Influence of Nanostructured Surfaces on Corrosion Behavior and Bioactivity of TiAl6V4 under Adjusted In-Vitro Experimental Conditions - Einfluss von nanostrukturierten Oberflächen auf das Korrosionsverhalten und die Bioaktivität einer TiAl6V4-Legierung unter angepassten in-vitro Versuchsbedingungen - Höhn, Sarah (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 2017)
The surface structure in the nanometer range has a high potential to improve the chemical and physical properties of materials for advanced applications in the field of medical technology, and the interaction with the biological environment mainly depends on the surface properties of the material. In addition, the connection of new tissue takes place at the cellular or molecular level and thus on the nanometer scale. Therefore, a stable bone-implant contact for the healing of the implant is of great importance and so nanostructured surfaces are particularly suitable for good osseointegration and protein and cell attachment. The normalized specific surface area of the particle is very large and therefore leads to a higher chemical reactivity. This increased reactivity can be utilized to form a new calcium phosphate layer from the physiological environment. In this thesis different nanostructured surface coatings and their influence on the calcium phosphate formation and on the corrosion properties of TiAl6V4 alloy will be described. This titanium alloy is, due to the good mechanical properties, the most frequently used implant alloy. Due to this nanostructuring of the surface, it is possible to increase the biocompatibility of the alloy and thus to improve the bone-implant interaction. For the coatings, TiO2 nanoparticles and hydroxyapatite nanoparticles are applied via spin coating process. Furthermore, the alloy TiAl6V4 is coated by polypyrrole, which has been prepared via chemical polymerization. To see the effect of protein adsorption from the medium or the impact of these proteins on the corrosion behavior and layer formation, an albumin coating (bovine serum albumin, BSA) using AC-EPD is investigated. The long-term immersion tests up to three months are carried out with a cell culture medium (Dulbecco's Modified Eagle's Medium, DMEM) at 37°C and a CO2 content of 5% in the incubator. By the addition of calf serum (Fetal Calf Serum FCS), the influence of protein adsorption is examined using the coated surface. To further customize the immersion tests to the in-vivo conditions, in addition to the physiological conditions of pH 7 inflammatory responses are simulated. For this, the samples are exposed for a period of 14 days to these adjusted conditions (pH 5 + H2O2) and at the end of the inflammatory conditions, the pH is renewed to pH 7. The surface analysis shows that all immersion conditions lead to a calcium phosphate layer formation and this formation is time delayed depending on the coating and also differs in the Ca/P ratio. The electrochemical analysis also shows a different layer formation and corrosion resistance after immersion in DMEM. After the coating with BSA by AC-EPD the positive influence of the proteins on the titanium corrosion, even after immersion under aggressive inflammatory conditions is observed. In order to investigate the influence of different nanostructured coatings on cell adhesion and proliferation, cell experiments are carried out. For this purpose cell activity and morphology are tested by means of embryonic mouse fibroblasts and human osteosarcoma cells in short-term as well as long-term experiments using adipose-derived stem cells.; Die Strukturierung der Oberfläche im nanometerbereich besitzt ein hohes Potential die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Materials für fortschrittliche Anwendungen im Bereich der Medizintechnik zu verbessern, da die Wechselwirkung mit der Körperumgebung hauptsächlich von den Oberflächeneigenschaften des Materials abhängt. Die Anbindung von neuem Gewebe findet auf zellulärer bzw. molekularer Ebene und somit im Nanometerbereich statt. Ein stabiler Knochen-Implantat-Kontakt ist für die Einheilung des Implantates von großer Bedeutung, daher eignen sich nanostrukturierte Oberflächen besonders für eine gute Osseointegration sowie Protein- bzw. Zellanbindung. Die auf das Volumen des Partikels normierte spezifische Oberfläche ist bei Nanopartikeln sehr groß und führt daher zu einer höheren chemischen Reaktivität. Diese erhöhte Reaktivität kann genutzt werden um die Bildung einer neuen Calciumphosphat Schicht aus physiologischer Umgebung zu beschleunigen. In dieser Arbeit werden unterschiedliche nanostrukturierte Oberflächenbeschichtungen und deren Einfluss auf die Calciumphosphat Bildung sowie auf die Korrosionseigenschaften einer TiAl6V4 Legierung beschrieben. Diese Titanlegierung ist auf Grund ihrer mechanischen Eigenschaften die am häufigsten eingesetzte Implantat Legierung. Durch diese Nanostrukturierung der Oberfläche besteht die Möglichkeit die Biokompatibilität der gewählten Legierung deutlich zu erhöhen und somit die Knochen-Implantat Wechselwirkung zu verbessern. Für die Beschichtung werden TiO2 Nanopartikel sowie Hydroxylapatit Nanopartikel über einen Spin-Coating Prozess aufgebracht. Des Weiteren wird die Legierung TiAl6V4 mittels leitfähiger Pyrrol-Schicht beschichtet, die über eine einfache chemische Polymerisation hergestellt wurde. Um zudem die Adsorption von Proteinen aus dem Medium bzw. den Einfluss dieser Proteine auf das Korrosionsverhalten und die Deckschichtbildung zu untersuchen wird eine Albumin Beschichtung (Bovine Serum Albumin, BSA) mittels AC-EPD abgeschieden. Die Auslagerung für die Langzeitversuche (bis zu drei Monaten) wird mit einem Zellkulturmedium (Dulbecco`s Modified Eagles Medium, DMEM) bei 37°C und einem CO2 Gehalt von 5% im Inkubator durchgeführt. Durch die Zugabe von Kälberserum (Fetal Calf Serum, FCS) wird der Einfluss der Proteinadsorption an die bereits beschichtete Oberfläche in einigen Versuchsreihen untersucht. Um die Auslagerungsversuche noch weiter an die in-vivo Bedingungen anzupassen, werden neben den physiologischen Bedingungen bei pH 7 Entzündungsreaktionen simuliert. Hierfür werden die Proben für eine Dauer von 14 Tagen diesen angepassten Bedingungen (pH 5 + H2O2) ausgesetzt und nach Ende der Entzündungsdauer wieder unter normalen Bedingungen bei pH 7 ausgelagert.Die Oberflächenanalyse zeigt, dass sich bei allen Auslagerungsbedingungen eine Calciumphosphatschicht ausbildet, dessen Bildung jedoch abhängig von der Beschichtung zeitversetzt einsetzt und sich zudem im Ca/P Verhältnis unterscheidet. Elektrochemische Analysen weisen ebenso auf eine unterschiedliche Deckschichtbildung sowie Korrosionsbeständigkeit nach Auslagerung in DMEM hin. Bei der Beschichtung mit BSA mittels AC-EPD wird der positive Einfluss der Proteine auf die Korrosion, selbst nach Auslagerung unter den aggressiven Entzündungsbedingungen, deutlich. Um den Einfluss der verschiedenen nanostrukturierten Beschichtungen auf die Zelladhäsion und Proliferation zu untersuchen, werden Zellversuche mit unterschiedlichen Zelllinien durchgeführt. Hierfür werden Zellaktivität und Morphologie mittels embryonalen Maus-Fibroblasten und menschlichen Osteosarkom Zellen in Kurzzeitversuchen untersucht. Den Einfluss der verschiedenen Beschichtungen auf die Kalzifizierung und Differenzierung zeigen Untersuchungen mittels menschlichen Stammzellen.
Keywords: TiAl6V4; Nanostructured Surfaces; Coatings; Bioactivity; Calcium Phosphate