Preview

Bulletin of Siberian Medicine

Advanced search

The influence of physical, chemical and biological manipulations on surface potential of calcium phosphate coatings on metal substrates

https://doi.org/10.20538/1682-0363-2011-3-72-81

Abstract

The electret voltage indices of artificial surfaces are dependent on coatings formation technology and may be regulated by means of change in their physical-chemical parameters. Chemical modification of radio frequency magnetron calcium phosphate coatings (RFMCPC) by means of silicious incorporation led to an augmentation of pieces’ electrostatic potential. A complication of RFMCPC relief that was fixed by roughness index Ra is accompanied by increase in electret voltage index of artificial surface and its statistical deviation. Bone marrow cells suspension in model biological electrolyte populated RFMCPC dimples. In this manner it modulated the amplitude and leveled out the differences of surface electrostatic potential.

About the Authors

I. A. Khlusov
НОЦ «Биосовместимые материалы и биоинженерия» при Томском политехническом университете и Сибирском государственном медицинском университете
Russian Federation


V. F. Pichugin
НОЦ «Биосовместимые материалы и биоинженерия» при Томском политехническом университете и Сибирском государственном медицинском университете
Russian Federation


E. A. Gostischev
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Russian Federation


Yu. P. Sharkeyev
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
Russian Federation


R. A. Surmenev
НОЦ «Биосовместимые материалы и биоинженерия» при Томском политехническом университете и Сибирском государственном медицинском университете
Russian Federation


M. A. Surmeneva
НОЦ «Биосовместимые материалы и биоинженерия» при Томском политехническом университете и Сибирском государственном медицинском университете
Russian Federation


Ye. V. Legostayeva
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
Russian Federation


M. V. Chaikina
Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН
Russian Federation


M. V. Dvornichenko
НОЦ «Биосовместимые материалы и биоинженерия» при Томском политехническом университете и Сибирском государственном медицинском университете
Russian Federation


N. S. Morozova
НОЦ «Биосовместимые материалы и биоинженерия» при Томском политехническом университете и Сибирском государственном медицинском университете
Russian Federation


References

1. Введение в методы культуры клеток, биоинженерии органов и тканей/под ред. В.В. Новицкого, В.П. Шахова, И.А. Хлусова. Томск: STT, 2004. 386 с.

2. Карлов А.В., Хлусов И.А. Зависимость процессов репаративного остеогенеза от поверхностных свойств имплантатов для остеосинтеза//Гений ортопедии. 2003. № 3. С. 46-51.

3. Карлов А.В., Шахов В.П. Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики. Томск: STT, 2001. 480 с.

4. Карлов А.В., Хлусов И.А., Зайцев К.В. и др. Взаимодействие in vivo остеогенных клеток с наноструктурными кальций-фосфатными покрытиями при электронно-индуцированном изменении их поверхностного электрического потенциала//Бюл. СО РАМН. 2010. Т. 30, № 3. С. 105-112.

5. Коноплянников А.Г. Радиобиология стволовых клеток. М.: Энергоатомиздат, 1984. 120 с.

6. Пичугин В.Ф., Сурменева М.A., Сурменев Р.А. и др. Исследование физико-химических и биологических свойств кальций-фосфатных покрытий, созданных методом ВЧ-магнетронного распыления кремнийзамещенного гидроксилапатита//Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2010 (в печати).

7. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. СПб.: СпецЛит, 2007. 560 с.

8. Струц В.К., Петров А.В., Матвиенко В.М. и др. Свойства кальций-фосфатных покрытий, осаждаемых из абляционной плазмы, создаваемой мощными ионными пучками//Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП-2009): сб. науч. трудов. Т. 2. М.: Галлея-принт, 2009. С. 402-405.

9. Хлусов И.А., Карлов А.В., Шаркеев Ю.П. и др. Остеогенный потенциал мезенхимальных стволовых клеток костного мозга in situ: роль физико-химических свойств искусственных поверхностей//Клеточные технологии в биологии и медицине. 2005. № 3. С. 164-173.

10. Хлусов И.А., Хлусова М.Ю., Зайцев К.В. и др. Пилотное исследование in vitro параметров искусственной ниши для остеогенной дифференцировки пула стромальных стволовых клеток человека//Клеточные технологии в биологии и медицине. 2010. № 4. С. 216-224.

11. Чайкина М.В., Хлусов И.А., Карлов А.В., Пайчадзе К.С. Механохимический синтез нестехиометрических и замещенных апатитов с наноразмерными частицами для использования в качестве биосовместимых материалов//Химия в интересах устойчивого развития. 2004. Т. 12. С. 389-399.

12. Aronov D., Rosenman G. Traps states spectroscopy studies and wettability modification of hydroxyapatite nano-bio-ceramics//J. Appl. Phys. 2007. V. 101. P. 034701.

13. Biomaterials science: an introduction to materials in medicine. 2nd edition/ed. by B.D. Ratner, A.S. Hoffman, F.J. Schoen, J.E. Lemons. San Diego: Elsevier Academic Press, 2004. 851 p.

14. Cai K., Bossert J., Jandt K.D. Does the nanometre scale topography of titanium influence protein adsorption and cell proliferation?//Colloids Surf. B. Biointerfaces. 2006. V. 49, № 2. P. 136-144.

15. Damien C.J., Ricci J.L., Christel P. et al. Formation of a calcium phosphate-rich layer on absorbable calcium carbonate bone graft substitutes//Calcif. Tissue Int. 1994. V. 55. P. 151-158.

16. Dekhtyar Yu., Dvornichenko M.V., Karlov A.V. et al. Electrically functionalized hydroxyapatite and calcium phosphate surfaces to enhance immobilization and proliferation of osteoblasts in vitro and modulate osteogenesis in vivo//WC 2009/O. Dössel and W.C. Schlegel (eds.). V. 25. Springer, 2009. P. 245-248.

17. Discher D.E., Mooney D.J., Zandstra P.W. Growth factors, matrices, and forces combine and control stem cells//Science. 2009. V. 324. P. 1673-1677.

18. Ferrier J., Ross S.M., Kanehisa J., Aubin J.E. Osteoclasts and osteoblasts migrate in opposite directions in response to a constant electrical field//J. Cell. Physiol. 1986. V. 129. № 3. P. 283-288.

19. Gibson I.R., Best S.M., Bonfield W. Chemical Characterization of Silicon-Substituted Hydroxyapatite//J. Bio. Mater. Res. Symp. 1999. V. 44. P. 422-428.

20. Gomes P.S., Botelho C., Lopes M.A. et al. Evaluation of human osteobastic cell response to plasma-sprayed silicon-substituted hydroxyapatite coatings over titanium substrates//J. of Biomedical Materials Research B: Applied Biomaterials. 2010. V. 948. Issue 2. P. 337-346.

21. Hamamoto N., Hamamoto Y., Nakajima T., Ozawa H. Histological, histocytochemical and ultrastructural study on the effects of surface charge on bone formation in the rabbit mandible//Arch. Oral Biol. 1995. V. 40, № 2. P. 97-106.

22. Heubach J.F., Graf E.M., Leutheuser J. et al. Electrophysiological properties of human mesenchymal stem cells//Journal of Physiology. 2004. V. 554. P. 659-672.

23. Johnson L.A. Competitive interactions between cells: death, growth and geography//Science. 2009. V. 324, № 5935. P. 1679-1682.

24. Iwasa F., Hori N., Ueno T. et al. Enhancement of osteoblast adhesion to UV-photofunctionalized titanium via an electrostatic mechanism//Biomaterials. 2010. V. 31, № 10. P. 2717-2727.

25. Levin M. Large-scale biophysics: ion flows and regeneration//Trends in Cell Biology. 2007. V. 17. P. 261-270.

26. McCaig C.D., Rajnicek A.M., Song B., Zhao M. Controlling cell behavior electrically: Current views and future potential//Physiological Reviews. 2005. V. 85. P. 943-978.

27. Meyer U., Buchter A., Wiesmann H.P. et al. Basic reactions of osteoblasts on structured material surface//European Cells and Materials. 2005. V. 9. P. 39-49.

28. Morks M.F. Fabrication and characterization of plasma-sprayed HA/SiO2 coatings for biomedical application//J. Mech. Beh. Bio. Mater. 2008. S. 1. P. 105 -111.

29. Pichugin V.F., Eshenko E.V., Surmenev R.A. et al. Application of High-Frequency Magnetron Sputtering to Deposit Thin Calcium-Phosphate Biocompatible Coatings on a Titanium Surface//Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2007. V. 1, № 6. P. 679-682.

30. Qiu Q., Sayer M., Kawaja M. et al. Attachment, morphology, and protein expression of rat marrow stromal cells cultured on charged substrate surfaces//J. Biomed. Mater. Res. 1998. V. 42, № 1. P. 117-127.

31. Rosenman G., Aronov D. Wettability engineering and bioactivation of hydroxyapatite nanoceramics//Intern. Tech. Proc. Nanotech. Conf. Boston. 2006. V. 2. P. 91-94.

32. Scarano A., Degidi M., Iezzi G. et al. Maxillary sinus augmentation with different biomaterials: a comparative histologic and histomorphometric study in man//Implant Dent. 2006. V. 15. P. 197-207.

33. Sharkeev Yu.P., Legostaeva E.V., Eroshenko A.Yu. et al. The structure and physical and mechanical properties of a novel biocomposite material, nanostructured titanium-calcium-phosphate coating//Composite Interfaces. 2009. V. 16. P. 535-546.

34. Smeets R., Kolk A., Gerressen M. et al. A new biphasic osteoinductive calcium composite material with a negative Zeta potential for bone augmentation//Head Face Med. 2009. V. 5, № 13. (PMCID: PMC2706807; ) DOI: 10.1186/1746-160X-5-13

35. Smith I.O., Baumann M.J., McCabe L.R. Electrostatic interactions as a predictor for osteoblast attachment to biomaterials//J. Biomed. Mater. Res. A. 2004. V. 70. P. 436-441.

36. Sniadecki N.J., Desai R.A., Ruiz S.A., Chen C.S. Nanotechnology for cell-substrate interactions//Annals of Biomedial Engineering. 2006. V. 34. P. 59-74.

37. Thian E.S., Ahmad Z., Huang J. et al. The role of surface wettability and surface charge of electrosprayed nanoapatites on the behaviour of osteoblasts//Acta Biomater. 2010. V. 6. P. 750-755.

38. Thian E., Huang J., Best S. et al. The response of osteoblasts to nanocrystalline silicon-substituted hydroxyapatite thin films//Biomaterials. 2006. V. 27. P. 2692-2698.

39. Thull R. Titan in der Zahnheilkunde-Grundlangen//Z. Mitteilungen. 1992. V. 82. P. 39-45.

40. Yeo W.-S., Mrksich M. Electroactive Self-Assembled Monolayers that Permit Orthogonal Control over the Adhesion of Cells to Patterned Substrates//Langmuir. 2006. V. 22. P. 10816-10820.

41. Zhao M., Song B., Pu J. et al. Electrical signals control wound healing through phosphatidylinositol-3-OH kinase-c and PTEN//Nature. 2006. V. 442. P. 457-460.


Review

For citations:


Khlusov I.A., Pichugin V.F., Gostischev E.A., Sharkeyev Yu.P., Surmenev R.A., Surmeneva M.A., Legostayeva Ye.V., Chaikina M.V., Dvornichenko M.V., Morozova N.S. The influence of physical, chemical and biological manipulations on surface potential of calcium phosphate coatings on metal substrates. Bulletin of Siberian Medicine. 2011;10(3):72-81. (In Russ.) https://doi.org/10.20538/1682-0363-2011-3-72-81

Views: 525


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1682-0363 (Print)
ISSN 1819-3684 (Online)