Mg63 osteoblast-like cells response to surface modified commercially pure titanium

Abstract

The interaction between implanted materials and surrounding tissue, osseointegration, is the critical factor for the successful restoration and reconstruction of damaged body parts. Since the biological response is strongly influenced by the properties of the biomaterials outermost layer, after few minutes of contact a protein film will be formed on the implant surface and its stability will determine the long-term success of the implant. Attending to all the problems related to implantation, it has becoming essential to analyze in detail the response of the human body to different and modified biomaterials surfaces. In this project, the interaction between the osteoblasts and the commercially pure titanium (CP Ti) was investigated. CP Ti samples were modified by anodic treatment, with calcium (Ca) and phosphorus (P), and all phases involved in the tissue restoration were carefully followed and examined. In parallel, tribocorrosion tests were conducted on that samples, prior to osteoblasts culture, to verify the influence of the chemical and physical properties of the surface on their development and with that extrapolate the possible response of the human body after some time of implantation. As a result, it was proven that anodic treatment can be effective and can incite osteoblasts MG63 development on titanium surfaces. The adhesion and morphologic tests showed that, even after small periods of time, these cells found their way to interact with the surface and create a bond, which can prevail for longest periods of culture (proliferation). Regarding osteoblasts MG63 differentiation, the results showed a very distinct line of evolution, exposing some important traces of the osteoblasts maturation, with a small but perceptive improvement in the levels of calcium and phosphate, proportioned by the bioactive properties of the anodic film. On the tribocorroded surfaces, it was clear the cells adhesion and progression, although in a slower rate compared to the regular surfaces. Additionally, through this test, it was also verified the MG63 osteoblasts preference for rougher surfaces. For future investigations, however, the anodic treatment conditions should be changed, starting for instance in the electrolyte composition, in order to achieve a much more significant improvement in the cells behaviour.

A interacção entre o implante e o tecido subjacente, osteointegração, é o factor crítico para uma restauração e reconstrução de regiões do corpo danificadas bem sucedida. Uma vez que a resposta biológica é fortemente influenciada pelas propriedades da camada mais externa dos biomateriais, após alguns minutos em contacto um filme proteico é formado à superfície do biomaterial e a sua estabilidade irá determinar o sucesso a longo prazo do implante. Tendo em consideração todos os problemas associados à colocação de um implante, a análise cuidadosa e detalhada da resposta do corpo humano a alterações na superfície dos biomateriais tem-se tornado essencial. Neste projecto, a interacção entre os osteoblastos e o titânio comercialmente puro (Ti CP) foi investigada. A superfície das amostras de Ti CP foi modificada por tratamento anódico, com cálcio (Ca) e fósforo (P), e todas as fases envolvidas na restauração do tecido ósseo foram meticulosamente seguidas e examinadas. Em paralelo, testes tribocorrosivos foram conduzidos sobre as amostras, num período prévio à cultura celular, de modo a verificar a influência das propriedades físicas e químicas da superfície no desenvolvimento das células ósseas. Com isto pretendeu-se inferir acerca da resposta do corpo humano após algum tempo de implantação. A partir dos resultados foi provada a eficácia do tratamento anódico e a sua influência positiva sobre o desenvolvimento dos osteoblastos MG63 em superfícies de Ti. Os ensaios de adesão e morfologia comprovaram que, mesmo após curtos períodos de tempo em contacto, as células são capazes de interagir e criar fortes ligações, capazes de prevalecer por longos períodos de cultura (proliferação). Relativamente à diferenciação celular dos osteoblasts MG63, os resultados demonstraram, com grande detalhe, a evolução do desenvolvimento osteoblástico, sendo, ainda, perceptiva uma pequena melhoria nos níveis de cálcio e fosfato proporcionado pelas propriedades bioactivas do filme anódico. Quanto às superfícies tribologicamente modificadas, foi evidente a adesão e progressão celular, contudo de uma forma mais lenta do que nas superfícies consideradas normais. Além disso, foi comprovada a preferência dos osteoblastos MG63 por superfícies mais rugosas. Porém, em investigações futuras, as condições do tratamento anódico deverão ser mudados, começando por exemplo pela composição do electrólito. Deste modo, melhorias mais significativas no comportamento celular poderão ser alcançadas.