Electrochemical characterization of MC3T3-E1 cells cultured on TiAI and Ti6AI-4V alloys for biological implant applications

Abstract

One manner of understanding the processes that occur at the implant surface/cell interface is to utilize the electrochemical response of this system as a consequence of protein adsorption, cell adhesion and cell growth on the implant surface. The current study required the design and manufacture of an electrolytic cell to measure the electrochemical response. During different periods of cell growth Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) was used to study the behavior of MC3T3-E1cells at the interface of two Ti-based alloys (Ti-6Al-4V and TiAl). The cells were incubated on these Ti-based alloys during 4, 7 and 14 days in αMEM+FBS solution. EIS measurements were carried out at the open-circuit potential in a frequency range from 1 mHz to 100 kHz. The results show an increase in polarization resistance (Rp) on the surfaces with cells as a function of time. In Nyquist plots two or more semi-circles were observed for alloys with and without cells on the metallic surfaces, associated with the passive oxide film, adsorption of proteins and cell tissue on surfaces with the passage of time. From SEM images, an optimal cellular activity was seen, based on the normal polygonal morphology, with long and fine cytoplasmic prolongations of the cells on Ti-6Al-4V and TiAl. Similarly, mineralization nodules were observed on surfaces associated with osseogenetic process. Immunofluorescence analysis to detect the presence of collagen Type I showed an increase in the segregation of collagen as a function of time. From this study, it can be concluded that the Rp values reflect the amount of collagen secreted by the cells and EIS may be a viable technique to study protein content in the extracellular matrix.

Una manera de entender los procesos que ocurren en la interface de las superficies con las células, es el estudio de la respuesta electroquímica de este sistema, como una consecuencia de la adsorción de proteínas, adhesión y crecimiento celular sobre las superficies de los implantes. Para este estudio se requiere el diseño y manufactura de una celda electrolítica para medir la respuesta electroquímica. Durante el crecimiento celular, Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS) fue usada para estudiar el comportamiento de la interface de las células MC3T3-E1 con dos aleaciones de Ti. Las células fueron incubadas sobre las aleaciones (Ti-6Al-4V y γTiAl) por 4, 7 y 14 días en una solución de αMEM+FBS. Las mediciones de EIS fueron llevadas a cabo a potenciales de circuito abierto en un rango de frecuencias de 1 mHz hasta 100kHz. Los resultados mostraron un incremento en la resistencia a la polarización (Rp) sobre las superficies con células en función del tiempo. En el diagrama de Nyquist, dos o más de dos semicírculos fueron vistos sobre las aleaciones con y sin células sobre las superficies metálicas, estos fueron asociados con la película de oxido pasiva, la adsorción de proteínas y cultivo celular sobre las superficies. Por SEM una óptima actividad celular fue vista, basada en la morfología poligonal normal con elongadas y finas prolongaciones citoplasmáticas sobre Ti-6Al-4V y γTiAl. Igualmente, nódulos de mineralización fueron observados en las superficies, estos fueron asociados con procesos de osteointegración. Análisis por imunofluorescencia detectó la presencia de Colágeno tipo I y un incremento en la segregación de colágeno con el tiempo. A partir de este estudio se puede concluir que los valores de Rp reflejan la cantidad de colágeno segregado por las células and EIS podría ser una técnica viable para estudiar el contenido de proteína en la matrix extracelular.