Čes. stomatol. Prakt. zub. lék. (Czech Dental Journal) 2019; 119(3): 81-87 | DOI: 10.51479/cspzl.2019.021

Cytokompatibilita anodizovaných povrchů implantačních materiálů

J. Krčil1,*, V. Březina2, J. Vaněk3
1 Ústav materiálového inženýrství, Fakulta strojní Českého vysokého učení technického, Praha
2 Laboratoř tkáňových kultur, Fakulta rybářství a ochrany vod Jihočeské univerzity, Nové Hrady
3 Stomatologická klinika, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity a Fakultní nemocnice u sv. Anny, Brno

Úvod a cíl: Oxidické vrstvy na povrchu titanové slitiny mají vliv na odolnost proti korozi a biokompatibilitu. Vynikající kompatibilita mezi tkání, kostí a slitinou titanu je převážně řízena vlastnostmi jeho stabilní povrchové vrstvy složené z oxidu titaničitého. Oxidové vrstvy mohou být připraveny mnoha různými metodami; oxidační proces a jeho podmínky vedou k různým vrstvám: rozdíly jsou v chemickém složení, mechanických vlastnostech, struktuře atd. Odchylka ve struktuře vrstvy může ovlivnit stabilitu, přilnavost nebo biokompatibilitu vrstvy.
Anodická oxidace titanových slitin ve vhodném médiu (a za určitého napětí a proudové hustoty) může vytvořit nejen oxidickou vrstvu, ale také strukturu na povrchu oxidické vrstvy. Tato struktura je obvykle charakterizována póry o velikosti od desítek do stovek nanometrů. Strukturovaný povrch radikálně mění interakci mezi povrchem titanu a buňkami, a tím i chování tohoto materiálu uvnitř těla. Chování buněk na strukturovaném povrchu různých slitin titanu není dosud řádně popsáno. Tato experimentální práce povede k lepšímu pochopení těchto strukturovaných oxidových vrstev.

Metody: Anodická oxidace byla provedena na vyleštěných vzorcích z Ti6Al4V ELI. Oxidační proces probíhal v elektrolytu 1M H2SO4 s napětím kolem 100 V a proudovou hustotou 50 mA/cm2. Výsledná oxidická vrstva byla hodnocena a dokumentována pomocí řádkovací elektronové mikroskopie (SEM), kterou byla kontrolována tloušťka oxidické vrstvy a povrchová morfologie. Pozorována byla také změna zbarvení a drsnosti povrchové vrstvy po oxidaci související s růstem oxidů.
Cytokompatibilita povrchu materiálu je vyjádřena stanovením plochy povrchu, kterou obsadí buňky po třídenní kultivaci. Jedná se o metodu, která je běžně užívána a akreditována Českým institutem pro akreditaci. K pokusu byly užity buňky MG63 a bylo stanoveno procento buňkami kolonizované plochy povrchu. Hodnocení bylo provedeno na leštěných a anodizovaných površích vzorků z Ti6Al4V ELI. Výsledky byly navzájem porovnány.

Výsledky: Byly připraveny vzorky s povrchem nanostrukturovaným pomocí anodické oxidace, přičemž struktura povrchu byla tvořena póry o velikostech v řádech desítek až stovek nanometrů.
Výsledky pokusů ukázaly větší vůli buněk kolonizovat anodizovaný povrch. Neanodizovaný povrch byl kolonizován v 56,9 %, kdežto anodizovaný byl při stejných podmínkách kolonizován v 63,5 %. Všechny výběrové soubory byly gaussovsky distribuovány.

Závěr: Anodickou oxidací byla připravena nanostrukturovaná oxidická vrstva na vzorcích z Ti6Al4V ELI. Cytokompatibilita vytvořené vrstvy byla porovnávána vůči neoxidovaným vzorkům. Bylo ukázáno, že buňky kolonizují větší plochu povrchu vzorku v případě oxidovaných vzorků.

Klíčová slova: titan; oxidická vrstva; cytokompatibilita; buňky; MG63; anodická oxidace

The cytocompatibility of anodized surfaces for implant materials

Introduction, aim: The oxide layers on surface of titanium alloy are influencing corrosion resistance and biocompatibility. The compatibility between the bony tissue and titanium alloy is prevalently dependent on properties of a stable titanium dioxide layer. These layers can be prepared by various methods. The oxidation process (and its conditions) is resulting in different types of oxide layer: difference in chemical composition, mechanical properties, inner structure etc. The deviation inside of the layers structure may influence the stability of the layer, its adhesion or biocompatibility.
The anodic oxidation of titanium alloys in appropriate electrolyte (under certain conditions) can lead not only to creation of the oxide layer, but to creation of an oxide layer with structured surface. This kind of structure is usually characterized by pores in nanometer scale. The structured surface radically changes the interaction between the titanium alloys surface and cells; and thus influencing its behavior inside a body. The cell interaction with the structured surfaces is not properly described yet. This work aims for better understanding of such structured layers.

Methods: The anodic oxidation was carried out on Ti6Al4V ELI polished samples. The oxidation process was realized in 1M H2SO4 electrolyte with the voltage 100 V and current density 50 mA/cm2. The thickness and surface morphology of the resulting oxide layer were
evaluated and documented using a scanning electron microscope (SEM). The changes of color and roughness of the surface after the oxidation were observed as well.
The cytocompatibility of the materials surface is expressed by a surface area colonized by cells after the three days of cultivation. This method is standardly used and accredited by ČIA. The MG63 cells were used for the experiment and the percentage of colonized surface area was evaluated. The evaluation was done on polished and oxidized Ti6Al4V ELI samples and the results were compared.

Result: The structure of samples prepared using the anodic oxidation consisted of pores with size ranging from tens to hundreds of nanometers.
The cytocompatibility testings showed that the cells colonized larger area on the oxidized samples. The cells covered 56.9% of the surface area of the polished samples, while 63.5% of the surface area of the anodized samples. Results of all samples exhibited Gaussian distribution.

Conclusion: The anodic oxidation lead to a creation of nanostructured oxide layer on Ti6Al4V ELI samples. The cytocompatibility of this layer was compared to polished samples. It was shown that cells are colonizing the larger surface area on the oxidized samples.

Keywords: titanium; oxide layer; cytocompatibility; cells; MG63; anodic oxidation

Zveřejněno: 1. září 2019  Zobrazit citaci

ACS AIP APA ASA Harvard Chicago Chicago Notes IEEE ISO690 MLA NLM Turabian Vancouver
Krčil J, Březina V, Vaněk J. Cytokompatibilita anodizovaných povrchů implantačních materiálů. Čes. stomatol. Prakt. zub. lék. 2019;119(3):81-87. doi: 10.51479/cspzl.2019.021.
Sdílet...
Stáhnout citaci
  • BibTeX (.bib)
  • Bookends (.ris)
  • EasyBib (.ris)
  • EndNote (.enw)
  • EndNote 8 (.xml)
  • ISI WoS (.isi)
  • Medlars (.medlars)
  • Mendeley (.ris)
  • MODS (.xml)
  • Papers (.ris)
  • RefWorks (.txt)
  • RefManager (.ris)
  • RIS (.ris)
  • MS Word (.xml)
  • Zotero (.ris)
    • Zobrazit celý článek

    Reference

    1. Yoshiki O. Bioscience and bioengineering of titanium materials. Elsevier; 2007. cit 22. červen 2019. doi: 10.1016/b978-0-08-045142-8.x5000-2. Dostupné z: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B9780080451428X50002
    2. Zhang F, Burkel E. Novel titanium manganese alloys and their macroporous foams for biomedical applications prepared by field assisted sintering. biomedical engineering, trends in materials Science. 2011 cit. 22. červen 2019; doi: 10.5772/12874.Dostupné z: https://www.intechopen.com/books/biomedical-engineering-trends-in-materials-science/novel-titanium-manganese-alloys-and-their-macroporous-foams-for-biomedical-applications-prepared-by Přejít k původnímu zdroji...
    3. Tolde Z, Starý V, Cvrček L, Vandrovcová M, Remsa J, Daniš S, Krčil J, Špatenka P. Growth of a TiNb adhesion interlayer for bioactive coatings. Mater Sci Eng: C. 2017; 80: 652-658. doi: 10.1016/j.msec.2017.07.013. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
    4. Jirka I, Vandrovcová M, Frank O, Tolde Z, Plšek J, Luxbacher T, et al. On the role of Nb-related sites of an oxidized β-TiNb alloy surface in its interaction with osteoblast-like MG-63 cells. Mater Sci Eng: C. 2013; 33(3): 1636-1645. doi: 10.1016/j.msec.2012.12.073. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
    5. Godley R, Starosvetsky D, Gotman I. Corrosion behavior of a low modulus β-Ti-45%Nb alloy for use in medical implants. J Materials Sci: Mater Med. 2006; 17(1): 63-67. doi: 10.1007/s10856-006-6330-6. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
    6. Niinomi M, Nakai M, Hieda J. Development of new metallic alloys for biomedical applications. Acta Biomaterialia. 2012; 8(11): 3888-3903. doi: 10.1016/j.actbio.2012.06.037. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
    7. Gilbert J. Medical Device Materials V: Proceedings of the Materials & Processes for Medical Devices Conference 2009, August 10-12, 2009, Minneapolis, MN, USA. ASM International; 2010. 285 s.
    8. Metikoš-Huković M, Kwokal A, Piljac J. The influence of niobium and vanadium on passivity of titanium-based implants in physiological solution. Biomaterials. 2003; 24(21): 3765-3775. doi: 10.1016/0376-4583(85)90077-9. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
    9. Cui X, Kim HM, Kawashita M, Wang L, Xiong T, Kokubo T, Nakamura T. Preparation of bioactive titania films on titanium metal via anodic oxidation. Dent Mater. 2009; 25(1): 80-86. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
    10. Zorn G, Lesman A, Gotman I. Oxide formation on low modulus Ti45Nb alloy by anodic versus thermal oxidation. Surface Coatings Technol. 2006; 201(3): 612-618. doi: 10.1016/j.dental.2008.04.012. Přejít k původnímu zdroji...
    11. Bae I-H, Yun K-D, Kim H-S, Jeong B-C, Lim H-P, Park S-W, et al. Anodic oxidized nanotubular titanium implants enhance bone morphogenetic protein-2 delivery. J Biomed Materials Res Part B: Applied Biomaterials. 2010; 93B(2): 484-491. doi: 10.1002/jbm.b.31606. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...
    12. Homolková M, Březina V. Interakce slitiny kovu a buněčné linie. Chem Listy. 109; 2015(2): 151-154.
    13. Krčil J, Mára V, Krum S, Sobotová J. The characterization of anodic oxide layers on selected bio-compatible titanium alloys. Acta Polytechnica. 2018; 58(4): 240. doi: 10.14311/AP.2018.58.0240. Přejít k původnímu zdroji...
    14. Krčil J, Rafaj Z, Mára V, Krum S, Starý V,Nehasil V, et al.The analysis of thermal and anodic oxide layers on selected biocompatible titanium alloys. Surface Interface Analysis. 2018; 50(11): 1007-1011. doi: 10.1002/sia.6466. Přejít k původnímu zdroji...
    15. Yang B, Uchida M, Kim H-M, Zhang X,Kokubo T. Preparation of bioactive titanium metal via anodic oxidation treatment. Biomaterials. 2004; 25(6): 1003-1010. doi: 10.1016/S0142-9612(03)00626-4. Přejít k původnímu zdroji... Přejít na PubMed...

    Tento článek je publikován v režimu tzv. otevřeného přístupu k vědeckým informacím (Open Access), který je distribuován pod licencí Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0), která umožňuje nekomerční distribuci, reprodukci a změny, pokud je původní dílo řádně ocitováno. Není povolena distribuce, reprodukce nebo změna, která není v souladu s podmínkami této licence.


    Zpět na obsah