Пролиферация клеток-предшественников остеобластов на поверхности нанопроволок TiO2, анодно выращенных на β

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 7895 (2022) Цитировать эту статью

669 Доступов

1 Цитаты

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Исследования показали, что нанотрубки TiO2 (ТНТ), выращенные анодно, обладают превосходной биосовместимостью. Однако нанопроволокам TiO2 (TNW) уделяется меньше внимания. Целью данного исследования было изучение пролиферации клеток-предшественников остеобластов на поверхности ТННК, выращенных электрохимическим анодированием сплава Ti-35Nb-7Zr-5Ta (ТНЗТ). В качестве контрольных образцов использовали ТНТ и плоские поверхности ТНЗТ. Клетки MC3T3-E1 культивировали на поверхности образцов в течение до 5 дней, а жизнеспособность и пролиферацию клеток исследовали с помощью флуоресцентной микроскопии, колориметрического анализа и сканирующей электронной микроскопии. Результаты показали более низкую скорость пролиферации клеток на поверхности TNW по сравнению с контрольными образцами без существенных различий в выживаемости клеток в разных экспериментальных условиях. Измерения углов смачивания показали хороший уровень гидрофильности TNW, однако их относительно тонкий диаметр и высокая плотность могли повлиять на пролиферацию клеток. Хотя необходимы дополнительные исследования, чтобы понять все параметры, влияющие на биосовместимость, эти наноструктуры TiO2 могут представлять собой многообещающие инструменты для лечения костных дефектов и регенерации костной ткани, среди других приложений.

Титан и его сплавы обладают высокой удельной прочностью (отношением прочности к весу) и лучшей биосовместимостью среди металлов. Титан естественным образом образует на своей поверхности оксид (TiO2), который эффективно защищает его от коррозии даже в водных средах. Таким образом, несмотря на относительно высокие производственные затраты, титан имеет преимущества для многих применений, особенно в аэрокосмической1 и биомедицинской промышленности2. При низких температурах чистый титан имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру, известную как α-фаза, которая претерпевает аллотропное превращение при 882 °C в объемноцентрированную кубическую структуру, известную как β-фаза. Чтобы стабилизировать β-фазу при более низких температурах, к титану можно добавлять легирующие элементы, такие как Mo, Nb, V и Ta. Титановые сплавы широко используются для производства биомедицинских материалов, особенно тех, которые используются для замены твердых тканей. β-фаза титана имеет значительно низкий модуль упругости, что повышает механическую совместимость между имплантатом и костью. Модуль упругости имплантата должен быть как можно ближе к модулю упругости кости, чтобы уменьшить эффект защиты от напряжений3, что является серьезной проблемой, которая может вызвать потерю костной массы (остеопению) и в конечном итоге привести к отказу имплантата. Модули упругости широко используемых биоматериалов, таких как технически чистый титан или нержавеющая сталь, могут быть в шесть раз выше, чем у кости4. В последние годы титановые сплавы β-типа на основе четвертичной системы Ti-Nb-Zr-Ta изучались для применения в хирургических имплантатах5 из-за их превосходной биосовместимости и низких модулей упругости. Одним из таких материалов является Ti-35Nb-7Zr-5Ta (ТНЗТ) – метастабильный β-титановый сплав с низким модулем упругости (около 60 ГПа6,7), не содержащий токсичных элементов. Еще одной важной проблемой является способность имплантата остеоинтегрироваться, то есть образовывать стабильную фиксацию с костью. Когда имплантат вводится в организм человека, он вызывает воспалительную реакцию, которая заканчивается инкапсуляцией имплантата молекулами коллагена. Этого образования капсул трудно избежать, но материалы на основе титана демонстрируют минимальную инкапсуляцию по сравнению с другими биомедицинскими металлами, такими как нержавеющая сталь и сплавы Co-Cr2.

Несмотря на преимущества титана перед другими металлическими биоматериалами, необходимы дальнейшие достижения для улучшения остеоинтеграции и снижения частоты отторжения имплантатов. Поскольку биосовместимость имплантата тесно связана с химией и топографией его поверхности, модификации поверхности титана широко изучались8,9, включая рост нанотрубок TiO2 (ТНТ)10 путем электрохимического анодирования. Последний предполагает приложение электрического потенциала между подложкой из титана или титанового сплава (анодом) и противоэлектродом (катодом), разделенными фторидсодержащим электролитом. Образование тротилов при анодировании происходит за счет совокупности одновременных процессов, которые можно резюмировать как конкуренцию между полевым ростом слоя TiO2 и химическим растворением TiO2 фторидсодержащим электролитом, преимущественно происходящим на трубке. база11. Во время анодного роста тротилов нанопроволоки TiO2 (ТНВ) могут образовываться в верхней части тротилов посредством процесса вертикального разделения тротилов, известного как «модель расщепления бамбука»12. Конечная наноструктура состоит из тротилов с ТНЛ наверху, причем длина ТНЛ может быть даже больше, чем у тротила. Параметры анодирования, необходимые для формирования ТНН, могут варьироваться в зависимости от состава подложки (анода), а сплав ТНЗТ способствует их образованию13. ТНН также можно синтезировать другими методами, такими как электроспиннинг, лазерная абляция и окисление14. Термин «нановолокна TiO2» (TNF) также используется в литературе для описания структур, подобных TNW. Хотя разница между этими двумя терминами не ясна, TNW обычно имеют диаметр порядка десятков нанометров, тогда как TNF имеют больший диаметр — до 1 мкм15. И TNW, и TNF имеют большую площадь поверхности, что может способствовать прикреплению и пролиферации клеток. Исследования биосовместимости полимерных волокнистых каркасов16 показали, что этот тип морфологии обеспечивает благоприятную среду для клеток благодаря своему сходству с нативным костным внеклеточным матриксом. Кроме того, выращенные анодно ТННК имеют то преимущество, что их можно легко выращивать даже на имплантатах сложной геометрии, а поскольку они растут непосредственно из подложки, не требуется никаких дополнительных шагов для их прикрепления к поверхности имплантата.