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

ABSTRACT

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.

RESUMO

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.