Lapisan Titanium Mikroporus Doped Tembaga Meningkatkan Aktivitas Osteoblas dan Integrasi Tulang

Pendahuluan

Titanium dan legamnya tetap menjadi standar emas untuk implan yang mendukung beban karena kinerja mekanis yang baik dan biokompatibilitas bawaan. Namun, permukaan yang secara kimiawi iners tidak memiliki petunjuk oseoinduktif, bergantung sepenuhnya pada penguncian mekanis untuk stabilitas, yang dapat gagal di bawah beban fisiologis. Rekayasa permukaan—terutama oxidasi ark mikro—telah muncul sebagai teknik serbaguna untuk memperkenalkan porositas, kekasaran, dan ion bioaktif, sehingga meningkatkan adsorpsi protein, adhesi sel, dan pada akhirnya oseointegrasi.

Meskipun banyak strategi lapisan yang ada (plasma spraying, elektrodeposisi, sol–gel, dll.), mereka sering mengalami kristalinitas rendah, adhesi lemah, atau pemrosesan yang kompleks. MAO, sebaliknya, menawarkan depo oksida lapis yang cepat, dapat diskalakan, kuat, dan sangat berpori dengan kimia yang dapat disesuaikan.

Tembaga, unsur jejak yang penting untuk metabolisme tulang, merangsang proliferasi osteoblas, meningkatkan VEGF, dan memberikan aktivitas antibakteri pada konsentrasi fisiologis. Penggabungan Cu dalam matriks TiO₂ telah menunjukkan efek sinergis pada osteogenesis dan inhibisi mikroba.

Dalam karya ini, kami menyajikan lapisan mikroporus Cu–TiO₂ yang diproduksi oleh MAO, mengevaluasi properti fisikokimianya, dan menilai pengaruhnya terhadap perilaku osteoblas in vitro serta integrasi tulang pada model arus, membangun dasar untuk terjemahan klinis.

Bahan dan Metode

Persiapan dan Karakterisasi Sampel

Batang legam titanium komersial (12 mm × 1 mm untuk analisis permukaan; 3 mm × 8 mm untuk implan) digosongkan hingga grit 600, dibersihkan ultrasonik, dan dilakukan MAO. Sistem MAO daya rendah dioperasikan pada 450 V (mode arus konstan, 5 menit, 1 kHz). Elektrolit terdiri dari 1 wt% Ca(CH₃COO)₂ dan 0,5 wt% Ca₃(PO₄)₂, dengan atau tanpa penambahan CuO (0,1 wt% untuk TCP Cu I dan 0,3 wt% untuk TCP Cu II). Sampel diberi label Ti, TCP, TCP Cu I, dan TCP Cu II.

Morfolgi permukaan diperiksa oleh FE-SEM; pemetaan elemen melalui EDS; kekasaran melalui profilometer (nilai Ra). Identifikasi fase menggunakan XRD (Cu Kα, 2θ = 10–80°); status kimia dijalin oleh XPS (energi ikatan 520–1100 eV).

Kultur Sel

Sel pre-osteoblas tikus MC3T3-E1 dikultur dalam MEM yang dilengkapi dengan 10% FBS dan 1% penicilin/streptomisin pada 37 °C, 5% CO₂. Sel pada jalur 3 digunakan untuk semua uji.

Pewarnaan Live/Dead

Sel (1,5 × 10⁴ sel cm⁻²) ditanam pada setiap substrat, diinkubasi 3 hari, dan diwarnai dengan calcein AM/ethidium homodimer. Rasio live/diaduk kuantifikasi melalui mikroskopi fluoresensi.

Adhesi dan Proliferasi Sel

Adhesi dinilai pada 1, 2, dan 6 jam menggunakan pewarnaan inti DAPI dan gambar konfokal. Proliferasi dikuantifikasi dengan uji CCK-8 pada hari 1, 3, dan 10. Data dinyatakan sebagai absorbansi pada 450 nm.

Ekspresi Gen Osteogenik

Pada hari 1, 3, dan 10, total RNA diekstraksi, ditranskripsi balik, dan qRT-PCR dilakukan untuk BMP-2, COL-I, ALP, dan OCN, dengan GAPDH sebagai kontrol internal. Urutan primer tercantum dalam Tabel 2.

Hewan dan Bedah

Enam belas arus New Zealand putih dewasa (3,6 kg) diacak menjadi grup eksperimental (dilapis Cu) dan kontrol (TCP). Di bawah anestesi sodium pentobarbital, cekungan 2,7 mm × 6 mm dibuat pada kondil femoral lateral, dan batang yang sesuai ditanam. Perawatan pascaoperasi termasuk penicilin selama 3 hari.

Analisis Micro-CT

Pada 4 dan 8 minggu, delapan arus per grup di eutanasi. Kondil femoral yang diekstrak diperbaiki, dipindai pada ukuran voxel 9 µm, dan BV/TV (%), ketebalan trabekula, dan konektivitas dikuantifikasi menggunakan perangkat lunak komersial.

Histologi

Spesimen didesidratkan, ditanam dalam resin, difotong (20–30 µm), dan diwarnai dengan toluidine blue dan fuchsin-methylene blue. Antarmuka tulang-implan diperiksa di bawah mikroskopi cahaya untuk pembentukan tulang baru dan celah serat.

Analisis Statistik

Data dinyatakan sebagai mean ± SD. One-way ANOVA diikuti oleh uji SNK menilai perbedaan grup (p < 0,05 dianggap signifikant). SPSS 16.0 digunakan untuk analisis.

Hasil

Morfolgi dan Komposisi Permukaan

Gambar FE-SEM (Gambar 1) mengungkapkan jaringan mikroporus yang seragam dan terhubung pada permukaan TCP, TCP Cu I, dan TCP Cu II, yang tidak ada pada titanium polos. Pemetaan EDS (Gambar 2) mengonfirmasi distribusi homogen Cu, Ca, P, Ti, dan O, tanpa kontaminan toksik. Pola XRD (Gambar 3) menunjukkan puncak TiO₂ (rutile/anatase) dan CuO pada sampel doped Cu. Spektra XPS (Gambar 4) mengonfirmasi kehadiran TiO₂ dan CuO (Cu 2p ≈ 932,7 eV).

Kekasaran Permukaan

Profilometri (Gambar 5) menunjukkan nilai Ra 1,2 µm untuk TCP, 1,3 µm untuk TCP Cu I, dan 1,4 µm untuk TCP Cu II, yang signifikan lebih tinggi dari titanium (0,4 µm). Penambahan tembaga tidak mengubah kekasaran secara signifikan.

Adhesi dan Proliferasi Sel

Pewarnaan DAPI (Gambar 6a) menunjukkan peningkatan jumlah sel seiring waktu. Kuantifikasi (Gambar 6b) menunjukkan urutan: TCP Cu II > TCP Cu I > TCP > Ti, dengan peningkatan signifikan (p < 0,01) pada permukaan doped Cu. Uji proliferasi (Gambar 6c) mencerminkan tren adhesi, mengonfirmasi efek promosi porositas doped Cu.

Penggabungan EdU

Pewarnaan EdU (Gambar 7) mengungkapkan persentase inti yang proliferasi yang lebih tinggi pada TCP Cu II, diikuti oleh TCP Cu I, TCP, dan Ti, memperkuat keunggulan proliferasi dari penambahan tembaga.

Sittotoksisitas

Uji Live/Dead (Gambar 8) menunjukkan sel merah (mati) yang minimal di semua grup, mengindikasikan tidak ada sittotoksisitas signifikan dari doping Cu.

Ekspresi Gen Osteogenik

qRT-PCR (Gambar 9) menunjukkan peningkatan progresif BMP-2, COL-I, ALP, dan OCN seiring waktu, dengan ekspresi tertinggi pada TCP Cu II, diikuti oleh TCP Cu I, TCP, dan Ti. Perbedaan ini secara statistik signifikant (p < 0,05).

Micro-CT dan Histologi

Rekonstruksi micro-CT (Gambar 10) mengungkapkan BV/TV yang lebih besar pada grup dilapis Cu pada baik 4 maupun 8 minggu (p < 0,01). Bagian histologi (Gambar 11) menunjukkan celah serat yang lebih sempit dan tulang yang lebih matang di sekitar implan dilapis Cu, mengonfirmasi oseointegrasi yang ditingkatkan.

Pembahasan

Studi ini menunjukkan bahwa lapisan mikroporus Cu–TiO₂ yang diproduksi MAO menyediakan permukaan yang kuat dan bioaktif yang memromosikan adhesi, proliferasi, dan diferenciasi osteoblas, yang mengarah pada integrasi tulang yang lebih baik in vivo. Ikat yang kuat antara lapisan keramik dan substrat titanium—berakar pada matriks TiO₂ yang disinter plasma suhu tinggi—memastikan stabilitas jangka panjang, mengatasi keterbatasan umum lapisan konvensional.

Peran ganda Cu—merangsang osteogenesis dan memberikan aktivitas antibakteri—menambahkan nilai terapeutik. Distribusi seragam CuO dalam jaringan pori TiO₂ memungkinkan rilis ion yang berkelanjutan pada konsentrasi fisiologis, selaras dengan temuan sebelumnya bahwa Cu rendah (≤ 0,1 wt%) meningkatkan fungsi osteoblas tanpa sittotoksisitas.

Arsitektur pori terhubung meniru mikrostruktur tulang asli, meningkatkan luas permukaan untuk adsorpsi protein dan pertumbuhan sel, sementara kekasaran yang lebih tinggi lebih lanjut mendorong pembentukan adhesi fokus. Bersama-sama, petunjuk fisikokimia ini sinergis untuk mempercepat penumpukan tulang, seperti yang dibuktikan oleh peningkatan BV/TV dan kontak tulang-implan langsung yang diamati pada model arus.

Keterbatasan meliputi periode implan yang singkat dan penggunaan satu spesies hewan. Studi mendatang harus mengevaluasi stabilitas jangka panjang, beban mekanis, dan terjemahan ke model hewan yang lebih besar.

Kesimpulan

Oxidasi ark mikro legam titanium untuk menghasilkan lapisan mikroporus TiO₂ doped Cu menghasilkan permukaan yang kuat dan bioaktif yang meningkatkan aktivitas osteoblas dan integrasi tulang tanpa sittotoksisitas. Temuan ini mendukung potensi klinis lapisan MAO Cu–TiO₂ untuk implan ortopedik generasi mendatang.

Ketersediaan data dan bahan

Tidak berlaku.

Singkatan

MAO

Oxidasi ark mikro

Cu

Tembaga

Cu–TiO₂ coating

Lapisan tembaga–oksida titanium

BV/TV

Volume tulang/total volume

ALP

Fosfatase kaprat