Dental and Medical Problems

Dent Med Probl
Index Copernicus (ICV 2020) – 128.41
MEiN – 70 pts
CiteScore (2021) – 2.0
JCI – 0.5
Average rejection rate (2021) – 81.35%
ISSN 1644-387X (print)
ISSN 2300-9020 (online)
Periodicity – quarterly

Download PDF

Dental and Medical Problems

2014, vol. 51, nr 2, April-June, p. 212–217

Publication type: original article

Language: Polish

Creative Commons BY-NC-ND 3.0 Open Access

Analiza właściwości fizycznych i biologicznych powierzchni maszynowej i modyfikowanej stopu tytanu Ti6Al4V. Część 2. Badania biologiczne

Assessment of Physical and Biological Properties of Machined and Modified Titanium Alloy Ti6Al4V Surfaces. Part 2. Biological Analysis

Magdalena Łukaszewska-Kuska1,A,B,C,D,E,F, Barbara Dorocka-Bobkowska2,A,B,C,D,E,F, Jana Skrzypczak3,A,B,C,D,E,F, Bartosz Leda1,B,C,D,E,F

1 Klinika Protetyki, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, Poznań, Polska

2 Klinika Chorób Błony Śluzowej Jamy Ustnej, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, Poznań, Polska

3 Klinika Rozrodczości, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, Poznań, Polska

Streszczenie

Wprowadzenie. Ocenę prognozowanego przebiegu osteointegracji materiałów planowanych jako implanty śródkostne można przeprowadzić m.in. za pomocą badania in vitro z zastosowaniem hodowli komórkowych. Stosując tę technikę, można precyzyjnie ocenić odpowiedź komórkową. Przy ocenie reakcji komórkowej na stop tytanu poddany obróbce typowej dla wszczepów Osteoplant byłaby możliwa prognoza odpowiedzi tkanki kostnej na wszczep wykonany z tego stopu.
Cel pracy. Ocena odpowiedzi biologicznej osteoblastów na stop tytanu ELI o modyfikowanej powierzchni i porównanie jej z odpowiedzią na czysty tytan z zastosowaniem metod obróbki materiału stosowanych w przypadku wszczepów Osteoplant.
Materiał i metody. Do badań użyto dyski ze stopu tytanu Ti6Al4V oraz z czystego tytanu. Powierzchnia dysków była maszynowa bądź modyfikowana za pomocą piaskowania Al2O3. Odpowiedź biologiczna badano z zastosowaniem linii komórkowej ludzkich osteoblastów. Oceniano żywotność komórek, syntezę białka, a także aktywność fosfatazy alkalicznej.
Wyniki. Stwierdzono większą żywotność osteoblastów hodowanych na materiałach piaskowanych w porównaniu z materiałami o powierzchniach maszynowych. Zaobserwowano większą względną żywotność osteoblastów hodowanych na czystym tytanie o powierzchni piaskowanej w porównaniu z hodowlami prowadzonymi na piaskowanym stopie tytanu. Oceniając syntezę białka, zauważono większą jego zawartość w przypadku hodowli osteoblastów prowadzonych na materiałach piaskowanych w stosunku do materiałów o powierzchni maszynowej. Badając aktywność fosfatazy alkalicznej, również stwierdzono większą aktywność enzymatyczną w przypadku osteoblastów hodowanych na materiałach piaskowanych w porównaniu z materiałami o powierzchni maszynowej.
Wnioski. Na podstawie uzyskanych wyników zaobserwowano, że odpowiedź biologiczna na czysty tytan i na stop tytanu typu ELI jest podobna. Największy wpływ na reakcje osteoblastów ma chropowatość powierzchni, a nie jej skład chemiczny. Zastosowanie metod obróbki wykorzystywanych w komercyjnie dostępnych implantach w przypadku implantów wykonanych ze stopu tytanu ELI powinno skutkować pozytywną odpowiedzią tkanki kostnej.

Abstract

Background. Evaluation of expected osseointegration process for materials planed as endoosseous implants may be performed with help of in vitro methods such as cell cultures. With this technique precise evaluation of cell reaction is possible. By assessing cell reaction on the titanium alloy processed with typical for Osteoplant surface preparation prognosis of bone tissue, answer to endoosseous implant prepared from such material might be possible.
Objectives. The aim of presented study was to evaluate osteoblasts biological reaction to titanium alloy with modified surface and compare this answer to reaction to pure titanium with application of surfaces processing procedures used for Osteoplant implants.
Material and Methods. Discs made from titanium alloy Ti6Al4V and pure titanium were used. Surface of examined discs was machined or modified by sandblasting with Al2O3. Biological reaction was assessed with use of human osteoblasts cell line. Osteoblasts viability, protein synthesis and alkaline phosphate activity were measured.
Results. Increased osteoblasts activity on sandblasted surfaces in comparison with machined surfaces was noted. Moreover, increased osteoblasts activity was found for cultures conducted on the surface of pure titanium in comparison with cultures conducted on titanium alloy surface. Also increased protein synthesis and alkaline phosphate activity was found for cultures conducted on sandblasted surfaces in comparison with machined surfaces.
Conclusion. Biological response to cemmecialy pure titanium and titanium alloy is simmilar. Surfaces roughness, not its chemical composition, mainly influences osteoblasts reactions. Applying surfaces preparation techniques used for Osteoplant implants in case of implants made from titanium alloy should effect in positive bone tissue reaction.

Słowa kluczowe

stop tytanu (TiAl6V4), właściwości powierzchni, osteoblasty, hodowle komórkowe

Key words

titanium alloy (TiAl6V4), surface properties, osteoblasts, cell cultures

References (27)

  1. Stupka M., Majewski P.: Post implantation secondary stability of dental implants as one of the factors for evaluation conditions for prosthetic appliance placement – possible complications. Implantoprotetyka 2009, 10, 4, 14–16 [in Polish].
  2. Meredith N.: A review of nondestructive test methods and their application to measure the stability and osseointegration of bone anchored endosseous implants. Crit. Rev. Biomed. Eng. 1998, 26, 275–291.
  3. Aparicio C., Lang N.P., Rangert B.: Validity and clinical significance of biomechanical testing of implant/bone interface. Clin. Oral Implants Res. 2006, 17, 2–7.
  4. Sykaras N., Iacopino A.M., Marker V.A., Triplett R.G., Woody R.D.: Implant materials, designs, and surface topographies: their effect on osseointegration. A literature review. Int. J. Oral Maxillofac. Implants 2000, 15, 675–690.
  5. Salvi G.E., Lang N.P.: Diagnostic parameters for monitoring peri-implant conditions. Int. J. Oral Maxillofac. Implants 2004, 19, 116–127.
  6. Atsumi M., Park S.H., Wang H.L.: Methods used to assess implant stability: current status. Int. J. Oral Maxillofac. Implants 2007, 22, 743–754.
  7. Vandrovcová M., Bačáková L.: Adhesion, growth and differentiation of osteoblasts on surface-modified materials developed for bone implants. Physiol. Res. 2011, 60, 403–417.
  8. Wataha J.: Predicting clinical biological responses to dental materials. Dent. Mater. 2012, 28, 23–40.
  9. Anselme K., Bigerelle M.: Topography effects of pure titanium substrates on human osteoblast long-term adhesion. Acta Biomaterial. 2005, 1, 211–222.
  10. Schwartz Z., Lohmann C.H., Oefinger J., Bonewald L.F., Dean D.D., Boyan B.D.: Implant surface characteristics modulate differentiation behavior of cells in the osteoblastic lineage. Adv. Dent. Res. 1999, 13, 38–48.
  11. Kim M.J., Kim C.W., Lim Y.J., Heo S.J.: Microrough titanium surface affects biologic response in MG63 osteoblastlike cells. J. Biomed. Mater. Res. 2006, 79, 1023–1032.
  12. Zareidoost A., Yousefpour M., Ghaseme B., Amanzadeh A.: The relationship of surface roughness and cell response of chemical surface modification of titanium. J. Mater. Sci: Mater. Med. 2012, 23, 1479–1488.
  13. Bachle M., Kohal R.J.: A systematic review of the influence of different titanium surfaces on proliferation, differentiation and protein synthesis of osteoblast-like MG63 cells. Clin. Oral Impl. Res. 2004, 15, 683–692.
  14. Degasne I., Basl M.F., Demais V., Hure G., Lesourd M., Grolleau B., Mercier L., Chappard D.: Effects of roughness, fibronectin and vitronectin on attachment, spreading, and proliferation of human osteoblast-like cells (Saos-2) on titanium surfaces. Calcif. Tissue Int. 1999, 64, 499–507.
  15. Bigerelle M., Anselme K., Noel B., Ruderman I., Hardouin P., Iost A.: Improvement in the morphology of Tibased surfaces: a new process to increase in vitro human osteoblast response. Biomaterials 2002, 23, 1563–1577.
  16. Rausch-Fana X., Qu Z., Wieland M., Matejkaa M., Schedle A.: Differentiation and cytokine synthesis of human alveolar osteoblasts compared to osteoblast-like cells (MG63) in response to titanium surfaces. Dent. Mater. 2008, 24, 102–110.
  17. Canabarro A., Paiva C., Ferreira H., Tholt-De-Vasconcellos B., De-Deus G., Prioli R., Linhares A.B.R., Alves G.G., Granjeiro J.: Short-term response of human osteoblast-like cells on titanium surfaces with microand nano-sized features. Scanning Vol. 2012, 36, 378–386.
  18. Boyan B.D., Bonewald L.F., Paschalis E.P., Lohmann C.H., Rosser J., Cochran D.L., Dean D.D., Schwartz Z., Boskey A.L.: Osteoblast-mediated mineral deposition in culture is dependent on surface microtopography. Calcif. Tissue Int. 2002, 71, 519–529.
  19. Batzer R., Liu Y., Cochran D.L., Szmuckler-Moncler S., Dean D.D., Boyan B.D., Schwartz Z.: Prostaglandins mediate the effects of titanium surface roughness on MG63 osteoblast-like cells and alter cell responsiveness to 1 alpha,25-(OH)2D3. Biomed. Mater. Res. 1998, 41, 489–496.
  20. Brett P.M., Harle J., Salih V., Mihoc R., Olsen I., Jones F.H., Tonetti M.: Roughness response genes in osteoblasts. Bone 2004, 35, 124–133.
  21. Lincks J., Boyan B.D., Blanchard C.R., Lohmann C.H., Liu Y., Cochran D.L., Dean D.D., Schwartz Z.: Response of MG63 osteoblast-like cells to titanium and titanium alloy is dependent on surface roughness and composition. Biomaterials 1998, 19, 2219–2232.
  22. Olivares-Navarrete R., Hyzy S.L., Gittens R.A. 1st, Schneider J.M., Haithcock D.A., Ullrich P.F., Slosar P.J., Schwartz Z., Boyan B.D.: Rough titanium alloys regulate osteoblast production of angiogenic factors. Spine J. 2013, 13, 1563–1570.
  23. Challa V.S.. Mali S., Misara R.D.: Reduced toxicity and superior cellular response of preosteoblasts to Ti-6Al7Nb alloy and comparison with Ti-6Al-4V.J. Biomed. Mater. Res. 2013, 101, 2083–2089.
  24. La Guehennec L., Lopez-Heredia M.A., Enkel B., Weiss P., Amouring Y., Layrolle P.: Osteoblastic cell behaviour on different titanium implant surfaces. Acta Biomater. 2008, 4, 535–543.
  25. Giljean S., Ponche A., Bigerelle M., Anselme K.: Statistical approach of chemistry and topography effect on human osteoblast adhesion. J. Biomed. Mater. Res. 2010, 94, 1111–1123.
  26. Thompson G.J., Puleo D.A.: Ti-6A1-4V ion solution inhibition of osteogenic cell phenotype as a function of differentiation time course in vitro. Biomaterials 1996, 17, 1949–1954.
  27. Ask M., Lausmaa J. Kasemo B.: Preparation and surface spectroscopic characterization of oxidees on Ti6Al4V. Appl. Surf. Sci. 1988, 35, 283–301.