Nanomateriales en la prevención y el tratamiento de infecciones. Fosfatos metálicos de baja dimensionalidad como repositorios de nanopartículas antimicrobianas

Resumen

La demanda de biomateriales con actividades antimicrobianas es cada vez mayor. Aunque las nanopartículas de plata son reconocidas como excelentes antimicrobianos, su liberación incontrolada en medios biológicos puede inducir efectos citotóxicos. Con el fin de mitigar este inconveniente, se enriquecieron con ellas α-fosfatos de zirconio y de titanio. Se confirmó la estabilidad de los nuevos materiales, con tamaños en la nanoescala al menos en una dimensión. Ensayos de citocompatibilidad confirmaron la biocompatibilidad de las fases prístinas, y ensayos antimicrobianos demostraron que ambas estructuras nanolaminares enriquecidas con plata mantuvieron su efecto a concentraciones bajas. Por otro lado, es conocido que los biomateriales y sus superficies regulan la respuesta biológica y, en última instancia, la calidad de la cicatrización en el entorno de un implante, por lo que las propiedades físicas, químicas y texturales tendrán un papel decisivo tanto en la integración biológica del injerto en el momento de la intervención como en su éxito a largo plazo. Dado que en la interacción biológica la nanodimensionalidad es determinante, es primordial diseñar materiales biofuncionales nanoestructurados adecuados para el recubrimiento de implantes metálicos. Se sintetizaron dos fases fibrosas (π y ρ) de un fosfato de titanio nanoestructurado y se enriquecieron con nanopartículas de plata y estroncio. Aunque el polimorfo π se conoce desde hace décadas, su estructura cristalina, a diferencia de la fase ρ, no había sido resuelta. En este estudio, se presenta la estructura cristalina del π-fosfato de titanio, determinada a partir de datos de difracción de rayos X de polvo cristalino, utilizando radiación sincrotrón, corroborada por resonancia magnética nuclear de 31P en estado sólido y cálculos DFT. Se indujo el crecimiento de π-fosfato de titanio nanoestructurado enriquecido con Ag-Sr en la aleación de titanio comercial Ti-6Al-4V, ampliamente utilizada en implantes ortopédicos y dentales. Las observaciones estructurales y microscópicas confirmaron la síntesis de las fases deseadas y su enriquecimiento con nanopartículas de estroncio y plata, con una rugosidad superficial intermedia entre topologías de tamaño micro y nanométrico. La presencia de estroncio controló la tasa de liberación de iones plata, reduciendo su citotoxicidad. Ensayos antimicrobianos y de proliferación celular mostraron que el enriquecimiento con estroncio del π-fosfato de titanio decorado con nanopartículas de plata mejora sus propiedades antimicrobianas. Los resultados obtenidos demuestran la viabilidad de utilizar fosfatos metálicos, tanto fibrosos como estratificados, enriquecidos con Ag y Ag-Sr como cementos y rellenos óseos biofuncionales o recubrimientos para implantes metálicos en aplicaciones biomédicas. There is an increasing demand on synthesizing pharmaceuticals and biomaterials that possess antimicrobial activities. In that respective silver nanoparticles are known for their excellent antimicrobial activity. Nevertheless, their uncontrolled release in a biological medium can induce a cytotoxic effect. In order to improve their bio-functionality, the research was designed to explore the use of a number of metal phosphates, based on titanium and zirconium as the metallic sources, belonging to two distinct morphologies: nano-layered and nanofibrous structures. Layered α-phases of titanium- and zirconium(IV) phosphates were enriched with silver nanoparticles. The structural assessment confirmed the stability of the structures and their sizes that lied in the nanoscale at least in one dimension. The cytocompatibility assays confirmed the biocompatibility of the pristine phases and the antimicrobial assays confirmed that both silver-enriched nanolayered structures maintain an antibacterial effect at reasonably low concentrations. The silver release in these layered structures is largely controlled owing to their intercalation. On the other hand, the nano-fibrous structures were explored by synthesizing two phases of nanostructured titanium phosphate (π and ρ polymorphs). Unlike the ρ-polymorph, the crystal structure of the fibrous π-polymorphic modification of titanium phosphate has remained unsolved. For this, a special attention was given to report the crystal structure of this proton conductor compound, determined using the synchrotron radiation powder X-ray diffraction, and corroborated using 31P solid state NMR and the accurate density functional theory calculations. To assess the feasibility of using these nanofibrous π and ρ titanium(IV) phosphate phases for antimicrobial applications, they were enriched with silver nanoparticles. The antimicrobial assays confirmed their functionality as antimicrobial materials. Moreover, the silver release could be controlled by enriching these nanofibrous Ag-enriched structures with strontium that increased their cytocompatibility, as was confirmed using the cytocompatibility test and ion-release assessments. As a direct application of these phases for biomaterials applications, Ag-Sr-enriched nanostructured π-titanium phosphate was induced to grow on a commercially available titanium alloy (Ti-6Al-4V), widely used in orthopedic and dental implants. The structural and microscopic observations confirmed the resultant phases and their enrichment with strontium and silver nanoparticles. The surface roughness was measured and was found to be at the interface between the nanosized and micro sized topologies. The results altogether demonstrate the feasibility of using the studied (Sr-)Ag-enriched layered and fibrous metal phosphates as bio-functional bone cement/filling or coatings for metallic implants for biomedical applications.