Proliferazione di cellule precursori degli osteoblasti sulla superficie di nanofili di TiO2 cresciuti anodicamente su un β

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 7895 (2022) Citare questo articolo

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Gli studi hanno dimostrato che i nanotubi di TiO2 (TNT) cresciuti anodicamente mostrano un'eccellente biocompatibilità. Tuttavia, i nanofili di TiO2 (TNW) hanno ricevuto meno attenzione. L'obiettivo di questo studio era di indagare la proliferazione delle cellule precursori degli osteoblasti sulle superfici dei TNW cresciuti mediante anodizzazione elettrochimica di una lega Ti-35Nb-7Zr-5Ta (TNZT). Come campioni di controllo sono state utilizzate superfici TNT e TNZT piatte. Le cellule MC3T3-E1 sono state coltivate sulle superfici dei campioni per un massimo di 5 giorni e la vitalità e la proliferazione cellulare sono state studiate utilizzando la microscopia a fluorescenza, il test colorimetrico e la microscopia elettronica a scansione. I risultati hanno mostrato tassi di proliferazione cellulare più bassi sulla superficie TNW rispetto ai campioni di controllo senza differenze significative nella sopravvivenza cellulare tra le condizioni sperimentali. Le misurazioni degli angoli di contatto hanno mostrato un buon livello di idrofilicità per le TNW, tuttavia, il loro diametro relativamente sottile e la loro alta densità potrebbero aver influenzato la proliferazione cellulare. Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche per comprendere tutti i parametri che influenzano la biocompatibilità, queste nanostrutture di TiO2 possono rappresentare strumenti promettenti per il trattamento dei difetti ossei e la rigenerazione del tessuto osseo, tra le altre applicazioni.

Il titanio e le sue leghe hanno un'elevata resistenza specifica (rapporto resistenza/peso) e la migliore biocompatibilità tra i metalli. Il titanio forma naturalmente un ossido (TiO2) sulla sua superficie, che lo protegge efficacemente dalla corrosione, anche in mezzi acquosi. Pertanto, nonostante i costi di produzione relativamente elevati, il titanio è vantaggioso per molte applicazioni, in particolare nell’industria aerospaziale1 e biomedica2. A basse temperature, il titanio puro ha una struttura cristallina esagonale compatta, nota come fase α, che subisce una trasformazione allotropica a 882 °C in una struttura cubica a corpo centrato, nota come fase β. Per stabilizzare la fase β a temperature più basse, è possibile aggiungere al titanio elementi leganti come Mo, Nb, V e Ta. Le leghe di titanio sono ampiamente utilizzate per produrre materiali biomedici, in particolare quelli utilizzati per sostituire i tessuti duri. La fase β del titanio presenta un modulo elastico notevolmente basso, che aumenta la compatibilità meccanica tra impianto e osso. Il modulo elastico di un impianto dovrebbe essere il più vicino possibile a quello dell’osso per ridurre l’effetto di protezione dallo stress3, che è un problema serio che può causare la perdita di massa ossea (osteopenia) e infine portare al fallimento dell’impianto. I moduli elastici dei biomateriali comunemente utilizzati, come il titanio commercialmente puro o l'acciaio inossidabile, possono essere fino a sei volte superiori a quelli dell'osso4. Negli ultimi anni, le leghe di titanio di tipo β, basate sul sistema quaternario Ti-Nb-Zr-Ta, sono state studiate per applicazioni su impianti chirurgici5 a causa della loro superiore biocompatibilità e dei bassi moduli elastici. Uno di questi materiali è Ti-35Nb-7Zr-5Ta (TNZT), una lega di β-titanio metastabile con un basso modulo elastico (circa 60 GPa6,7) priva di elementi tossici. Un altro aspetto critico è la capacità dell’impianto di osteointegrarsi, cioè di formare un fissaggio stabile con l’osso. Quando un impianto viene inserito nel corpo umano, genera una risposta infiammatoria, che termina con l’incapsulamento dell’impianto da parte delle molecole di collagene. Questa formazione di capsule è difficile da evitare, ma i materiali a base di titanio mostrano un incapsulamento minimo rispetto ad altri metalli biomedici come l’acciaio inossidabile e le leghe Co-Cr2.

Nonostante i vantaggi del titanio rispetto ad altri biomateriali metallici, sono necessari ulteriori progressi per migliorare l’osteointegrazione e ridurre il tasso di rigetto dell’impianto. Poiché la biocompatibilità dell'impianto è strettamente correlata alla chimica della superficie e alla topografia, le modifiche superficiali del titanio sono state ampiamente studiate8,9, inclusa la crescita di nanotubi di TiO2 (TNT)10 mediante anodizzazione elettrochimica. Quest'ultimo prevede l'applicazione di un potenziale elettrico tra il substrato di titanio o lega di titanio (anodo) e un controelettrodo (catodo), separato da un elettrolita contenente fluoruro. La formazione di TNT durante l'anodizzazione è dovuta a una combinazione di processi simultanei, che possono essere riassunti come una competizione tra la crescita assistita sul campo dello strato di TiO2 e la dissoluzione chimica del TiO2 da parte dell'elettrolita contenente fluoruro, che avviene preferenzialmente nel tubo base11. Durante la crescita anodica dei TNT, sulla porzione superiore dei TNT possono formarsi nanofili di TiO2 (TNW) mediante un processo di divisione verticale dei TNT, noto come "modello di divisione del bambù"12. La nanostruttura finale è composta da TNT con TNW in cima e la lunghezza dei TNW può essere anche più lunga di quella dei TNT. I parametri di anodizzazione richiesti per la formazione dei TNW possono variare a seconda della composizione del substrato (anodo) e la lega TNZT ne favorisce la formazione13. Le TNW possono anche essere sintetizzate mediante altre tecniche, come l'elettrofilatura, l'ablazione laser e l'ossidazione14. Il termine nanofibre di TiO2 (TNF) è utilizzato anche in letteratura per descrivere strutture simili alle TNW. Sebbene la differenza tra questi due termini non sia chiara, i TNW hanno tipicamente diametri dell’ordine di decine di nanometri, mentre i TNF hanno diametri maggiori fino a 1 μm15. Sia i TNW che i TNF hanno un'elevata area superficiale, che può aiutare le cellule ad attaccarsi e proliferare. Studi sulla biocompatibilità degli scaffold fibrosi polimerici16 hanno dimostrato che questo tipo di morfologia offre un ambiente favorevole per le cellule, grazie alla sua somiglianza con la matrice extracellulare ossea nativa. Inoltre, i TNW cresciuti anodicamente hanno il vantaggio di poter essere facilmente coltivati ​​anche su impianti con geometrie complesse e, poiché crescono direttamente dal substrato, non è necessario alcun passaggio aggiuntivo per fissarli alla superficie dell’impianto.