has resulted in several peer-reviewed publications.

Väitöskirjassa tarkastellaan innovatiivisia lähestymistapoja ortopedisten metalliseosten suorituskyvyn parantamiseksi selvittelemällä seosten sähkökemiallista käyttäytymistä simuloidussa ympäristössä. Työssä läpikotaisempi vertaillaan puhtaan titaanin (Ti-ryhmä 2), Ti-6Al-4V (Ti-ryhmä 23) ja uuden Ti-Nb-Zr-Si (TNZS) seosten sähkökemiallisen toimiminen. Tutkimusmenetelmillä ovat avoimen piirin potentiaalin analyysi, potentiodynaaminen polarisaatiotesti ja sähkökemiallinen impedanssispektroskopia (EIS) sovellettuna seoksille eri mediassa. Nämä liuokset simuloivat implantaation jälkeisiä normaalia, tulehduksellista ja vakavan tulehdusten tiloja, jossa H2O2:n, albumiinin ja laktaatin pitoisuudet vaihtelevat. Tulokset osoittavat mm. uuden TNZS-seosten erinomaista korroosionkestävyyttä johtuen piifaasien läsnäolosta. Ryhmän 2 ja ryhmän 23 titaaniseosten korroosionkestävyys näyttää parempaa saman koostumuksen titaanijauheesta 3D-valmistetuilla (tulostetulla) kappaleilla verrattuna käsittelemättömiin titaaniseospintoihin. Metalliseosten korroosiokäyttäytymisen parantamiseksi työssä on myös tutkittu trimangaanitetraoksidin (Mn3O4) nanohiukkasilla päällystetty tantaali sekä komposiittihydrogeelillä (alginaatti ja oktakalsiumfosfaatti (OCaP)) pinnoitettu 3D-tulostettu titaani. Tutkimuksessa havaittiin, että sähköforeettisesti tehty Mn3O4-nanohiukkaspinnoite tantaalilla osoittaa ko. implanttimateriaalin erinomaisen korroosiosuojan erityisesti simuloidussa tulehdusolosuhteissa. Analyysien perusteella ehdotettiin korroosiosuojausmekanismia perustaen nanohiukkasten katalyyttisen aktiivisuuteen ja tiivistysrooliin mikä avaa mahdollisia reittiä korroosionkestävien implanttimateriaalien kehittämiseen. Hydrogeeli-pinnoitettujen titaani-seoksilla on mitattu parantunutta hydrofiilisyyttä ja OCaP-faasin kiteiyyttä, mistä seuraa korroosiovirran tiheyden tehokas vähentäminen. Nämä havainnot kohottavat sellaisten pinnoitteiden käyttöpotentiaalia lievittämään mahdollisia biomateriaalien korroosioriskiä tulehdustilassa. Tutkimustyö antaa kombinoidun ymmärryksen implanteissa käytettävien metalliseosten sähkökemiallisesta käyttäytymisestä ja korroosionkestävyydestä, osoittaa uusia oivalluksia ja mahdollisia edistys-askeleita biomateriaalien kehittämiseen mm. ortopedisiin ja hammaslääketieteellisiin sovelluksiin. Tämä tutkimus on saanut tukia EU:n Horisontti 2020 MSCA ITN "PREMUROSA"-hankkeesta ja sen keskeiset tulokset julkistettiin vertaisarvioituissa lehdissä.
Description
Supervising professor
Gasik, Michael, Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, Finland
Thesis advisor
Gasik, Michael, Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, Finland
Keywords
novel biomaterials, metallic implants, surface modifications, composite coatings, electrochemical behavior, inflammatory condition, uudet biomateriaalit, metalliset implantit, pinnan muutokset, komposiittipinnoitteet, sähkökemiallinen käyttäytyminen, tulehduksellinen tila
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Bordbar-Khiabani A, Gasik M. Electrochemical and biologyical characterization of Ti–Nb–Zr–Si alloy for orthopedic applications. Scientific Reports. 2023; 13(1):2312.
    DOI: 10.1038/s41598-023-29553-5 View at publisher
  • [Publication 2]: Bordbar-Khiabani A, Gasik M. Electrochemical behavior of additively manufactured patterned titanium alloys under simulated normal, inflammatory, and severe inflammatory conditions. Journal of Materials Research and Technology. 2023; 26:356-70.
    DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.07.113 View at publisher
  • [Publication 3]: Bordbar-Khiabani A, Kovrlija I, Locs J, Loca D, Gasik M. Octacalcium Phosphate-Laden Hydrogels on 3D-Printed Titanium Biomaterials Improve Corrosion Resistance in Simulated Biological Media. International Journal of Molecular Sciences. 2023; 24(17):13135.
    DOI: 10.3390/ijms241713135 View at publisher
  • [Publication 4]: Bordbar-Khiabani A, Bahrampour S, Mozafari M, Gasik M. Surface functionalization of anodized tantalum with Mn3O4 nanoparticles for effective corrosion protection in simulated inflammatory condition. Ceramics International. 2022; 48(3):3148-56.
    DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.10.088 View at publisher
  • [Publication 5]: Bordbar-Khiabani A, Gasik M. Smart hydrogels for advanced drug delivery systems. International Journal of Molecular Sciences. 2022; 23(7):3665.
    DOI: 10.3390/ijms23073665 View at publisher
Citation