Wpływ wielokrotnej sterylizacji na właściwości biomateriałów

• Autorzy: Bociąga D. , Jastrzębski K. , Olejnik A. , Świątek L. , Marchwicka M.

Warianty tytułu

EN

Influence of the multiple sterilization process on the biomaterial properties

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Materiały metaliczne, między innymi stopy tytanu posiadają liczne właściwości, które pozwalają na ich częste stosowanie do produkcji wyrobów biomedycznych. Wszystkie urządzenia przeznaczone do celów medycznych przed użyciem muszą przejść proces sterylizacji. W praktyce niektóre z nich mogą być poddane więcej niż jednemu cyklowi sterylizacji przed umieszczeniem w ciele pacjenta. Pomimo tego, że sterylizacja jest jednym ze standardowych procesów, któremu podlegają wszystkie implanty, może być ona przyczyną zmian właściwości powierzchniowych materiału. Celem niniejszej pracy było sprawdzenie, jak proces wielokrotnej sterylizacji wpływa na właściwości powierzchniowe oraz odpowiedź komórkową dla grupy próbek wykonanych z dwóch stopów tytanu: Ti6Al4V i Ti6Al7Nb. Wypolerowane próbki obu stopów zostały poddane jednemu, pięciu oraz dziesięciu cyklom sterylizacji parowej. Próbki zostały przebadane pod kątem morfologii powierzchni (SEM) oraz składu chemicznego (EDS), a także topografii powierzchni (profilometr) oraz zwilżalności (pomiar kąta zwilżania metodą kropli). Badania cytotoksyczności i proliferacji komórek zostały przeprowadzone poprzez wykonanie testu live/dead z wykorzystaniem komórek kościotwórczych linii Saos-2. Przeprowadzone badania dowodzą, że wielokrotna sterylizacja powoduje pojawianie się zanieczyszczeń na powierzchni materiału oraz zwiększenie grubości warstwy tlenkowej. Wartości energii powierzchniowej oraz parametrów chropowatości wzrosły wraz ze wzrostem liczby cykli sterylizacji. Proliferacja komórek na wysterylizowanych próbkach ze stopów tytanu była mniejsza niż w przypadku stali nierdzewnej oraz próbki kontrolnej, chociaż żadna z próbek nie wykazała cytotoksyczności. Porównując dwa przebadane stopy tytanu, mniejsza proliferacja została odnotowana na próbkach Ti6Al7Nb.

EN

Due to their favorable properties, numerous metallic materials, including titanium alloys are chosen for biomedical applications. A final preparation step before the implantation of a metallic biomaterial is sterilization. In fact, some of the devices may undergo a multiple sterilization process before they are placed into the human body. Although sterilization is a part of a standard procedure, it might affect the surface properties of the material. The purpose of this study was to check the influence of multiple sterilization process on surface properties and biological response of two titanium alloys: Ti6Al4V and Ti6Al7Nb. Samples of both alloys were mechanically polished and subjected to 1, 5 or 10 stem sterilization cycles. Representative samples from each group were examined in term of surface morphology (SEM), chemical composition (EDS), topography (profilometer) and wettability (sessile drop technique). Cell proliferation and cytotoxicity assay were carried out with the use of live/dead test of Saos-2 osteoblast-like cells line. Examinations showed that the multiple sterilization process caused occasional appearance of contaminations on the surfaces, as well as increase in the oxide layer thickness. Values of surface energy and surface roughness parameters increased with the increasing number of sterilization cycles. Proliferation of cells on the surface of sterilized titanium alloys was lower than in the case of stainless steel and control sample. At the same time, none of the examined samples showed cytotoxicity. Comparing two titanium alloys, considerably lower number of cells was observed on Ti6Al7Nb surface.

Słowa kluczowe

PL

Ti6Al4V; Ti6Al7Nb; wielokrotna sterylizacja; chropowatość powierzchni; zwilżalność; biozgodność

EN

Ti6Al4V; Ti-6Al-7Nb; multiple sterilization; surface roughness; wettability; biocompatibility

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 19, no. 136
• Strony: 11--20
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Bociąga D.

• Politechnika Łódzka, Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Inżynierii Biomedycznej i Materiałów Funkcjonalnych ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź

autor

Jastrzębski K.

• Politechnika Łódzka, Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Inżynierii Biomedycznej i Materiałów Funkcjonalnych ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź

autor

Olejnik A.

• Politechnika Łódzka, Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Inżynierii Biomedycznej i Materiałów Funkcjonalnych ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź

autor

Świątek L.

• Politechnika Łódzka, Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Inżynierii Biomedycznej i Materiałów Funkcjonalnych ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź

autor

Marchwicka M.

• Politechnika Łódzka, Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Inżynierii Biomedycznej i Materiałów Funkcjonalnych ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź

Bibliografia

• [1] H. Hermawan, D. Ramdan, J.R.P. Djuansjah: Metals for Biomedical Applications, Universiti Teknologi Malaysia, Malaysia (2011).
• [2] H.J. Rack, J.I. Qazi: Titanium alloys for biomedical applications. Materials Science and Engineering 26, 8 (2006) 1269-1277.
• [3] M. Niinomi: Mechanical properties of biomedical titanium alloys. Materials Science and Engineering 243, 1-2 (1998) 231-236.
• [4] W.J. Rogers: Sterilisation of Biomaterials and Medical Devices, Woodhead Publishing (2012).
• [5] Y.N. Zhou, M.D. Breyen: Joining and assembly of medical materials and devices, Woodhead Publishing (2013).
• [6] D. Buser, R.K. Schenk, S. Steinemann, J.P. Fiorenellini, C.H. Fox, H. Stich: Influence of surface characteristics on bone integration of titanium implants. A histomorphometric study in miniature pig. Journal of Biomedical Materials 25,7 (1991) 889-902.
• [7] K. Anselmea, M. Bigerelle: Topography effects of pure titanium substrates on human osteoblast long-term adhesion. Acta Biomaterialia 1, 2 (2005) 211-222.
• [8] Z. Schwartz, J.Y. Martin, D.D Dean, J. Simpson, D.L. Cochran, B.D. Boyan: Effect of titanium surface roughness on chondrocyte proliferation, matrix production, and differentiation depends on the state of cell maturation. J Biomed Mater Res 30 (1996) 145-155.
• [9] K. Kieswetter, Z. Schwart, D.D. Dean, B.D. Boyan: The role of implant surface characteristics in the healing of bone. Crit Rev Oral Biol Med 7, 4 (1996) 329-345.
• [10] K. Gotfredsen, T. Berglundh, J. Lindhe: Anchorage of titanium implants with different surface characteristics: an experimental study in rabbits. Journal of Dentistry 30, 5-6 (2002) 195-203.
• [11] K. Suzuki, K. Aoki, K. Ohya: Effects of surface roughness of titanium implants on bone remodeling activity of femur in rabbits. Bone 21, 6 (1997) 507-514.
• [12] H.J. Ronold, J.E. Ellingsen: Effect of micro-roughness produced by TiO2 blasting-tensile testing of bone attachment by using coin- -shaped implants. Biomaterials 23, 21 (2002) 4211-4219.
• [13] L. Ponsonnet, K. Reybier, N. Jaffrezic, V. Comte, C. Lagneau, M. Lissac, C. Marteleta: Relationship between surface properties (roughness, wettability) of titanium and titanium alloys and cell behavior. Materials and engineering 23, 4 (2003) 551-560.
• [14] L.F. Cooper: A role for surface topography in creating and maintaining bone at titanium endosseous implants. The Journal of Prosthetic Dentistry 84, 5 (2000) 522-553.
• [15] F. Rupp, R.A. Gittens, L. Scheideler, A. Marmur, B.D. Boyan, Z. Schwartz, J. Geis-Gerstorfer: A review on the wettability of dental implant surfaces I: Theoretical and experimental aspects. Acta Biomaterialia 10, 7 (2014) 2894-2906.
• [16] C. Eriksson, H. Nygren, K. Ohlson: Implantation of hydrophilic and hydrophobic titanium discs in rat tibia: cellular reactions on the surfaces during the first 3 weeks in bone. Biomaterials 25, 19 (2004) 4759-4766.
• [17] M.M Bornstein, P. Valderrama, A.A. Jones, T.G. Wilson, R. Seibl, D.L. Cochran: Bone apposition around two different sandblasted and acid-etched titanium implant surfaces: a histomorphometric study in canine mandibles. Clin Oral Implants 19, 3 (2008) 233-241.
• [18] R. McEvoy, P. McLiesh: The effect of multiple sterilizations on titanium and stainless steel plates and screws. Cambridge Publishing (2013) [19] F. Schwarz, M. Wieland, Z. Schwartz, G. Zhao, F. Rupp, J.Geis‐Gerstorfer, S.J. Ferguson: Potential of chemically modified hydrophilic surface characteristics to support tissue integration of titanium dental implants. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials 88, 2 (2009) 544-557.
• [20] J.D. Bronzino: The biomedical engineeting handbook, Springer Science & Business Media (2000)
• [21] P.J. Vezeau, G.F. Koorbusch, R.A. Draughn, J.C. Keller: Effects of Multiple Sterilization on Surface Characteristics and In Vitro Biologic Responses to Titanium. J Oral Maxillofac Surg. 54, 6 (1996) 738-746.
• [22] C.C Shih, Y.Y. Su, L.C. Chen, C.M. Shih, S.J. Lin: Degradation of 316L stainless steel sternal wire by steam sterilization. Acta Biomaterialia 6, 6 (2010) 2322-2328.
• [23] M. Pegueroles, F.J. Gil, J.A. Planell, C. Aparicio: The influence of blasting and sterilization on static and time-related wettability and surface-energy properties of titanium surfaces. Surface & Coatings Technology 202 (2008) 3470-3479.
• [24] M.J. Donachie: Titanium: A Technical Guide, 2nd Edition, ASM International (2000).
• [25] G. Raj: Advanced inorganic chemistry, GOEL publ. house (1975).
• [26] Z. Chen, K. Zhou, Z. Li: Steam-induced changes in surface characteristics and corrosion resistance of spark-anodized titanium. Thin Solid Films 584 (2015) 161-164.
• [27] J.H. Park, R. Olivares-Navarrete, R.E. Baier, A.E. Meyer, R. Tannenbaum, B.D. Boyan, Z. Schwartz: Effect of cleaning and sterilization on titanium implant surface properties and cellular response. Acta Biomaterialia 8 (2012) 1966-1975.
• [28] L.D. Zardiackas, M.J. Kraay, H.L. Freese: Titanium, Niobium, Zirconium, and Tantalum for Medical and Surgical Applications, ASTM International, 2006.
• [29] C. Trepanier, M. Tabrizian, L.H. Yahia, I.L. Bilodeau, D.L. Piron: Effect of Modification of Oxide Layer on NiTi Stent Corrosion Resistance. Journal of Biomedical Materials Research 43, 4 (1997) 433-440.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).