Interactions between bio-tribocorrosion phenomena and cellular response of titanium-based femoral stems

Abstract

In orthopedics, the loosening/failure of the femoral stem of hip implants is a major concern. In uncemented Ti-based implants, the tribochemical reactions occurring at the implant/bone interface due to micromotion are known to contribute to these failures. However, the bio-tribocorrosion behavior of metallic materials and related mechanisms, induced by relative movements in a biological environment, is a complex process, largely unknown at present. Particularly, knowledge on the interplay between the influence of relevant proteins and cells on the material degradation by tribocorrosion processes, and the effect of the degradation products on the cell growth, proliferation and differentiation is still lacking. In this project, a fundamental investigation of the mechanisms influencing the bio-tribocorrosion behavior of Ti-femoral stems colonized with osteoblastic cells is presented. It is hypothesized that the biotribocorrosion behavior of Ti6Al4V and the osteoblast cells will influence the behavior of each other simultaneously at the femoral stem interface. The synergism between the mechanical action, electrochemical degradation and cellular environment present at the contact were addressed. In addition, the influence of the degradation products on the osteoblast behavior was investigated in order to understand how the cells respond under the simultaneous action of mechanical (tribological) and chemical (corrosion) stimulus and in the presence of wear debris and metal ions. The presence of proteins and osteoblasts were shown to influence significantly the tribocorrosion resistance of the Ti6Al4V alloys. The results showed that these organic species on the surface increase the corrosion and wear resistance of the alloy to the harsh tribocorrosion effects. They protect the surface from further degradation, despite the cellular damage they might cause to the cells. This study brings a fundamental contribution of the innovative knowledge of the synergistic role of biological and tribocorrosive effects on the degradation mechanisms of the hip implant, in order to provide an increased life-span of these implants and a better quality of life for the patients.

Em ortopedia, a falha da haste femoral dos implantes da anca é uma grande preocupação. Em implantes construídos com ligas de titânio não cimentadas, as reações tribológicas e químicas que ocorrem na interface osso-implante, devido aos micro-movimentos, são conhecidos por contribuir para estas falhas. No entanto, o comportamento de bio-tribocorrosão de materiais metálicos e os mecanismos associados, que são induzidos por movimentos que ocorrem no ambiente biológico, é um processo complexo, em grande parte desconhecido até ao momento. Particularmente, o conhecimento sobre a interação entre a influência das proteínas e células relevantes na degradação de materiais por processos tribocorrosão, e o efeito dos produtos de degradação no crescimento celular, proliferação e diferenciação ainda não está bem estudado na literatura. Neste projeto, é apresentada uma investigação elementar dos mecanismos que influenciam o comportamento da bio-tribocorrosão de ligas de titânio das hastes femorais colonizadas com células osteoblásticas. A hipótese principal deste trabalho prende-se com o facto de que o comportamento das ligas de titânio sob a ação dos processos de bio-tribocorrosão e as células osteoblásticas na interface da haste femoral irão influenciar a sua resposta reciprocamente. A sinergia entre a ação mecânica, degradação eletroquímica e o ambiente celular presente na zona de contato foram abordados neste estudo. Além disso, a influência dos produtos de degradação no comportamento de osteoblastos foi também investigado, a fim de compreender como as células respondem sob a ação simultânea dos estímulos mecânicos (tribológicos) e químicos (corrosão) e também na presença de detritos de desgaste e iões metálicos. A presença de proteínas e de osteoblastos mostraram ter uma influência significativa na resistência das ligas Ti6Al4V à tribocorrosão. Os resultados mostraram ainda que as espécies orgânicas na superfície do material aumentam a corrosão e a resistência ao desgaste da liga quando submetidas a efeitos de tribocorrosão. Eles protegem a superfície de uma degradação posterior mais avançada, apesar dos danos celulares que possam causar às células. Este estudo traz uma contribuição fundamental do conhecimento inovador da sinergia dos efeitos biológicos e tribocorrosivos sobre os mecanismos de degradação do implante da anca, a fim de proporcionar um maior tempo de vida a estes implantes e uma melhor qualidade de vida para os pacientes.