Influence of titanium nanotubular surfaces, produced by anodization, on the behavior of osteogenic cells: in vitro evaluation / Influência da superfície nanotubular do titânio, produzido por anodização, no comportamento de células osteogênicas: avaliação in vitro

Objective: The objective of this study was to evaluate in vitro the influence of the anodized surface of Ti35Nb7Zr alloy on the behavior of osteogenic cells, for future application in biomedical implants. Material and Methods: For the development of this research, samples of commercially pure titanium (TiCp) and samples of Ti35Nb7Zr alloy were anodized, both were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and were plated afterwards with human osteoblast-like cells (MG63 line) (2 x 104). Cell adhesion, cytotoxicity test, formation of mineralization nodules and a comet assay were also performed in different periods. The bottom of the plate was used as a control, without a sample. Results: SEM analysis showed that the topography of both samples presented surfaces covered by nanotubes. Cellular morphology exhibited spreading in both samples proposing an intimate cell- material liaison. After 3 days, the Ti35Nb7Zr group exhibited greater cell viability than the TiCp group (p<0.01). Regarding calcium content, there was no statistical difference between the anodized groups, but there was a difference between the experimental groups and the control group (p<0.01). In the comet assay, the percentage of DNA in the comet tail did not exhibit any significant difference (p>0.05) among the groups in the evaluated periods. Conclusion: It was concluded that this process of anodization was efficient to form nanotubes, as well as promote a positive influence on the behavior of osteogenic cells without promoting cell damage. (AU)

Objetivo: O objetivo deste estudo foi avaliar in vitro a influência da superfície anodizada da liga Ti35Nb7Zr no comportamento de células osteogênicas, para futura aplicação em implantes biomédicos. Material e Métodos: Para o desenvolvimento desta pesquisa, amostras de titânio comercialmente puro (TiCp) e amostras da liga Ti35Nb7Zr foram anodizadas, ambas foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e posteriormente plaqueadas com células semelhantes a osteoblastos humanos (linha MG63) (2 x 104). Foram realizados em diferentes períodos a adesão celular, teste de citotoxicidade, formação de nódulos de mineralização e ensaio do cometa. O fundo da placa foi usado como controle, sem amostra. Resultados: A análise em MEV mostrou que a topografia de ambas as amostras apresentava superfícies cobertas por nanotubos. A morfologia celular exibiu espalhamento em ambas as amostras, propondo uma ligação íntima célula-material. Após 3 dias, o grupo Ti35Nb7Zr exibiu maior viabilidade celular do que o grupo TiCp (p<0.01). Em relação ao teor de cálcio, não houve diferença estatística entre os grupos anodizados, mas houve diferença entre os grupos experimentais e o grupo controle (p<0.01). No ensaio do cometa, a porcentagem de DNA na cauda do cometa não apresentou diferença significativa (p> 0.05) entre os grupos nos períodos avaliados. Conclusão:Concluiu-se que esse processo de anodização foi eficiente para formar nanotubos, além de promover uma influência positiva no comportamento das células osteogênicas sem promover dano celular. (AU)

The application of nanotopography in the development of tissue engineered tissues using mesenchymal stem cells / 生物医学工程学杂志

Tissue engineering has emerged as a promising approach for the repair and functional reconstruction of damaged tissues. The bionic and intelligentized scaffolds provide the structural support for cell growth and differentiation as well as tissue regeneration. The surface properties of the biological material implant, the nanotopology in particular, become key aspects in determining the success of the implant. Mesenchymal stem cells (MSC) are widely favored by researchers as the seed cells in tissue engineering. Recently, it has been shown that nanotopographical characteristics of biomaterials regulate a wide range of MSC properties from their cellular behavior and differentiation potential. Herein, this review will provide an update on studies investigating the roles of nanotopography in the development of tissue engineering using MSC.

Oxidative nanopatterning of titanium surfaces promotes production and extracellular accumulation of osteopontin

The bone-biomaterial interface has been characterized by layers of afibrillar extracellular matrix (ECM) enriched in non collagenous proteins, including osteopontin (OPN), a multifunctional protein that in bone controls cell adhesion and ECM mineralization. Physical and chemical aspects of biomaterial surfaces have been demonstrated to affect cell-ECM-substrate interactions. The present paper described the ability of oxidative nanopatterning of titanium (Ti) surfaces to control extracellular OPN deposition in vitro. Ti discs were chemically treated by a mixture of H2SO4/H2O2 for either 30 min [Nano(30') Ti] or 4 h [Nano(4h) Ti]. Non-etched Ti discs were used as control. Primary osteogenic cells derived from newborn rat calvarial bone were plated on control and etched Ti and grown under osteogenic conditions up to 7 days. High resolution scanning electron microscopy revealed that treated Ti discs exhibited a nanoporous surface and that areas of larger nanopits were noticed only for Nano(4h) Ti. Large extracellular OPN accumulation were detectable only for Nano(4h) Ti, which was associated with OPN-positive cells with typical aspects of migrating cells. At day 3, quantitative results in terms of areas of OPN labeling were as follows: Nano(4h) Ti > Nano(30') Ti > Control Ti. In conclusion, chemically nanostructured Ti surfaces may support the enhancement of endogenous extracellular OPN deposition by osteogenic cells in vitro depending on the etching time, a finding that should be taken into consideration in strategies to biofunctionalize implant surfaces with molecules with cell adhesion capacity.

A interface osso-implante é caracterizada pela presença de uma camada de matriz extracellular (MEC) afibrilar rica em proteínas não-colágenas, incluindo osteopontina (OPN), cujas funções no tecido ósseo estão relacionadas à adesão celular e ao controle do processo de mineralização da MEC (crescimento de cristais). Aspectos físicos e químicos das superfícies de biomateriais podem afetar as interações célula-MEC-substrato. O objetivo do presente estudo foi demonstrar a capacidade de aspectos nanotopográficos de superfície de titânio (Ti) de controlar a deposição extracelular de OPN in vitro. Discos de Ti foram tratados quimicamente por solução de H2SO4/H2O2 durante 30 min [Nano(30') Ti] ou 4 h [Nano(4h) Ti]. Superfícies de Ti não tratadas foram usadas como controle. Células osteogênicas primárias derivadas de calvárias de ratos recém-nascidos foram plaqueadas sobre os discos de Ti e cultivadas em condições osteogênicas por até 7 dias. Microscopia eletrônica de varredura de alta resolução revelou que os discos de Ti tratados quimicamente exibiam superfície nanoporosa, com áreas de nanoporos maiores para Nano(4h) Ti. Apenas para esse grupo detectavam-se acúmulos extensos de OPN extracelular, os quais se distribuíam em áreas adjacentes a células OPN-positivas, com aspectos morfológicos típicos de células em migração. Em conclusão, a nanoestruturação química de superfície de Ti pode favorecer o aumento da deposição extracelular de OPN endógena por células osteogênicas in vitro, dependendo do tempo de condicionamento utilizado, o que deve ser considerado no desenvolvimento de estratégias para funcionalizar superfícies de implantes com moléculas com reconhecido efeito no processo de adesão celular.

Efeito de superfícies de implantes nano-estruturadas na expressão de genes de osteoblastos e no contato osso-implante in vivo / Effect of nanostructured implant surfaces on osteoblast related gene expression and bone-implant contact in vivo

As tendências atuais na terapia com implantes odontológicostêm incluído o uso de implantes com superfícies modificadasutilizando nanotecnologia. Ciência que permite a construçãode novos materiais e dispositivos pela manipulação de átomosindividuais e moléculas (escala menor do que 100nm). O objetivodeste trabalho foi avaliar o papel das modificações em escalananométrica de superfícies de implantes osseointegradospara melhorar o processo de osseointegração. Nanotecnologiaoferece a engenheiros e profissionais da área de biologia e saúdenovos meios para entender e otimizar funções e respostasespecíficas de células. As várias técnicas utilizadas para adicionarcaracterísticas nanométricas às superfícies de implantesosseointegrados são descritas neste trabalho. Vários trabalhostem apresentado os efeitos da nanotecnologia na modulaçãode etapas fundamentais do processo de osseointegração. Asvantagens e desvantagens da utilização da nanotecnologia nasuperfície de implantes também são discutidas nesse trabalho.Posteriormente, em uma série de experimentos in vitro e in vivo,foi possível avaliar o efeito específico destas modificações emdois diferentes modelos. Como efeitos observados da aplicaçãode nanoestruturas à superfície dos implantes osseointegradosfoi possível verificar-se uma melhor e mais rápida resposta deosseointegração destes materiais, atuando efetivamente na cascatade diferenciação de osteoblastos.

Current trends in clinical dental implant therapy include useof endosseous dental implant surfaces embellished with nanoscaletopographies. Nanotechnology deals with materials withat least one significant dimension less than 100nm. The goal ofthis study was to consider the role of nanoscale topographic modificationof titanium substrates for the purpose of improvingosseointegration. Nanotechnology offers engineers and biologistsnew ways of interacting with relevant biological processes.Moreover, nanotechnology has provided means of understandingand achieving cell specific functions. The various techniquesthat can impart nanoscale topographic features to titaniumendosseous implants are described. Existing data supportingthe role of nanotopography suggests that critical steps in osseointegrationcan be modulated by nanoscale modification ofthe implant surface. Important distinctions between nanoscaleand micron-scale modification of the implant surface are presentlyconsidered. The advantages and disadvantages of nanoscalemodification of the dental implant surface are discussed.Finally, available data concerning the current dental implantsurfaces that utilize nanotopography in clinical dentistry aredescribed. Nanoscale modification of titanium endosseous implantsurfaces can alter cellular and tissue responses that maybenefit osseointegration and dental implant therapy. In a seriesof in vitro and in vivo experiments it was possible to evaluatethe effect of this modifications in different study designs. Theadvantages of the use of nanocues added to the surface of theosseointegrated dental implants allowed to a better and fasterosseointegration response of these materials, by acting on thedifferentiation of the osteoblasts.