Biocompatibility testing of titanium and chitosan-based materials in selected cell cultures

Współczesna medycyna stawia coraz to nowsze wyzwania dotyczące regeneracji uszkodzeń i ubytków. Nie każdy uraz możliwy jest do wyleczenia bez interakcji z materiałem podtrzymującym, bądź zastępującym utracone funkcje organizmu. Biomateriały to substancje pozwalające na przywrócenie tychże funkcji poprzez leczenie lub zastąpienie uszkodzonej tkanki. Biozgodność to zdolność materiału do pełnienia celów terapeutycznych bez negatywnego wpływu na ustrój. Przed dopuszczeniem materiału do użytku medycznego konieczna jest wstępna ocena jego właściwości dzięki testom przeprowadzanym na hodowlach komórkowych. W pracy oceniono biozgodność oraz potencjał osteogenny biomateriałów wykonanych na bazie tytanu klasy 4 (Ti) oraz stopu tytanu Ti-6Al-4V (TAV) modyfikowanych przez proces plazmowego utleniania elektrochemicznego (PEO) oraz naniesienie metodą zol-żel ceramicznej warstwy fosforanów wapnia (SG). Badania przeprowadzano na ludzkich komórkach stromalnych pochodzących ze szpiku kostnego (hBMSC). Zbadano również wpływ materiałów wykonanych na bazie chitozanu z dodatkiem kwasu taninowego oraz czynników sieciujących (jony żelaza (III), glioksal) na proliferację ludzkich komórek macierzystych więzadła przyzębnego (hPDLSC), hBMSC oraz prawidłowych (HaCaT) i nowotworowych (Saos-2, MNT-1, SK-MEL-28) linii komórkowych. Za najbardziej osteoinduktywne uznano materiały TAV-PEO i TAV-PEO-SG. Spowodowały one wzrost żywotności komórek w 7 i 28 dniu hodowli. Przyczyniły się także do wyższej aktywności zasadowej fosfatazy w dniu 7. Hodowla komórek na tych materiałach spowodowała także podwyższenie ekspresji genów macierzy kostnej (kolagen typu I, sialoproteina kostna, osteokalcyna, osteopontyna, osteonektyna) w dniu 21. Materiały z chitozanu i kwasu taninowego połączone w proporcjach 80:20 obniżały żywotność wszystkich badanych typów komórek. Dodatek 5% jonów żelaza (III), a także 5% glioksalu, podwyższał żywotność komórek na materiale 80:20. Materiały tytanowe modyfikowane metodami PEO oraz PEO-SG mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie w inżynierii tkanki kostnej, a materiały chitozanowe w terapiach skórnych.

Modern medicine poses newer and newer challenges regarding the regeneration of damages and cavities. Not all injuries can be healed without interaction with a material that supports or replaces lost body functions. Biomaterials are substances that allow you to restore these functions by treating or replacing damaged tissue. Biocompatibility is the ability of a material to fulfill therapeutic purposes without adversely affecting the system. Before the material is approved for medical use, it is necessary to initially assess its properties through tests carried out on cell cultures. The study assessed the biocompatibility and osteogenic potential of biomaterials made on the basis of class 4 titanium (Ti) and Ti-6Al-4V titanium alloy (TAV) modified by the plasma electrolytic oxidation (PEO) process and the application of a ceramic layer of calcium phosphates using the sol-gel (SG) method. The studies were carried out on human bone marrow-derived stromal cells (hBMSC). In addition, the influence of materials made on the basis of chitosan with the addition of tannic acid and cross-linking agents (iron (III) ions, glyoxal) on the proliferation of human periodontal ligament stem cells (hPDLSC), hBMSC and normal (HaCaT) and cancer (Saos-2, MNT-1, SK-MEL-28) cell lines was also investigated. The TAV-PEO and TAV-PEO-SG materials were considered the most osteoinductive. They caused an increase in cell viability on days 7 and 28 of culture. They also contributed to a higher alkaline phosphatase activity on day 7. Cultivation of cells on these materials also increased the expression of bone matrix genes (type I collagen, bone sialoprotein, osteocalcin, osteopontin, osteonectin) on day 21. Chitosan and tannic acid materials combined in the proportion of 80:20 reduced the viability of all tested cell types. The addition of 5% iron (III) ions, as well as 5% glyoxal, increased the viability of cells on the 80:20 material. The investigated titanium materials may in the future be used in bone tissue engineering, and chitosan materials in skin therapies.