Aktywność biologiczna komórek śródbłonka naczyniowego na azotowanym stopie tytanu Ti-6Al-4V

• Autorzy: Sowińska A. , Borowski T. , Ossowski M. , Kaleta M. , Wierzchoń T. , Czarnowska E.

Warianty tytułu

EN

The biological activity of endothelial cells on nitrided Ti-6Al-4V titanium alloy

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Dotychczas nie przeprowadzono weryfikacji biologicznej dyfuzyjnej warstwy azotowanej TiN + Ti2N + αTi(N) wytworzonej w warunkach niskotemperaturowego azotowania o atrombogennych właściwościach, jako podłoża dla komórek śródbłonka. Dlatego celem badań była ocena wpływu warstwy azotowanej TiN w strefie zewnętrznej na adhezję, proliferację i aktywację śródbłonków naczyniowych. Badano próbki ze stopu tytanu z warstwą azotowaną wytworzoną metodą niskotemperaturowego azotowania jarzeniowego, sterylizowane plazmowo. Materiałem kontrolnym były szkiełka podstawowe z komór inkubacyjnych Lab-Tek (Nunc) oraz referencyjny stop tytanu Ti-6Al-4V. Właściwości warstwy badano w zakresie mikrostruktury, topografii oraz morfologii powierzchni (SEM, AFM), chropowatości (optyczny profilometr skanujący), składu fazowego (XRD) oraz składu chemicznego (GD-OES). W badaniach biologicznych analizowano ilość i rozmieszczenie fibrynogenu i albuminy, składowych biofilmu wytworzonego po inkubacji osocza dawcy krwi na badanym materiale oraz adhezję i proliferację komórek śródbłonka linii HUVEC (Lonza). Ponadto badano aktywację śródbłonków, oceniając ekspresję P-selektyny i ICAM-1. Warstwy dyfuzyjne TiN + Ti 2N + αTi(N) o grubości ok. 8 μm charakteryzowały się jednorodną powierzchnią o parametrach chropowatości: Ra = 0,138 μm, Rq = 0,180 μm, Rz = 1,93 μm. Biofilm wytworzony na TiN zawierał większą ilość albuminy i mniejszą ilość fibrynogenu w porównaniu z biofilmem na stopie tytanu Ti-6Al-4V. Komórki śródbłonka charakteryzowały się wrzecionowatym kształtem i brakiem ekspresji adhezyny ICAM-1 przy wzroście na powierzchniach opłaszczonych FBS oraz aktywnością proliferacyjną większą niż na wyjściowym materiale – stopie tytanu Ti-6Al-4V. Otrzymane wyniki badań wskazują na korzystne właściwości warstwy azotowanej na stopie tytanu Ti-6Al-4V jako biomateriału – podłoża dla proliferacji śródbłonków. Uzyskane wyniki biologiczne są analizowane w korelacji z właściwościami powierzchni TiN.

EN

The verification of diffusion nitrided layers of type TiN + Ti 2N + αTi(N) produced under low-temperature conditions characterized by atrombogenic properties, as a substrate for endothelium cells had not been conducted till now. Therefore the aim of this investigation was to estimate the influence of the nitrided TiN surface in the external zone on the adhesion, proliferation and activation of endothelium. Samples of titanium alloy with a nitrided layer produced by the glow discharge nitriding process at low temperature, sterilized in plasma were investigated. Lab-Tek glass slides (Nunc) and a reference titanium alloy, Ti-6Al-4V, were used as controls. The properties of the layer were studied in respect to their microstructure and topography as well as morphology of the surface (SEM, AFM), roughness (optical profilometer), phase (XRD) and chemical (GD-OES) composition. In the biological part, the amount and arrangement of fibrinogen and albumin in biofilm produced after incubation with the serum of donor blood on biomaterial, and the adhesion, as well as proliferation of endothelial cells (HUVEC; Lonza) were studied. Furthermore, the activation of endothelium by P-selectin and ICAM-1 expression was evaluated. The diffusive layers of type TiN + Ti 2N + αTi(N) of c.a. 8 μm thick, exhibited a homogenous surface with roughness parameters: Ra = 0.138 μm, Rq = 0.180 μm, Rz = 1.93 μm. The biofilm produced on TiN contained more albumin and less fibrinogen in comparison to biofilm on the titanium alloy Ti-6Al-4V. The endothelial cells on the nitrided layer were spindle-shaped and showed a lack of ICAM-1 expression after incubation on a coated FBS surface and greater proliferation activity than those incubated on the titanium alloy T-i6Al-4V. The obtained results indicate favorable properties of the nitrided surface layer on the titanium alloy Ti-6Al-4V as a biomaterial for endothelial proliferation. The biological results are discussed in respect to the surface properties of TiN.

Słowa kluczowe

PL

warstwa azotowana; azotowanie jarzeniowe; śródbłonek; hemozgodność; P-selektya; ICAM-1

EN

nitrided layer; glow discharge nitriding; endothelium; hemocompatibility; P-selectin; ICAM-1

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 33, nr 3
• Strony: 202--205
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys.

Twórcy

autor

Sowińska A.

• Zakład Patologii, Instytut „Pomnik – Centrum Zdrowia Dziecka”, Warszawa

autor

Borowski T.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

autor

Ossowski M.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

autor

Kaleta M.

• Zakład Patologii, Instytut „Pomnik – Centrum Zdrowia Dziecka”, Warszawa

autor

Wierzchoń T.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

autor

Czarnowska E.

• Zakład Patologii, Instytut „Pomnik – Centrum Zdrowia Dziecka”, Warszawa

Bibliografia

• [1] Liu X., Chu P., Liu X., Chu P. K., Ding Ch.: Surface modification of titanium, titanium alloys, and related materials for biomedical applications. Material Science and Engineering R47 (2004) 49÷121.
• [2] Williams D. F.: Biocompatibility of clinical implant materials. Edited by D. F. Williams, CRC Press: Boca Raton (1981).
• [3] Kim H., Kim C. Y., Kim D. W., Lee I. S., Lee G. H., Park J. C., Lee S. J., Lee K. Y.: Wear performance of self-mating contact pairs of TiN and TiAlN coatings on orthopedic grade Ti-6Al-4V. Biomed. Mater. 5 (4) (2010) 044108.
• [4] Zang D., Zang Z., Zi Z., Zang Y., Zeng W., Chu P. K.: Fabrication of gradient TiN coatings on nitinol occluders and effects on in vivo nickel release. Biomed. Mater. Eng. 18 (6) (2008) 387÷393.
• [5] Czyrska-Filemonowicz A., Buffat P. A., Łucki M., Moskalewicz T., Rakowski W., Lekki J., Wierzchoń T.: Transmission electron microscopy and atomic force microscopy characterization of titanium-base alloys nitride under glow discharge. Acta Materialia 53 (2005) 4367÷4377.
• [6] Ossowski M., Borowski T., Wierzchoń T.: Analiza struktury warstw azotowanych wytworzonych na stopie tytanu w różnych obszarachwyładowania jarzeniowego. Inżynieria Materiałowa 5 (2009) 294÷297.
• [7] Scarano A., Piattelli M., Vrespa G., Caputi S., Piattelli A.: Bacterial adhesion on titanium nitride-coated and uncoated implants: an in vivo human study. J. Oral Implant. 29 (2003) 80÷85.
• [8] Dion I., Baquey C., Candelon B., Monteites J. R.: Hemocompatibility of titanium nitride. Int. J. Artif. Organs 15 (1992) 617÷621.
• [9] Karagkiozaki V. C., Logothatidis S. D., Kassavetis S. N.: Nanomedicine for reduction of the thrombogenicity of stent coatings. Int. J. Nanomed. 5 (2010) 239÷248.
• [10] Czarnowska E., Wierzchon T.: Improvement of titanium alloy for biomedical applications by nitriding and carbonitriding processes under glow discharge conditions. J. Mater. Sci.: Mat. in Med. 11 (2000) 73÷81.
• [11] Bruni S., Martinesi M., Stio M. et al.: Effects of surface treatment of Ti-6Al-4V titanium alloy on biocompatibility in cultured human umbilical vein endothelial cells. Acta Biomaterialia 1 (2005) 223÷234.
• [12] Pareta R. A., Reising A. B., Miller T., Storey D., Webster T. J.: Increased endothelial cell adhesion on plasma modified nanostructured polymeric and metallic surfaces for cardiovascular stent applications. Biotech Bioengineering 103 (2009) 459÷471.
• [13] Liliensiek S. J., Wood J. A., Yong J. et al.: Modulation of human endothelial cell behaviours by nanotopographic cues. Biomaterials 31 (2010) 5418÷5426.
• [14] Roca-Cusachs P., Alcaraz J., Sunyer R., Samitier J., Farre R., Navajas D.: Micropatterning of single endothelial cell shape reveals a tight coupling between nuclear volume in G1 and proliferation. Biophys. J. 94 (2008) 4984÷4995.
• [15] McGuigan A. P., Sefton M. V.: The influence of biomaterials on endothelial cell thrombogenicity. Biomaterials 28 (2007) 2547÷2571.
• [16] Karagkiozaki V., Logothetidis S., Kalfagiannis N., Lousinian S., Giannoglou G.: Atomic force microscopy probing platelet activation behavior on titanium nitride nanocoatings for biomedical applications. Nanomedicine 5 (1) (2009) 64÷72.
• [17] Wierzchoń T., Czarnowska E., Maranda-Niedbała A., Zegadło-Mylik M.: Obróbki jarzeniowe tytanu i jego stopów w aspekcie zastosowań w medycynie. Inż. Mater. 20 (2) (1999) 57÷61.

Uwagi

PL

Praca realizowana w ramach projektu rozwojowego nr 13-0118-10/2011