UVC LED photofunctionalization on titanium dental implants

Abstract

Titanium (Ti) is a biocompatible material used as a base in the manufacture of dental implants, due to its excellent mechanical properties. The alteration of the chemical composition of its surface over time ("the aging of Ti¿) can affect the main biological processes. Ultraviolet (UV) light irradiation, or UV photofunctionalization, based on mercury (Hg) vapor lamps, has shown promising results in reducing implant failure rates and improving their biological properties. However, considering the current restrictions and limitations of the use of Hg, it seems necessary to design a photofunctionalization system with alternative light sources, which proves to be effective in improving osseointegration processes and implant survival rates. The objectives of this doctoral thesis were: to design and develop a UVC photofunctionalization device based on LEDs as light sources; to analyze its effectiveness in the reduction of bacterial biofilms; to evaluate the stimulation of the biological behavior of soft and hard tissue cells. All this is aimed at the safe and effective use of this technology for surface treatment of implants in clinical practice. Thus, the designed UVC LED photofunctionalization device proved to be valuable in decontaminating carbon compounds from the surface of irradiated Ti dental implants, reversing the Ti aging process, regardless of the type of surface used. Likewise, after 24 h of UVC LED irradiation, the photofunctionalized implants showed a reduction in the adhesion of oral bacteria (S. sanguinis) to their surface. Besides, an improvement in the viability and proliferation of fibroblasts and osteoblasts was observed, with an increase in osteoblastic differentiation and greater cell expansion of both cell lineages. The secretion of interleukins (IL-1ß, IL-6) and proteins (osteocalcin) were also upregulated after UVC LED photofunctionalization. In conclusion, this thesis demonstrates that UVC LED photofunctionalization therapy is a valid method to reverse the undesirable effect of Ti aging. Moreover, it is a method capable of inducing a maintained antibiofilm effect over time, for up to 6 h. Additionally, it presents a potential fibroinductive and osteoinductive effect, which positively influences the regulation of the secretion of inflammatory cytokines and mineralization markers by cells involved in both biological processes

El titanio (Ti) es un material biocompatible utilizado como base en la fabricación de implantes dentales, debido a sus excelentes propiedades mecánicas. La alteración de la composición química de su superficie con el paso del tiempo ("envejecimiento del Ti") puede afectar a los principales procesos biológicos. La irradiación con luz ultravioleta (UV), o fotofuncionalización UV, basada en lámparas de vapor de mercurio (Hg), ha mostrado resultados prometedores en la reducción de las tasas de fracaso de los implantes y en la mejora de sus propiedades biológicas. Sin embargo, teniendo en cuenta las restricciones y limitaciones actuales del uso del Hg, parece necesario diseñar un sistema de fotofuncionalización con fuentes de luz alternativas, que demuestre ser eficaz en la mejora de los procesos de osteointegración y de las tasas de supervivencia de los implantes. Los objetivos de esta tesis doctoral fueron: diseñar y desarrollar un dispositivo de fotofuncionalización UVC basado en LEDs como fuentes de luz; analizar su efectividad en la reducción de biofilms bacterianos; evaluar la estimulación del comportamiento biológico de las células de tejidos blandos y duros. Todo ello encaminado al uso seguro y eficaz de esta tecnología para el tratamiento superficial de implantes en la práctica clínica. Así, el dispositivo de fotofuncionalización UVC LED diseñado demostró ser válido en la descontaminación de compuestos de carbono de la superficie de implantes dentales de Ti irradiados, revirtiendo el proceso de envejecimiento del Ti, independientemente del tipo de superficie utilizada. Asimismo, tras ser sometidos a 24 h de irradiación UVC LED, los implantes fotofuncionalizados mostraron una reducción de la adhesión de bacterias orales (S. sanguinis) a su superficie. Además, se observó una mejora en la viabilidad y proliferación de fibroblastos y osteoblastos, con un aumento de la diferenciación osteoblástica y una mayor expansión celular de ambos linajes celulares. La secreción de interleucinas (IL-1ß, IL-6) y proteínas (osteocalcina) también se incrementó tras la fotofuncionalización UVC LED. En conclusión, esta tesis demuestra que la terapia de fotofuncionalización UVC LED es un método válido para revertir el efecto indeseado del envejecimiento del Ti. Además, se trata de un método capaz de inducir un efecto antibiofilm mantenido en el tiempo hasta 6 h. Adicionalmente, presenta un potencial efecto fibroinductor y osteoinductor, que influye positivamente en la regulación de la secreción de citoquinas inflamatorias y marcadores de mineralización por parte de las células implicadas en ambos procesos biológicos.