Unravelling the role of chemical and mechanical modifications of titanium surfaces in osteogenic differentiation and bone formation

Abstract

To increase osteoblastic differentiation and the production of mineralized tissue, chemical and structural modifications on the surface of prosthetic implants have been proposed. Studies suggest that these modifications modulate and stimulate osteoblastic differentiation and cell response. We investigated chemical and mechanical alternatives for modifying the surface of Titanium (Ti) and to elucidate its biological effect on the adhesion and differentiation of bone cells and formation of mineralized tissue. In the first study, we focused on the chemical biofunctionalization of the Ti surface. Ti samples were coated with polydopamine (PDA) films and received or not post heat treatment due to sterilization or were kept at room temperature for 2 weeks to simulate shelf storage. The physico-chemical characterizations showed changes in the reactivity of the PDA surface after 2 weeks of storage and heat treatment. Adhesion, proliferation and spreading tests were performed with MC3T3-E1 cells cultured in PDA samples submitted or not to post-treatment. The PDA coating associated with heat treatment stimulated cell proliferation and spreading compared to untreated PDA samples. In a second study, a topographical high throughput screening (HTS) device was proposed to study the biological impact of hierarchical surface structural patterns. Human dental pulp stem cells (hDPSCs) and human fibula bone cells (hBDCs) were seeded on the screening arrays containing 60 different nano topographies and 4 control areas, constructed with the nano-pillars arranged in a square (SQR) and hexagonal (HEX) symmetry. They vary in diameter and interpillar distance. Preliminary tests for proliferation, mineralization and immunodetection of Osteocalcin (OCN) showed significant differences in cell response between topographies built with different parameters. Lateral spacing, or interpillar distance, showed a positive correlation with the modulation of proliferation and osteoblastic differentiation. The surface-induced cellular trends were used to identify and individually manufacture key topographies for osteogenic differentiation

Para acelerar a diferenciação osteoblástica e a síntese de tecido mineralizado, modificações químicas e estruturais na superfície de implantes protéticos têm sido propostas. Estudos sugerem que estas modificações modulam e estimulam a diferenciação e resposta osteoblástica. Neste trabalho, investigamos alternativas químicas e mecânicas de modificação da superfície de Titânio (Ti) e elucidar seu efeito biológico na adesão e diferenciação de células ósseas e formação de tecido mineralizado. No estudo 1, foi abordada a biofuncionalização química da superfície de Ti. Amostras de Ti foram revestidas com filmes de Polidopamina (PDA), e receberam ou não pós tratamento térmico que simulou processo de esterilização. As caracterizações físico-químicas demonstraram mudanças de reatividade da superfície do PDA após 2 semanas de armazenamento ou tratamento térmico devido ao processo de esterilização. Testes de adesão, proliferação e espraiamento foram realizados com células MC3T3-E1 cultivadas sobre essas amostras. O revestimento de PDA associado ao tratamento térmico estimulou a proliferação e espraiamento celular comparado com a as amostras PDA não tratadas. No estudo 2, foi proposta uma plataforma de triagem topográfica de alto desempenho (HTS) para estudo do impacto biológico de padrões estruturais de superfície hierarquizados. Células-tronco de polpa dentária humana (hDPSCs) e células ósseas de Fíbula humana (hBDCs), foram semeadas nos arrays de triagem contendo 60 nano topografias diferentes e 4 áreas de controle; construídas com nano pilares dispostos em simetria quandrangular (SQR) e hexagonal (HEX) que variam em diâmetro e distância interpilar. Testes preliminares de proliferação, mineralização e imuno detecção de Osteocalcina (OCN) demonstraram diferenças significativas na resposta celular entre topografias contruídas com características diferentes. A lateralidade, ou distancia interpilar, apresentou correlação positiva com a modulação de proliferação e diferenciação osteoblástica. As tendências celulares induzidas pelas topografias foram utilizadas para identificar e fabricar individualmente topografias-chave para diferenciação osteogênica.