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The main focus of this study was to develop multi-structured coatings based on bioactive and antibacterial layers, as a potential approach to address inherent deficiencies of metallic implants, such as uncontrolled release of metallic ions and poor osseointegration. The multi-structured coatings were the combination of bio-stable (polyetheretherketone (PEEK)/ bioactive glass (BG)) and biodegradable (chitosan/gelatin) composite coatings. In this approach, PEEK/BG layers improved the mechanical properties and osseointegration of the metallic implants. The top layers were designed to act as carriers for the release of biologically active molecules, antibiotic drugs, and metallic ions. Electrophoretic deposition (EPD) was the selected coating method while, radiofrequency (RF) sputtering was also considered. The deposition parameters of both coating techniques were tuned to achieve the desired coating characteristics and properties. In this research work, PEEK (~10 µm) and 45S5 BG (~2-4 µm) powders were used for coating 316L SS substrates. PEEK and BG particles were dispersed in ethanol at the pH of 4.2. EPD parameters for the co-deposition of PEEK and BG particles were optimized by the Taguchi design of experiment (DoE) approach. The design of experiment approach depicted that the deposition voltage and time are the most significant factors affecting the deposition yield. PEEK/BG composite coatings were sintered in the range of 350-450 °C to develop mechanically stable coatings exhibiting bioactivity. PEEK/BG coatings sintered at 400 °C showed the appropriate adhesion strength (determined by the tape and bend test) and in vitro bioactivity, determined by assessing hydroxyapatite formation on samples upon immersion of the coatings in simulated body fluid. PEEK/BG coatings showed excellent wear resistance and were not cytotoxic (cell viability of 60 % after eight days of immersion in cell culture media) to MG-63 osteoblast like-cells. Three types of antibacterial coatings based on silver nanocluster-silica composite, chitosan/BG/lawsone, and chitosan/gelatin/BG/gentamicin were deposited on the PEEK/BG layers. For the first time, silver nanocluster-silica composite coatings (60-150 nm thick) were deposited by RF co-sputtering on PEEK/BG layers (80-90 µm). The coatings showed good adhesion strength and were charged negatively (-35±3 mV) at physiological pH. The produced silver-silica based coatings showed antibacterial activity against Gram-positive and Gram-negative bacteria. Moreover, the coatings retained the initial bioactivity associated with the PEEK/BG layers. The DoE approach optimized the EPD process for the deposition of chitosan/BG/lawsone and chitosan/gelatin/BG/gentamicin coatings on 316L SS. After determining the optimum parameters coatings were successfully deposited on PEEK/BG layers. Both types of the multi-structured coatings showed appropriate wetting behavior, adhesion strength, and in vitro bioactivity. Lawsone was released up to 180 days from the platform of multi-structured coatings (chitosan/BG/lawsone deposited on PEEK/BG layers). The release of lawsone confers antibacterial activity against Gram-positive bacteria, only. Moreover, the multi-structured coatings showed cell viability of 60 % (determined by the WST-8 assay). In contrast to this chitosan/gelatin/BG/gentamicin coating on PEEK/BG layers exhibited the long-term antibacterial effect against Gram-positive and Gram-negative bacteria. Moreover, the incorporation of gelatin improves the cellular response of the coatings. This type of multi-structured coatings showed no cytotoxic effect with cell viability of 95 % (WST-8 assay). Moreover, MG-63 osteoblast like-cells cells adhered on the surface of the coatings and adopted a strong cell-matrix adhesion and guided morphology due to the highly adhesive protein contents. Overall, the results presented in this thesis demonstrate EPD as a suitable coating technology for preparing multifunctional coatings (bioactive, antibacterial, and drug releasing capability) for orthopedic implants. To the best of the authors’ knowledge PEEK based multilayer/multifunctional coatings were designed and characterized for the first time in this thesis, which has the potential applications in the field of orthopedic implants. Der Fokus dieser Studie lag auf der Entwicklung mehrlagiger Beschichtungen. Diese bioaktiven und antibakteriellen Schichten sollen die inhärenten Mängel metallischer Implantate, wie der unkontrollierten Freisetzung von Metallionen und der schlechten Osseointegration, beheben. Die einzelnen Schichten kombinieren biostabilen (Polyetheretherketon (PEEK) / bioaktiven Glas (BG)) und biologisch abbaubaren (Chitosan / Gelatine) Komposite dar. Während die Schicht aus PEEK / BG die mechanischen Eigenschaften und die Osseointegration des Metalls verbesserte, wurden die oberen Schichten aus Chitosan und Gelatine als Matrix für die Freisetzung von biologisch aktiven Molekülen, antibiotischen Wirkstoffen und Metallionen konzipiert. Die elektrophoretische Abscheidung (EPD) wurde als Hauptbeschichtungsmethode gewählt, während das Radiofrequenz- (RF) -Sputtern für die obere Schicht in Betracht gezogen wurde. Beide Beschichtungstechniken wurden angepasst, um die gewünschten Beschichtungseigenschaften und Eigenschaften zu erreichen. In dieser Forschungsarbeit wurde PEEK (~ 10 µm) und 45S5 BG (~ 2-4 µm) Pulver zum Beschichten von 316L Stahl-Substraten verwendet. PEEK- und BG-Partikel wurden in Ethanol bei einem pH-Wert von 4,2 dispergiert. Die optimalen EPD-Parameter für die Co-Deposition von PEEK- und BG-Partikeln wurden mittels des Taguchi Design of Experiment (DoE) -Ansatz ermittelt. Dabei zeigt sich, dass Abscheidungsspannung und -zeit die wichtigsten Faktoren sind, welche die Ausbeute beeinflussen. Die PEEK / BG-Kompositbeschichtungen wurden im Temperaturbereich von 350 bis 450ºC gesintert, um mechanisch stabile Beschichtungen mit bioaktiven Eigenschaften zu gewährleisten. PEEK / BG-Beschichtungen, welche bei 400 ° C gesintert wurden, zeigten geeignete Haftfestigkeit (ermittelt durch Band- und Biegetest) und In-vitro-Bioaktivität (ermittelt durch Abschätzung der Hydroxyapatitbildung an Proben beim Auslagern in simulierte Körperflüssigkeit). Die PEEK / BG-Beschichtungen zeigten eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, aber keine Zytotoxität (Zelllebensfähigkeit von 60 % nach acht Tagen im Zellkulturmedien) zu MG-63-Osteoblasten-ähnlichen Zellen. Drei verschiedene antibakterielle Beschichtungen (Silber-Nanocluster-Silica-Komposit, Chitosan / BG / Lawson und Chitosan / Gelatine / BG / Gentamicin) wurden als weitere Schicht auf PEEK / BG-Schichten aufgebracht. Es war das erste Mal, dass Kompositbeschichtungen aus Silber-Nanocluster-Silica (mit einer Dicke von 60-150 nm) durch RF-Co-Sputtern auf PEEK / BG-Schichten (80-90 µm) abgeschieden wurden. Die Beschichtungen zeigten eine gute Haftfestigkeit und besaßen bei dem physiologischem pH-Wert eine negative Ladung (-35 mV). Die hergestellten Beschichtungen auf Silber-Silica-Basis zeigten antibakterielle Aktivität gegen sowohl Gram-positive, als auch gegen Gram-negative Bakterien und behielten die Bioaktivität der PEEK / BG-Schichten bei. Der DoE-Ansatz wurde verwendet, um den EPD-Prozess für die Abscheidung von Chitosan / BG / Lawson und Chitosan / Gelatine / BG / Gentamicin-Beschichtungen auf 316L SS zu optimieren. Nach dem Bestimmen der optimalen Parameter wurden die Beschichtungen erfolgreich auf den vorhandenen PEEK / BG-Schichten abgeschieden. Beide Bescchichtungstypen zeigten geeignetes Benetzungsverhalten, Haftfestigkeit und In-vitro-Bioaktivität. Lawsone wurde bis zu 180 Tage aus der Multi-Struktur-Beschichtungen (Chitosan / BG / Lawson, abgelagert auf PEEK / BG-Schichten) freigesetzt. Die Freisetzung verleiht allerdings nur gegen Gram-positive Bakterien antibakterielle Aktivität. Diese mehrfach strukturierte Beschichtung zeigte eine Zelllebensfähigkeit von 60 % (bestimmt mittels WST-8-Assay). Im Gegensatz dazu zeigte die Beschichtung mit Chitosan / Gelatine / BG / Gentamicin auf PEEK / BG-Schichten eine langfristige antibakterielle Wirkung gegen Gram-positive und Gram-negative Bakterien. Die Verwendung von Gelatine verbesserte dazu auch die zelluläre Antwort der Beschichtung. Diese multi-strukturierten Beschichtung zeigte keine zytotoxische Wirkung, sondern eine Zelllebensfähigkeit von 95 % (WST-8-Assay). MG-63-Osteoblasten-ähnliche-Zellen haften an der Oberfläche der Beschichtungen und entwickelten eine starke Zellmatrixadhäsion und eine gesteuerte Morphologie aufgrund des stark adhäsiven Proteingehaltes an. Insgesamt zeigen die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse, dass EPD eine geeignete Beschichtungstechnologie zur Herstellung multifunktionaler Beschichtungen (mit bioaktiver, antibakterieller und Arzneimittel freisetzender Fähigkeit) für orthopädische Implantate ist. Nach bestem Wissen des Autors wurden in dieser Arbeit zum ersten Mal PEEK-basierte Multilayer / Multi-Funktions-Beschichtungen entwickelt und charakterisiert, welche Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der orthopädischen Implantate haben. |
