Protein Adsorption and the Effects of Soaking and Sterilisation on Ceramic Biomaterials

Abstract

Mekanisk løsning av implantater er i dag den mest fremtredende årsaken for feil i implantater, som oftest er laget av Titan. Piezoelektriske keramiske materialer er sett på som nye kandidater for permanente ortopediske implantater. Overflateladningen som skapes på grunn av den piezoelektriske effekten til disse materialene er antatt å lede til raskere vekst av vev og bedre integrasjon mellom ben og implantat, noe som kan føre til mindre mekanisk løsning. Siden implantasjon av permanente ledd- erstatninger har blitt en vanlig operasjon, så kan en økning av suksess-raten til implantatene føre med seg store besparelser på helsevesenet. K0.5Na0.5NbO3 (KNN) and Ba0.9Ca0.1Zr0.1Ti0.9O3 (BCZT) er to elektroaktive keramiske materialer som er kandidater til ortopediske implantater. Adsorpsjon av proteiner på overflaten av et implantat er antatt å være essensielt for hvorvidt implantasjonen er vellykket eller ikke siden kroppens celler responder på dette laget av proteiner, og ikke materialets egen overflate. På grunn av dette, så har et eksperimentelt oppsett blitt utviklet for å kunne fastslå mengden adsorberte BSA-proteiner på overflaten av BCZT.

Hvordan damp-sterilisering påvirker de funksjonelle egenskapene til materialet er også et viktig praktisk aspekt ved bruk som ortopediske implantater, siden alle implantater må steriliseres. Derfor har dette også blitt undersøk i dette prosjektet. At de funksjonelle egenskapene blir ivaretatt ved bløtlegging i vandige løsninger er også kritisk for et implantat. Derfor har påvirkningen av bløtlegging på de funksjonelle egenskapene til BCZT blitt undersøkt.

En nedgang i d33 ble observert for KNN etter materialet ble damp-sterilisert i 20 minutter. «Ageing» av de funksjonelle egenskapene ble funnet i KNN, noe som ikke er forventet for denne sammensetningen. Dette har sannsynligvis blitt forårsaket av ladede defekter som kommer fra urenheter under syntesen av KNN pulver eller av flyktighet av alkali-elementene. Det er uvisst om nedgangen i d33 kommer fra damp-steriliseringen eller økt hastighet av «ageing» fra den økte temperaturen under sterilisering.

For bløtlagt BCZT ble det funnet en nedgang i polarisasjon etter 71 timer i vann. Der var imidlertid ingen forskjell i nedgangen i polarisasjon mellom de bløtlagte prøvene og kontroll-prøvene som var lagret i en eksikkator for samme tid. Et lite skift i hysteresekurvene ble observert etter 71 timer for både bløtlagte og ikke-bløtlagte prøver, noe som indikerer «ageing». Dette er forventet for BCZT av denne sammensetningen. Den observerte nedgangen i polarisasjon stammer sannsynligvis også delvis fra mekanisk depolarisasjon fra den manuelle håndteringen av prøvene under påføring og fjerning av sølv-elektroder.

Et eksperimentelt oppsett for å fastlå adsorpsjonen av proteiner ved hjelp av bløtlegging i protein-løsning og absorpsjons-spektrometri ble utviklet. Sammenlignet med kontroll-prøvene, så ble det ikke observert noe betydelig protein adsorpsjon på overflaten av BCZT eller Ti. Derimot ble betydelige mengder protein adsorbert på overflaten av PTFE-begerglassene som ble brukt til bløtlegging av prøver. Mengden adsorbert protein på PTFE overskrider det som er rapportert i litteraturen med god margin. Dette er sannsynligvis på grunn av bruk av PBS-buffer og protein-merking i litteraturen. Begge disse vil påvirke adsorpsjons-egenskapene til proteiner. I dette prosjektet ble ikke proteiner merket under bløtlegging, og Tris-HCl buffer ble brukt. Det virker som proteinene har fortrinnsvis adsorbert på PTFE i stedet for BCZT og Ti grunnet høyere hydrofobe egenskaper

Mechanical loosening is the leading cause of failure for current orthopaedic implants, commonly made of Titanium. Piezoelectric ceramics are considered new and promising materials for permanent orthopaedic medical implants. The surface charge generated on piezoelectric materials is thought to lead to faster tissue generation and better integration between the implant and bone, which can lead to less mechanical loosening. Since the implantation of permanent joint replacements has become a prevalent procedure, increasing the success rate of these implants can lead to drastic reductions in the economic burden on the healthcare system. K0.5Na0.5NbO3 (KNN) and Ba0.9Ca0.1Zr0.1Ti0.9O3 (BCZT) are two of the electroactive ceramics proposed as new implant materials. Protein adsorption is believed to be essential in determining whether an implanted material is successful since cells react with the layer of adsorbed protein instead of the material surface itself. For this reason, an experimental setup for determining the quantity of adsorbed proteins on the surface of BCZT has been developed to quantitatively assess the adsorption of BSA on the surface of BCZT.

The impact of steam sterilisation on the functional properties is also an important practical aspect of using the material as an orthopaedic implant since all implanted materials must be sterilised. Consequently, this project has investigated this issue. Keeping the material’s functional properties intact in aqueous solutions is also crucial for an implant material, and the effect of soaking in an aqueous solution on the functional properties of BCZT has also been assessed.

A decrease in d33 was observed for KNN after being steam sterilised in an autoclave for 20 minutes. However, ageing of the functional properties in the KNN was also discovered, which is not expected for this composition of KNN. The ageing was likely caused by charged defects originating from impurities during the synthesis of the KNN powder or volatilisation of alkali elements during synthesis or sintering. It is unknown whether the decrease in d33 is due to steam sterilisation or faster ageing kinetics due to elevated temperatures during steam sterilisation.

A decrease in polarisation was observed in BCZT after soaking for 71 hours. However, there was no significant difference between the samples soaking for 71 hours and the samples stored in a desiccator simultaneously. A slight shift in the hysteresis loop was observed after 71 hours for both soaked and non-soaked samples, which indicates ageing. This is expected for BCZT. The observed decrease in polarisation after 71 hours is likely partly due to mechanical depolarisation from the manual handling of BCZT samples when removing and applying Ag electrodes.

An experimental setup was developed to determine protein adsorption on material surfaces with solution depletion and absorption spectrometry. Compared to the control, no significant protein adsorption was found on non-poled and poled BCZT and Ti. Significant protein adsorption was found on the PTFE beakers used in the project after 1 hour. The amount of protein adsorbed greatly exceeds values for protein adsorption on PTFE reported in the literature. This is likely due to the use of PBS buffer and the labelling of proteins in the literature, both of which affect the adsorption characteristics. This project used Tris-HCl buffer and unlabeled proteins while soaking. It appears that BSA proteins adsorbed preferentially to PTFE due to its higher hydrophobicity compared to BCZT and Ti.