In vitro stimulation of osteoblasts using capacitive interdigitated electrodes to improve implant osseointegration

Abstract

Given the growing global incidence of musculoskeletal disorders and the rising frequency of several prosthetic revision surgeries, it becomes crucial to develop new active prostheses that comprise controllable stimuli and allow for osseointegration, avoiding failures in implant fixation. Ideally, active prostheses will incorporate biophysical actuation systems that promote osteoconduction and osseointegration. These could apply electromagnetic stimuli to surrounding tissues, since the bone presents natural endogenous electric currents. Considerable research already revealed positive effects of exogenous electric and/or magnetic stimuli on bone remodelling. However, stimulation systems for incorporation in instrumented active bone implants are not yet validated. A new concept of capacitive cosurface stimulator was developed by our group, with several electrode architectures designed and tested – including the interdigitated pattern. The present study intends to assess the osteoconductive effects of the interdigitated electrode architecture in vitro, using high frequency electric stimulation. For such purpose, the proliferation and differentiation of pre-osteoblastic MC3T3 cells were experimentally assessed after electric stimulation of 0.7 V.mm-1 and 60 kHz, 30 min/day for 28 days, using the thin interdigitated pattern architecture (0.1 mm thickness). The results show the tested stimulation setup increases collagen production and deposition, alkaline phosphatase activity and matrix mineralization levels. The obtained data will be compared with previous results to perform a systematic evaluation that correlates several stimuli parameters (electrode design, electric field intensity and frequency). This work drives future studies on the in vivo efficacy of high frequency stimuli delivered by these novel thin capacitive stimulators inserted in instrumented active implants, in what could be a future personalized therapeutic actuation system.

A crescente incidência global de doenças músculo-esqueléticas e de cirurgias de revisão prostética, torna crucial o desenvolvimento de novas próteses ativas que incluam estímulos controláveis e permitam a osseointegração, evitando falhas na sua fixação. Idealmente, próteses ativas incorporam sistemas de atuação biofísica que promovem osteocondução e osseointegração. Estes poderão aplicar estímulos eletromagnéticos nos tecidos circundantes, dado que o osso possui naturalmente correntes elétricas endógenas. Vários estudos evidenciam efeitos positivos de estímulos exógenos elétricos e/ou magnéticos em remodelação óssea. Contudo, ainda não foram validados sistemas de estimulação que possam ser incorporados em implantes ósseos instrumentados ativos. Um novo conceito de estimulador capacitivo em co-superfície foi desenvolvido pelo nosso grupo, testando-se várias arquiteturas de elétrodos com diferentes designs – incluindo o padrão interdigitado. Neste trabalho pretendemos avaliar os efeitos osteocondutores in vitro da arquitetura interdigitada, usando um estímulo elétrico de alta frequência. Para isso, a proliferação e diferenciação de células pré-osteoblásticas MC3T3 foram analisadas após estimulação elétrica de 0.7 V.mm-1 e 60 kHz, 30 min/dia durante 28 dias, usando a arquitetura de padrão interdigitado de reduzida espessura (0.1 mm). Os resultados indicam que a estimulação testada aumenta a produção e deposição de colagénio, a atividade da fosfatase alcalina e os níveis de mineralização da matriz. Os resultados obtidos serão comparados com resultados anteriores, no âmbito de uma análise sistemática dos vários parâmetros do estímulo (design dos elétrodos, intensidade e frequência de campo elétrico). Este trabalho incita ao estudo futuro da eficácia in vivo de estímulos de alta frequência, entregues por este estimulador capacitivo interdigitado implementado numa prótese ativa, no que poderá ser um futuro sistema de atuação terapêutica personalizada.