Evaluation of in vitro biocompatibility of functionalized magnesium alloys for application in orthopedic implants

Abstract

Magnesium alloys have been widely studied and applied in the biomedical field, namely in the orthopedic area, due to their promising properties. Their biocompatibility, biodegradability, mechanical properties and osteogenic properties allow the use of these alloys as alternatives to the currently available materials. However, the uncontrolled corrosion and hydrogen formation in magnesium alloys can cause serious damages when introduced into the human body. In order to meet these challenges, different methods have been developed to control them, such as surface pre-treatments, coatings and alloying. The different systems produced, however, require a detailed assessment of biocompatibility for later use in the medical field. But there is still a gap in the assessment of biocompatibility, especially in the hemocompatibility of such materials. This work was conducted in the scope of the MAGICOAT project and aimed to assess the biocompatibility (cytotoxicity and hemocompatibility) of a multilayer system composed of a Mg1Ca alloy, pre-treated with hydroxyapatite, with a subsequent polyetherimide (PEI) coating containing calcium-loaded gelatin microcapsules or calcium carbonate particles. As both calcium-loaded gelatin microcapsules and calcium carbonate particles were to be included in the PEI coating, their morphology, release profile and their cytoto xicity were assessed prior to the biocompatibility assays of the complete system. The complete multilayer system was initially tested for cytotoxicity, analyzing the integrity of the cell membrane and cell proliferation, through LDH and WST-1 assays. After the results proved that the multilayer system was non-toxic, hemocompatibility tests were carried out. In vitro tests to verify the occurrence of hemolysis and activation of the complement system confirmed the hemocompatibility of the system after 4 hours of contact with the blood.

As ligas de magnésio têm sido amplamente estudadas e aplicadas no campo da biomedicina, nomeadamente na área ortopédica, devido às suas propriedades promissoras. A biocompatibilidade, biodegradabilidade, propriedades mecânicas e osteogénicas destas ligas, permitem o seu uso como alternativas aos materiais atualmente disponíveis. No entanto, a corrosão descontrolada e a formação de hidrogénio, nas ligas de magnésio, podem causar sérios danos quando introduzidas no corpo humano. Para enfrentar estes desafios, diferentes métodos foram desenvolvidos de forma a controlá-los, como pré-tratamentos de superfície, revestimentos e diferentes elementos de liga. Os diferentes sistemas produzidos, no entanto, requerem uma avaliação detalhada da sua biocompatibilidade para uso posterior na área médica. Porém, existe uma lacuna na avaliação da biocompatibilidade, principalmente na hemocompatibilidade destes materiais. Este trabalho foi realizado no âmbito do projeto MAGICOAT e teve como objetivo avaliar a biocompatibilidade (citotoxicidade e hemocompatibilidade) de um sistema multicamada composto por uma liga de Mg1Ca, pré-tratada com hidroxiapatite, e um revestimento, subsequente, de poliéterimida (PEI) contendo microcápsulas de gelatina com cálcio ou partículas de carbonato de cálcio. Como as microcápsulas de gelatina carregadas de cálcio e as partículas de carbonato de cálcio deveriam ser incluídas no revestimento PEI, a sua morfologia, perfil de libertação de cálcio e sua citotoxicidade foram avaliadas antes dos ensaios de biocompatibilidade do sistema completo. O sistema multicamada completo foi inicialmente testado relativamente à sua citotoxicidade, analisando-se a integridade da membrana celular e a proliferação celular, através dos ensaios de LDH e WST-1. Após os resultados comprovarem que o sistema multicamadas não era tóxico, foram realizados testes de hemocompatibilidade. Testes in vitro para verificar a ocorrência de hemólise e a ativação do sistema complemento confirmaram a hemocompatibilidade do sistema após 4 horas de contato com o sangue.