さまざまな構造と結晶化度を持つサブミクロンのTiO粒子に対する生体外骨形成反応の特性評価

Characterization of the in Vitro Osteogenic Response to Submicron TiO Particles of Varying Structure and Crystallinity.

• Camila B Tovani
• Claudio R Ferreira
• Ana Maria S Simão
• Maytê Bolean
• Luca Coppeta
• Nicola Rosato
• Massimo Bottini
• Pietro Ciancaglini
• Ana Paula Ramos

抄録

酸化チタン（TiO）ナノ/微粒子は、その優れた機械的特性、化学的安定性、インプラントのオッセオインテグレーションを促進する能力から、整形外科や歯科科学で広く使用されてきました。しかし、TiO粒子の構造や結晶性が骨形成活性にどのような影響を与えるかは不明である。ここでは、サイズと形態を制御したサブミクロンのアモルファス、アナターゼ、ルチルのTiO粒子に対する骨形成反応を評価した。まず、模擬体液（SBF）を用いて、アパタイトを沈殿させるTiO粒子の能力を無細胞培地で評価した。SBFへの添加から3日後、アナターゼおよびルチルTiO粒子は、バイオミメティックアパタイトに典型的な板状の形態を有するナノ粒子の凝集体の沈殿を誘導した。逆に、アモルファスTiO粒子は、14日間のSBF曝露後にのみCa/P原子比の悪い粒子の析出を誘導した。次に、MC3T3-E1前骨芽細胞にTiO粒子をインキュベートすることにより、TiO粒子に対する骨形成反応をin vitroで評価した。異なる構造を有するTiO粒子によるSBF中のアパタイト沈殿の誘導の違いにもかかわらず、試験したすべてのTiO粒子の存在下で骨芽細胞の生存性およびミネラル化効率は維持された。粒子の表面電荷と培養液から粒子に吸着したタンパク質を分析した結果、すべてのTiO粒子は培養液中で類似の生物学的同一性を獲得していることが示唆された。この現象は、アモルファス粒子、アナターゼ粒子、ルチル粒子に対する骨芽細胞の反応の潜在的な違いを減衰させていると考えられた。我々の研究は、TiO粒子の物理化学的特性と機能の間の複雑な関係についての重要な洞察を提供し、医療におけるTiO粒子の安全な使用について光を当てている。

Titanium oxide (TiO) nano-/microparticles have been widely used in orthopedic and dental sciences because of their excellent mechanical properties, chemical stability, and ability to promote the osseointegration of implants. However, how the structure and crystallinity of TiO particles may affect their osteogenic activity remains elusive. Herein, we evaluated the osteogenic response to submicron amorphous, anatase, and rutile TiO particles with controlled size and morphology. First, the ability of TiO particles to precipitate apatite was assessed in an acellular medium by using a simulated body fluid (SBF). Three days after the addition to SBF, anatase and rutile TiO particles induced the precipitation of aggregates of nanoparticles with a platelike morphology, typical for biomimetic apatite. Conversely, amorphous TiO particles induced the precipitation of particles with poor Ca/P atomic ratio only after 14 days of exposure to SBF. Next, the osteogenic response to TiO particles was assessed in vitro by incubating MC3T3-E1 preosteoblasts with the particles. The viability and mineralization efficiency of osteoblastic cells were maintained in the presence of all the tested TiO particles despite the differences in the induction of apatite precipitation in SBF by TiO particles with different structures. Analysis of the particles' surface charge and of the proteins adsorbed onto the particles from the culture media suggested that all the tested TiO particles acquired a similar biological identity in the culture media. We posited that this phenomenon attenuated potential differences in osteoblast response to amorphous, anatase, and rutile particles. Our study provides an important insight into the complex relationship between the physicochemical properties and function of TiO particles and sheds light on their safe use in medicine.

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