Design of cell adhesive and angiogenic titanium surfaces for cellular stimulation

Die Förderung der Zelladhäsion durch sogenannte biomimetische Oberflächen wird in der Medizin als vielversprechender Ansatz gesehen, um Komplikationen wie z. B. Fremdkörperreaktionen nach der Implantation entgegenzuwirken. Neben der Immobilisierung einzelner Biomoleküle wie z. B. dem RGD-Peptid, Proteinen und Wachstumsfaktoren auf verschiedenen Materialien, konzentriert man sich derzeit in der Forschung auf die Co-Immobilisierung zweier Moleküle gleichzeitig. Hierbei werden die funktionellen Gruppen z. B. von Kollagen unter Verwendung von nur einer Kopplungschemie verwendet, wodurch die Kopplungseffizienz der einzelnen Komponenten nur begrenzt kontrollierbar ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Immobilisierungsverfahrens, welches die unabhängige Kopplung zweier Faktoren kontrolliert ermöglicht. Dabei sollten exemplarisch das adhäsionsfördernde RGD-Peptid (Arginin-Glycin-Asparaginsäure) zusammen mit dem Wachstumsfaktor VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) auf Titan gebunden werden. In weiteren Experimenten sollten dann die pro-adhäsiven Faktoren Fibronektin, Kollagen, Laminin und Osteopontin immobilisiert und untersucht werden. rnDie Aminofunktionalisierung von Titan durch plasma polymerisierte Allylaminschichten wurde als Grundlage für die Entwicklung des nasschemischen Co-immobilisierungsverfahren verwendet. Für eine unabhängige und getrennte Anbindung der verschiedenen Biomoleküle stand in diesem Zusammenhang die Entwicklung eines geeigneten Crosslinker Systems im Vordergrund. Die Oberflächencharakterisierung der entwickelten Oberflächen erfolgte mittels Infrarot Spektroskopie, Surface Plasmon Resonance Spektroskopie (SPR), Kontaktwinkelmessungen, Step Profiling und X-Ray Photoelectron Spektroskopie (XPS). Zur Analyse der Anbindungsprozesse in Echtzeit wurden SPR-Kinetik Messungen durchgeführt. Die biologische Funktionalität der modifizierten Oberflächen wurde in vitro an Endothelzellen (HUVECs) und Osteoblasten (HOBs) und in vivo in einem Tiermodell-System an der Tibia von Kaninchen untersucht.rnDie Ergebnisse zeigen, dass alle genannten Biomoleküle sowohl einzeln auf Titan kovalent gekoppelt als auch am Bespiel von RGD und VEGF in einem getrennten Zwei-Schritt-Verfahren co-immobilisiert werden können. Des Weiteren wurde die biologische Funktionalität der gebundenen Faktoren nachgewiesen. Im Falle der RGD modifizierten Oberflächen wurde nach 7 Tagen eine geförderte Zelladhäsion von HUVECs mit einer signifikant erhöhten Zellbesiedlungsdichte von 28,5 % (p<0,05) gezeigt, wohingegen auf reinem Titan Werte von nur 13 % beobachtet wurden. Sowohl VEGF als auch RGD/VEGF modifizierte Proben wiesen im Vergleich zu Titan schon nach 24 Stunden eine geförderte Zelladhäsion und eine signifikant erhöhte Zellbesiedlungsdichte auf. Bei einer Besiedlung von 7,4 % auf Titan, zeigten VEGF modifizierte Proben mit 32,3 % (p<0,001) eine deutlichere Wirkung auf HUVECs als RGD/VEGF modifizierte Proben mit 13,2 % (p<0,01). Die pro-adhäsiven Faktoren zeigten eine deutliche Stimulation der Zelladhäsion von HUVECs und HOBs im Vergleich zu reinem Titan. Die deutlich höchsten Besiedlungsdichten von HUVECs konnten auf Fibronektin mit 44,6 % (p<0,001) und Kollagen mit 39,9 % (p<0,001) nach 24 Stunden beobachtet werden. Laminin zeigte keine und Osteopontin nur eine sehr geringe Wirkung auf HUVECs. Bei Osteoblasten konnten signifikant erhöhte Besiedlungsdichten im Falle aller pro-adhäsiven Faktoren beobachtet werden, jedoch wurden die höchsten Werte nach 7 Tagen auf Kollagen mit 90,6 % (p<0,001) und Laminin mit 86,5 % (p<0,001) im Vergleich zu Titan mit 32,3 % beobachtet. Die Auswertung der Tierexperimente ergab, dass die VEGF modifizierten Osteosyntheseplatten, im Vergleich zu den reinen Titankontrollen, eine gesteigerte Knochenneubildung auslösten. Eine solche Wirkung konnte für RGD/VEGF modifizierte Implantate nicht beobachtet werden. rnInsgesamt konnte gezeigt werden, dass mittels plasmapolymerisierten Allylamin Schichten die genannten Biomoleküle sowohl einzeln gebunden als auch getrennt und kontrolliert co-immobilisiert werden können. Des Weiteren konnte eine biologische Funktionalität für alle Faktoren nach erfolgter Kopplung in vitro gezeigt werden. Wider Erwarten konnte jedoch kein zusätzlicher biologischer Effekt durch die Co-immobilisierung von RGD und VEGF im Vergleich zu den einzeln immobilisierten Faktoren gezeigt werden. Um zu einer klinischen Anwendung zu gelangen, ist es nun notwendig, das entwickelte Verfahren in Bezug auf die immobilisierten Mengen der verschiedenen Faktoren hin zu optimieren. rn

Surface characterization of Ti-7.5Mo alloy modified by biomimetic method

Titanium and its alloys have been used in dentistry due to their excellent corrosion resistance and biocompatibility. It was shown that even a pure titanium metal and its alloys spontaneously form a bone-like apatite layer on their surfaces within a living body. The purpose of this work was to evaluate the growth of calcium phosphates at the surface of the experimental alloy Ti-7.5Mo. We produced ingots from pure titanium and molybdenum using an arc-melting furnace We then submitted these Ingots to heat treatment at 1100 degrees C for one hour, cooled the samples in water, and cold-worked the cooled material by swaging and machining. We measured the media roughness (Ra) with a roughness meter (1.3 and 2.6 mu m) and cut discs (13 mm in diameter and 4 mm in thickness) from each sample group. The samples were treated by biomimetic methods for 7 or 14 days to form an apatite coating on the surface. We then characterized the surfaces with an optical profilometer, a scanning electron microscope and contact angle measurements. The results of this study indicate that apatite can form on the surface of a Ti-7.5Mo alloy, and that a more complete apatite layer formed on the Ra = 2 6 mu m material. This Increased apatite formation resulted in a lower contact angle (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved

Surface alloying of AZ91D alloy by diffusion coating

A new technique of surface modification by diffusion coating for AZ91D alloy was developed. A 1.0-2.0-mm alloy layer, which has hardness four to five times higher than the substrate metal, was formed after the treatment. Consequent solution treatment and aging could further improve the hardness of the alloy layer. Microstructure and chemical composition were investigated using optical microscope and electron probe.

Biofunctionalization of titanium surfaces for dental implants: osteogenic, anti-microbial and tribocorrosion resistant surfaces

PhD thesis in Biomedical Engineering

Modification des propriétés optiques de nanofils à base de GaN par plasma N2/O2

Une sonde électrostatique de Langmuir cylindrique a été utilisée pour caractériser une post-décharge d’un plasma d’ondes de surface de N2-O2 par la mesure de la densité des ions et électrons ainsi que la température des électrons dérivée de la fonction de distribution en énergie des électrons (EEDF). Une densité maximale des électrons au centre de la early afterglow de l’ordre de 1013 m-3 a été déterminée, alors que celle-ci a chuté à 1011 m-3 au début de la late afterglow. Tout au long du profil de la post-décharge, une densité des ions supérieure à celle des électrons indique la présence d’un milieu non macroscopiquement neutre. La post-décharge est caractérisée par une EEDF quasi maxwellienne avec une température des électrons de 0.5±0.1 eV, alors qu’elle grimpe à 1.1 ±0.2 eV dans la early afterglow due à la contribution des collisions vibrationnelles-électroniques (V-E) particulièrement importantes. L’ajout d’O2 dans la décharge principale entraîne un rehaussement des espèces chargées et de la température des électrons suivi d’une chute avec l’augmentation de la concentration d’O2. Le changement de la composition électrique de la post-décharge par la création de NO+ au détriment des ions N2+ est à l’origine du phénomène. Le recours à cette post-décharge de N2 pour la modification des propriétés d’émission optique de nanofils purs de GaN et avec des inclusions d’InGaN a été étudié par photoluminescence (PL). Bien que l’émission provenant des nanofils de GaN et de la matrice de GaN recouvrant les inclusions diminue suite à la création de sites de recombinaison non radiatifs, celle provenant des inclusions d’InGaN augmente fortement. Des mesures de PL par excitation indiquent que cet effet n’est pas attribuable à un changement de l’absorption de la surface de GaN. Ceci suggère un recuit dynamique induit par la désexcitation des métastables de N2 suite à leur collision à la surface des nanofils et la possibilité de passiver les défauts de surface tels que des lacunes d’azote par l’action d’atomes de N2 réactifs provenant de la post-décharge. L’incorporation d’O2 induit les mêmes effets en plus d’un décalage vers le rouge de la bande d’émission des inclusions, suggérant l’action des espèces d’O2 au sein même des nanostructures.

Diagnóstico das espécies ativas do plasma usado em tratamentos termoquímicos do titânio

Plasma diagnostics by Optical Emission Spectroscopy were performed for electrical discharge in three gas mixture respecting the combinations z N2 y Ar x H2, z N2 y Ar x O2 e z N2 y Ar x CH4, in which the indexes z and y systematically vary from 1 to 4 and x varies from 0 to 4, every one has dimension SCCM, resulting in 80 combinations. From the all obtained spectrums, the species CH (387,1 nm), N2+ (391,4 nm), Hβ (486,1 nm), Hα (656,3 nm), Ar (750,4 nm), O (777,4 nm) e O (842,6 nm) were analyzed because of their abundance and importance on the kinetic of reaction from the plasma to surface, besides their high dependences on the gases flows. Particularly interesting z, y and x combinations were chosen in order to study the influence of active species on the surface modification during the thermochemical treatment. From the mixtures N2 Ar O2 e N2 Ar CH4 were chosen three peculiar proportions which presented luminous intensity profile with unexpected maximum or minimum values, denominated as plasma anomaly. Those plasma concentrations were utilized as atmosphere of titanium treatment maintaining constant the control parameters pressure and temperature. It has been verified a relation among luminous intensity associated to N2+ and roughness, nanohardness and O atoms diffusion into the crystalline lattice of treated titanium and it has been seen which those properties becomes more intense precisely in the higher points found in the optical profile associated to the N2+ specie. Those parameters were verified for the mixture which involved O2 gas. For the mixture which involves CH4 gas, the relation was determinate by roughness, number of nitrogen and carbon atoms diffused into the titanium structure which presented direct proportionality with the luminous intensity referent to the N2+ and CH. It has been yet studied the formation of TiCN phases on the surface which presented to be essentially directly proportional to the increasing of the CH specie and inversely proportional to the increasing of the specie N2+

Desenho e Construção de um protótipo gerador de jato de plasma frio a pressão atmosférica para aplicações biomédicas

Research for better performance materials in biomedical applications are constants. Thus recent studies aimed at the development of new techniques for modification of surfaces. The low pressure plasma has been highlighted for its versatility and for being environmentally friendly, achieving good results in the modification of physic chemical properties of materials. However, it is requires an expensive vacuum system and cannot able to generate superficial changes in specific regions. Furthermore, it is limits their use in polymeric materials and sensitive terms due to high process temperatures. Therefore, new techniques capable of generating cold plasma at atmospheric pressure (APPJ) were created. In order to perform surface treatments on biomaterials in specific regions was built a prototype capable of generating a cold plasma jet. The prototype plasma generator consists of a high voltage source, a support arm, sample port and a nozzle through which the ionized argon. The device was formed to a dielectric tube and two electrodes. This work was varied some parameters such as position between electrodes, voltage and electrical frequency to verify the behavior of glow discharges. The disc of titanium was polished and there was a surface modification. The power consumed, length, intensity and surface modifications of titanium were analyzed. The energy consumed during the discharges was observed by the Lissajous figure method. To check the length of the jets was realized with Image Pro Plus software. The modifications of the titanium surfaces were observed by optical microscopy (OM ) and atomic force microscopy (AFM ). The study showed that variations of the parameters such as voltage, frequency and geometric position between the electrodes influence the formation of the plasma jet. It was concluded that the plasma jet near room temperature and atmospheric pressure was able to cause modifications in titanium surface

Surface characterization of Ti-7.5Mo alloy modified by biomimetic method

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Argon-based atmospheric pressure plasma enhances early bone response to rough titanium surfaces

This study investigated the effect of an Argon-based atmospheric pressure plasma (APP) surface treatment operated chairside at atmospheric pressure conditions applied immediately prior to dental implant placement in a canine model. Surfaces investigated comprised: rough titanium surface (Ti) and rough titanium surface + Argon-based APP (Ti-Plasma). Surface energy was characterized by the Owens-Wendt-Rabel-Kaelble method and chemistry by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Six adult beagles dogs received two plateau-root form implants (n = 1 each surface) in each radii, providing implants that remained 1 and 3 weeks in vivo. Histometric parameters assessed were bone-to-implant contact (BIC) and bone area fraction occupancy (BAFO). Statistical analysis was performed by Kruskall-Wallis (95% level of significance) and Dunn's post-hoc test. The XPS analysis showed peaks of Ti, C, and O for the Ti and Ti- Plasma surfaces. Both surfaces presented carbon primarily as hydrocarbon (C?C, C?H) with lower levels of oxidized carbon forms. The Ti-Plasma presented large increase in the Ti (+11%) and O (+16%) elements for the Ti- Plasma group along with a decrease of 23% in surface-adsorbed C content. At 1 week no difference was found in histometric parameters between groups. At 3 weeks significantly higher BIC (>300%) and mean BAFO (>30%) were observed for Ti-Plasma treated surfaces. From a morphologic standpoint, improved interaction between connective tissue was observed at 1 week, likely leading to more uniform and higher bone formation at 3 weeks for the Ti-Plasma treated implants was observed. (C) 2012 Wiley Periodicals, Inc. J Biomed Mater Res Part A 2012.

A Novel Plasma Technique for Surface Treatment: The Plasma Expander

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Biomedical Ti-Mo Alloys with Surface Machined and Modified by Laser Beam: Biomechanical, Histological, and Histometric Analysis in Rabbits

Purpose: In vivo bone response was assessed by removal torque, hystological and histometrical analysis on a recently developed biomedical Ti-15Mo alloy, after surface modification by laser beam irradiation, installed in the tibia of rabbits. Materials and Methods: A total of 32 wide cylindrical Ti-15Mo dental implants were obtained (10mm × 3.75mm). The implants were divided into two groups: 1) control samples (Machined surface - MS) and 2) implants with their surface modified by Laser beam-irradiation (Test samples - LS). Six implants of each surface were used for removal torque test and 10 of each surface for histological and histometrical analysis. The implants were placed in the tibial metaphyses of rabbits. Results: Average removal torque was 51.5Ncm to MS and >90Ncm to LS. Bone-to-implant-contact percentage was significantly higher for LS implants both in the cortical and marrow regions. Conclusions: The present study demonstrated that laser treated Ti-15Mo alloys are promising materials for biomedical application. © 2011 Wiley Periodicals, Inc.

Plásticos comerciais tratados a plasma para dispositivos ópticos e embalagens alimentícias

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Osteoblast response to porous titanium and biomimetic surface: In vitro analysis

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Influences of the pH on the adsorption properties of an antimicrobial peptide on titanium surfaces

The adsorption behavior of the Tet-124 antimicrobial peptide and the Tet-124 peptide modified at the C- and N-terminus with the sequence glycine-3,4-dihydroxyphenylalanine-glycine (G-DOPA-G) on titanium surfaces was studied using quartz crystal micro balance with dissipation (QCM-D). At a low pH level (4.75) Tet-124 and Tet-124-G-DOPA-G form rigid layers. This is attributed to the electrostatic interactions of the positively charged lysine and arginine residues in the peptide sequence with the negatively charged titanium oxide layer. At an elevated pH level (6.9) Tet-124 shows a lower mass adsorption at the surface than Tet-124-G-DOPA-G. This is attributed to the interaction of the catechol due to the formation of complexes with the titanium oxide and titanium surface layer. The C terminal and N terminal modification with the sequence G-DOPA-G shows similar adsorption rate and mass adsorption coverage at saturation; however it is presented a more loosely layers on the G-DOPA-G-TeT-124. Fibroblast adhesion and the biocompatibility test of both the surfaces following modification with Tet-124-G-DOPA-G and the titanium alloy control showed similar results. In addition, no changes in the adhesion of E. coli bacteria due to the modification of the surface were detected.

Efeito do filme de carbono DLC aplicado por plasma como recobrimento em Polietileno de Ultra Densidade e Alto Peso Molecular (UHWPE) e planejamento virtual utilizando a técnica de elementos finitos em cirúrgias de próteses totais da ATM

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)