Ортопедические заболевания и травмы часто требуют ремонта или замены суставов или поврежденной/болезненной костной ткани костным трансплантатом, заменителем костного трансплантата или биомедицинским имплантатом. Интерфейс между ортопедическим имплантатом и окружающими костными тканями является ключом к успеху имплантата. В идеале, этот интерфейс будет способствовать остеоинтеграции с костью хозяина, что приведет к сильной фиксации и стабильности имплантата. Выбранный материал и рельеф поверхности ортопедических имплантатов являются ключевыми факторами, которые влияют на ранние события после имплантации и могут в конечном итоге определить успех устройства.
При имплантации бактерии конкурируют с соматическими и прогениторными клетками. Фраза "гонка за поверхность" описывает конкуренцию между микробной адгезией и тканевой интеграцией на поверхности имплантата. Целью этой "гонки за поверхность" является то, чтобы тканеспецифические стволовые клетки занимали имплантированную поверхность и минимизировали способность бактерий к образованию биопленок, которые препятствуют клеточным функциям и могут негативно влиять на формирование здоровой ткани. Кроме того, бактериальные биоплёнки более устойчивы к антибактериальным средствам, чем их планктонные аналоги, а также устойчивы к естественным механизмам защиты хозяев.
Идеальный интерфейс имплантата будет способствовать быстрой миграции, пролиферации и дифференцировке стволовых клеток в остеобласты и, в конечном счете, остеоциты, создавая остеоидную матрицу, которая в конечном итоге минерализует и создает когерентный интерфейс между имплантатом и окружающими тканями. Способность формировать костную ткань усложняется многолинейным потенциалом МСК. МСК легко дифференцируются по жировой, костной, хрящевой и другим соединительным тканям, мышечной.
Презентация поверхности имплантата имеет ключевое значение для событий, начиная с клеточной адгезии и заканчивая дифференцировкой. Химический состав выбранного материала и рельеф поверхности влияют на реакцию МСК после имплантации. Взаимодействие с МСК и поверхностью осуществляется через несколько белковых комплексов и органелл, размер которых варьируется от 10 нанометров до нескольких микрон. Модулирование этих белковых комплексов и органелл может быть осуществлено с помощью различных поверхностных признаков, имеющих сходные характерные размеры. Ключевым белковым комплексом, участвующим в судьбе МСК, является фокальная адгезия, представляющая собой кластер интегралов, прикрепляющих клетку к поверхности, и многочисленные ассоциированные внутриклеточные белки. Уникальные наноструктуры могут изменять эту интегральную сигнализацию, приводя к цитоскелетной реорганизации и морфологическим изменениям, а затем и к дифференциации. Основываясь на способности изменения поверхностных характеристик на микро- и наномасштабе влиять на широкий спектр клеточной активности, включая адгезию, распространение, морфологию, пролиферацию и дифференцировку, мы предполагаем, что представление текстурированной поверхности, влияющей на адгезию клеток, миграцию и дифференцировку МСК, может быть нетоксичным и локализованным способом минимизации угнетенности к прикреплению бактерий и образованию биопленки AI.
В ортопедической практике используются два клинически значимых материала: полиэфирный эфирный кетон (ПЭЭК) и титановый сплав (Ti). Поверхности Ti с макромикрошероховатостью приводили к улучшению распределения клеток, случайной миграции и увеличению дифференциации в сторону остеобластической линии по сравнению с гладкими топографиями, как Ti, так и PEEK. В частности, макромикротекстура на Ti привела к ранней кубоидной и звездчатой морфологии, указывающей на остеогенную дифференциацию, а гладкая топография привела к удлинению шпиндельных клеток на 24 ч, что типично для фибробластических тканей.
Скорость морфологических изменений является показателем адгезии, распространения и, возможно, дифференциации. Кроме того, быстрая случайная миграция выгодна для создания когерентного слоя МСК на поверхности. Наконец, дифференциация МСК к остеобластам может быть оценена с помощью раннего остеобластного маркера, щелочной фосфатазы (ALP) и зрелого остеобластного маркера - остерикса (OSX).
Подготовка основания
Для создания относительно гладких поверхностей использовались диски диаметром 15 мм, обработанные из титанового сплава. Для создания шероховатой текстуры поверхности титановые диски были обработаны фирменным кислотным травлением, создающим макро- и микротекстуру, далее именуемую Endoskeleton®. Все диски перед использованием были стерилизованы погружением в 70% этанола в течение 30 минут и промыты 1 раз фосфатно-буферным солевым раствором (PBS).
Для характеристики характеристик поверхности с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) был отсканирован диск с каждой уникальной поверхности. Съемка проводилась на FEI Nova NanoSEM 630 SEM. Репрезентативные изображения были получены на каждой из 4 уникальных поверхностей в 1000X и 10 000X раз.
