Electrical and biological characterization of PLLA-316L stainless steel electromechanical devices for bone tissue engineering

Abstract

Metals and their alloys are widely used in biomedical implants but the lack of osseointegration at the interface between the biomaterial and the host tissue leads to non-mechanical fixation, infection and risk of rejection. The osseointegration can be improved using a coating based on piezoelectric materials. These materials generate electrical potential in response to applied mechanical forces. The osteoblasts, which are responsible for bone growth and repair, respond to the induced surface potential. An excellent-right candidate for this application is the poly (L-lactic acid) (PLLA), a synthetic polymer that is also biocompatible and biodegradable. In this work, electrical and biological characterization of stainless steel 316L substrates covered with PLLA films were performed, using impedance spectroscopy, AFM, and cytocompatibility tests with human dental pulp stem cells (hDPSCs). The adhesion between these materials was guaranteed by using the silanization process. The PLLA films were also characterized using FTIR, XRD, surface roughness analysis, SEM, tape test, contact angle analysis, and DSC. The Presto BlueTM viability assay showed that the PLLA film increased the cell viability on the substrates. Osteogenic differentiation assay showed that PLLA film enhanced the innate osteogenic potential of the cells and the osteogenic differentiation. The SEM images allowed seeing the presence of normal morphology of fibroblast cells and its layer formation on PLLA film. Concluding, the developed functional device has a great potential for bone tissue engineering application.

Os metais e suas ligas são amplamente utilizados em implantes biomédicos, mas a falta de osseointegração na interface entre o biomaterial e o tecido hospedeiro leva à não fixação mecânica e infeção. Julga-se que a osseointegração pode ser melhorada usando um revestimento à base de materiais piezoelétricos. Estes materiais geram potencial elétrico em resposta às forças mecânicas aplicadas (e vice–versa). Os osteoblastos, que são responsáveis pelo crescimento e reparação óssea, respondem ao potencial de superfície. Um excelente candidato para esta aplicação é o PLLA, que é piezoelétrico, biocompatível e biodegradável. Neste trabalho, as caracterizações elétrica e biológica de aço inoxidável 316L coberto com filmes PLLA foram realizadas através de espectroscopia de impedância, AFM e testes de citocompatibilidade com células estaminais da polpa dentária humana (hDPSCs). A adesão entre esses materiais foi garantida pelo processo de silanização dos substratos. Os filmes de PLLA também foram caracterizados através de FTIR, XRD, análise de rugosidade superficial, SEM, teste de aderência, análise de ângulo de contacto e DSC. O ensaio de viabilidade Presto BlueTM mostrou que o filme de PLLA aumentou a viabilidade celular dos substratos. O ensaio de diferenciação osteogénica revelou que o filme de PLLA aumentou o potencial osteogénico inato das células e a diferenciação osteogénica. Além disso, as imagens de SEM permitiram observar a presença de fibroblastos com morfologia normal e sua formação de camadas sobre o filme de PLLA. Portanto, pode-se concluir que o dispositivo funcional desenvolvido tem um grande potencial para aplicação na engenharia de tecido ósseo.