Bobek, M.

Błażewicz, M.

Cieślik, J.

Czajkowska, Barbara

Kowal, Joanna

Ptak, Maria

Polish

Jagiellonian Univeristy Repository

157WPŁYW CHEMICZNEJ IFIZYCZNEJ MODYFIKACJIPOWIERZCHNIPOLISULFONU NAREAKCJE KOMÓRKOWEIN VITROB. CZAJKOWSKA*, J. KOWAL**, M. BŁAŻEWICZ*** M. PTAK*,M. BOBEK*, J. CIEŚLIK**KATEDRA IMMUNOLOGII COL.MED. U.J**WYDZIAŁ CHEMII U.J*** WYDZIAŁ INŻYNIERII MATERIAŁOWEI I CERAMIKI AGH[Inżynieria Biomateriałów, 38-43, (2004), 157-160] Polisulfon od wielu lat stosowany jest w różnych dzia-łach medycyny, zarówno do produkcji sprzętu medyczne-go, membran do dializy, jak i różnego rodzaju implantów.Tę różnorodność zastosowań PSU zawdzięcza swoim wła-snościom fizykochemicznym i ogólnie uznanej biozgodno-ści. Nowoczesne podejście do zastosowań biomateriałównie uznaje uniwersalnego pojecia biozgodności,  a odnosije raczej do miejsca anatomicznego zastosowania  lub też( w przypadku sprzętu medycznego) zaproponowanegoprzeznaczenia. Istnieje wiec możliwość doboru materiału oTHE IMPACT OFCHEMICAL ANDPHYSICAL MODIFICATIONOF POLYSULFONESURFACE ON CELLULARREACTIONS IN VITROB. CZAJKOWSKA*, J. KOWAL**, M. BŁAŻEWICZ***, M. PTAK*,M. BOBEK*, J. CIEŚLIK**DEPT. OF IMMUNOLOGY,COLL. MED., JAGIELLONIAN UNIVERSITY**FACULTY OF CHEMISTRY JAGIELLONIAN UNIVERSITY***FACULTY OF MATERIALS SCIENCE AND CERAMICS , AGHUNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY[Engineering of Biomaterials, 38-43, (2004), 157-160]Polysulfone has for years been used in various medicalapplications in both manufacture of medical equipment, di-alysis films and implants of various types. This wide varietyof PSU applications is due to its physico-chemical proper-ties and generally recognised biocompatibility. In the presentPróbkaSampleAbsorbancjaprzy 280 nmAbsorbanceat 280 nmPSU 0,216PSU/irr 0,05PSU/pl 0,108PP 0,091PP/irr 0,091PP/pl 0,082(PP+PSU) 0,267(PP+PSU)/irr 0,091(PP+PSU)/pl 0,108158 optymalnym oddziaływaniu na żywy organizm,  przy założe-niu, że znane jest miejsce jego zastosowania. Pierwszykontakt płynów ustrojowych i komórek ma miejsce na po-wierzchni materiału i oddziaływania te zależą zarówno odchemicznych jak i fizycznych właściwości powierzchni.Ogólnie panuje pogląd,  że powierzchnie hydrofobowe sil-niej wiążą białka niż powierzchnie hydrofilowe, które z koleisprzyjają adhezji komórek. W warunkach in vivo adhezjakomórek zachodzi równocześnie z adsorpcją białek  z  pły-nów ustrojowych i ustala się pewna dynamiczna równowa-ga, uzależniona od czynników zarówno materiałowych jak,i ustrojowych. Pewnym przybliżeniem reakcji organizmu naróżnego typu modyfikacje powierzchni PSU są podjęte przeznas badania in vitro. W badaniach tych sprawdzaliśmy  re-akcję wybranych komórek na różnego typu modyfikacjępowierzchni PSU. Zastosowane modyfikacje miały na celuzasymulowanie zmian powierzchni,  jakie mogą zachodzićna PSU podczas sterylizacji (oddziaływanie promieniowa-nia UV i plazmy H2O2)  lub, gdy PSU występuje w kompozy-cie z innym materiałem (połączenie z siatką polipropyleno-wą  i włóknami węglowymi).  Reakcje komórkowe ocenianopoprzez oznaczenie żywotności makrofagów, fibroblastówi osteoblastów  i ilości zsyntetyzowanego kolagenu i IL-1pod wpływem zmodyfikowanej lub nie powierzchni PSU wporównaniu do kontrolnych hodowli.Materiał i metodyFolie z PSU (0,2 g PSU ,Aldrich Chemical Comp.Inc. roz-puszczano w 10 cm3 dichlorometanu, wylewano na płytkęszklaną o wymiarach 10x10 cm i suszonofolie z PSU  naświetlane U.V (naświetlanie prowadzono lam-pą rtęciową średniocisnieniową przez 12 godz. l=254 nm)folie z PSU poddane działaniu plazmy H2O2 prze 40 minkompozyt PSU z siatką PPkompozyt PSU z włóknami Cludzka linia makrofagowa KMAludzka linia fibroblastyczna  HS-5ludzka linia osteoblatyczna hFOB 1,19Hodowle komórkowe prowadzono w 12-dołkowych płyt-kach, w których na dnie umieszczano krążki z badanychmateriałów o srednicy 20mm i dodawano 2ml zawiesiny ko-mórekStosowano następujące stężenia komórek i media hodow-lane:Mf 2x105  komórek /ml medium (RPMI , 0,1mM hipoksanty-na, 0,016mM tymidyna, 0,05mM merkaptoetanol, 10% FCS)Fb 2x104 komórek/ml medium (RPMI + 10% FCS)osteo 2x104  komórek / ml medium ( Dulbecco's modifiedEagle's medium nutrient mixture F-12 HAM, 0,3 mg/ ml G-418, 10% FCS )Żywotność komórek  po 7 dniach hodowli oznaczano za-adoptowaną  do potrzeb eksperymentu metodą przy użyciuMTT.Stężenie kolagenu typu I i IL-1 wykonano metodą ELISA.Wyniki i dyskusjaWpływ promieniowania UV i plazmy H2O2  na żywotnośćkomórek przedstawiono na RYS. 1 i 2.Zarówno promieniowanie UV,  jak i działanie plazmy H2O2powoduje zmianę charakteru powierzchni PSU z hydrofo-bowej w kierunku hydrofilowej, co zostało wykazane przezpomiary widm i kątów zwilżania. Jak widać z RYS. 1 i 2tego typu modyfikacja powierzchni powoduje obniżenie ży-wotności fibroblastów i osteoblastów, natomiast  makrofaginie reagują na nią.approach to biomaterials there is no universal notion ofbiocompatibility; instead, it is referred to the place ofanatomic application, or (in case of equipment) its proposeduse. It is possible then to select a material of optimal effecton a living organism, assuming the place of its applica-tion is known. Body fluids and cells first get in contact onthe material surface and these interactions depend onboth chemical and physical properties of the surface. Hy-drophobic surfaces are generally thought to bind proteinsstronger than hydrophilic surfaces which facilitate cellularadhesion. In in vivo environment cellular adhesion takesplace simultaneously with protein adsorption from bodyfluids, and a certain dynamic equilibrium occurs, depend-ent on both material and organism factors. The aim of ourin vitro experiments was an attempt to explain the organ-ism's reactions to different types of PSU surface modifica-tions. The purpose of our modifications was to simulatesurface changes that can take place on the PSU duringsterilization (impact of UV irradiation and plasma H2O2),when PSU is used in a composite material (withpolypropylene mesh and carbofibres). The cells' reactionswere evaluated by determination of the vitality ofmacrophages, fibroblasts and osteoblasts, and theamount of synthesized collagen and IL-1 under the influ-ence of modified or non-modified PSU surface againstthe control cultures.Material and methodsPSU foils (0,2 g PSU, Aldrich Chemical Comp. Inc., weredissolved in 10 cm3 of dichloromethane, poured on a glassplate of10x10 cm in size and dried.PSU foils UV irradiated (by a mean pressure mercury dis-charge lamp over 12 hours. l = 254 nm)PSU foils treated with plasma H2O2 over 40 minPSU composite with PP meshPSU composite with C fibreshuman macrophagous line KMAhuman fibroblastic line HS-5human osteoblastic line hFOB 1, 19Cell cultures were run in 12-well plates at the bottom ofwhich disks of the tested materials 20 mm in diameter wereplaced and 2 ml suspension of cells was added.The following concentrations of cells and culture media wereused:Mf 2x105 of cells/ml medium (RPMI, 0,1 mM hypoxanthine,0,016mM thymidine, 0,05mM mercaptoethanol, 10% FCS)Fb 2x104 of cells/ml medium (RPMI+10% FCS)Osteo 2x104 of cells/ml medium (Dulbecco's modified Ea-gle's medium nutrient mixture F-12 HAM, 0,3 mg/ml G-418,10% FCS)Cell viability after seven-day culture was determined by amethod, adapted for the present research, using MTT.Collagen I and IL-1 concentration was performed by ELISAtests.Results and discussionThe impact of UV irradiation and plasma H202 on cell viabil-ity has been shown in FIGS. 1 and 2.Both UV irradiation and reaction of plasma H2O2 changethe PSU surface character from hydrophobic toward hy-drophilic, which has been proved by measurement of spec-tra and wetting angle. As seen in FIGS. 1 and 2, this type ofsurface modification lowers the viability of fibroblasts andosteoblasts, while macrophages remain unaffected.]The effect of polypropylene mesh or carbofibres placed159under the PSU surface on the viability has been shown inFIGS. 3 and 4.Different types of cells recognise the substance placed un-der the PSU surface in different ways; osteoblasts clearlyreact to the PSU change caused by both carbofibres andPP mesh with lowered viability.In order to check the effect of applied modifications oncells' metabolic abilities the amount of collagen I secretedby fibroblasts and osteoblasts was determined.The total amount of collagen determined in supernatant (liq-uids) after a seven-day culture has been shown in FIG. 5.As can be observed, PSU modification by UV irradiationand plasma H2O2 treatment does not significantly affect theWpływ  siatki polipropylenowej lub włókien węglowychumieszczonych pod powierzchnią PSU na żywotność przed-stawiono na RYS. 3 i 4.Różne rodzaje komórek rozpoznają w sposób odmiennysubstancję umieszczoną pod powierzchnią PSU ; osteobla-sty wyraźnie reagują obniżoną żywotnością na zmianę po-wierzchni PSU spowodowaną zarówno włóknami węglowy-mi jak i siatką PP.W celu zbadania wpływu zastosowanych modyfikacji nazdolności metaboliczne komórek oznaczono ilość wydzie-lonego przez fibroblasty i osteoblasty kolagenu  typu I.Całkowitą ilość kolagenu oznaczona w supernatantach po7-dniowej hodowli przedstawiono na RYS. 5. Jak widać zRYS. 5 modyfikacja PSU poprzez działanie promieniowa-nia UV i plazmą H2O2 nie wpływa istotnie na ilość wyprodu-kowanego kolagenu przez oba rodzaje komórek, natomiastsiatka PP i włókna węglowe zmieniają ilość wyprodukowa-nego i wydzielonego na zewnątrz komórki kolagenu.Oznaczenie całkowitej ilości kolagenu wyprodukowanegoprzez komórki na badanych powierzchniach wnosi istotneinformacje praktyczne dotyczące np. doboru metod steryli-zacji czy też  dogodnego miejsca anatomicznego zastoso-wania. Jednak całkowita ilość wydzielonego kolagenu  nieobrazuje wpływu modyfikacji na zdolność do jego syntezy,ponieważ nie uwzględnia żywotności komórek,  która naogół jest obniżona na zmodyfikowanym materiale.  Uwzględ-Fbviability[%]Collagen[ng/ml]Collagen*[ng/ml]Osteo.viability[%]Collagen[ng/ml]Collagen*[ng/ml]PSU 82 148 ------ 78 134 ----PSUN 60 147 108 65 107 111PSUP 59 139 106 60 126 103PSUPP 123 196 222 76 159 130PSUC 73 115 130 38 187 65TABELA I.TABLE I.TABELA II.TABLE II.TABELA III.TABLE III.control [Fb] 126PSU 109PSUN 100PSUP 159PSUPP 141Cells viability after U.V0102030405060708090100Mf Fb Osteo%PSUPSUNRYS. 1.FIG. 1.Cells viability after plasma treatment0102030405060708090100Mf Fb Osteo%PSUPSUPRYS. 2.FIG. 2.Cells viability in PSU/PP composit020406080100120140Mf Fb Osteo%PSUPSUPPRYS. 3.FIG. 3.Cells viability in PSU/C composit0102030405060708090Mf Fb Osteo%PSUPSUCRYS. 4.FIG. 4.Collagen secretion050100150200250PSU PSUN PSUP PSUPP PSUCng/ml FbOsteo.RYS. 5.FIG. 5.160 niając żywotność komórek wyliczono wartości teoretyczne(collagen*), które zestawiono w TABELACH 1 i 2 w porów-naniu do wartości oznaczonych.Jak widać z RYS. 5 i TABEL fibroblasty i osteoblastyodmiennie reagują na zastosowane modyfikacje PSU. Fi-broblasty rozpoznają modyfikację samej powierzchni spo-wodowaną promieniowaniem UV i działaniem plazmy H2O2,osteoblasty reagują przede wszystkim na substancjęumieszczoną pod powierzchnią,  t.j  w tym przypadku nasiatkę PP i włókno węglowe.Poziom wydzielanej IL-1 oznaczono w celu sprawdzeniaczy badane modyfikacje  indukują wzrost syntezy  tej inter-leukiny w fibroblastach. Wyniki w pg/ml przedstawiono wTABELI 3.Z uzyskanych wyników widać,  że żadna z zastosowanychmodyfikacji nie powoduje wzrostu syntezy IL-1, co pośred-nio można interpretować jako brak własności prozapalnychtych materiałów.WnioskiStwierdzono odmienną reakcje fibroblastów i osteobla-stów na różne modyfikacje powierzchni PSU. Fibroblastywzmagają syntezę kolagenu pod wpływem promieniowa-nia UV i działania plazmy H2O2 na powierzchnię PSU. Oste-oblasty nie reagują na tego typu modyfikację,  natomiastwzmagają syntezę kolagenu pod wpływem umieszczonychpod powierzchnią włókien węglowych lub siatki polipropy-lenowej. Uzyskane dane mogą być zastosowane przy do-borze metod sterylizacji a także przy planowaniu materia-łów kompozytowych do różnych zastosowań.amount of collagen produced by both types of cells, whilePP mesh and carbofibres do change the amount of collageproduced and secreted by the cells. Determination of thetotal amount of collagen produced by cells on the testedsurface gives important practical information as to e.g. choiceof sterilization method, or a convenient place for anatomicapplication. However, the total amount of secreted colla-gen does not represent the effect of modification on thecapability for its synthesis, because it does not consider thecell vitality, which is generally lowered on the modified ma-terial. Considering the cell viability theoretical values havebeen calculated (collagen*) and tabulated in TABLES 1 andII, in comparison with the determined values.As can be seen in FIG. 5 and the TABLES, fibroblasts andosteoblasts react differently to the PSU modifications.Fibroblasts recognise the modification of the surface itself,caused by UV irradiation and plasma H2O2 action, whileosteoblasts react first of all to the substance placed underthe surface, i.e. PP mesh and carbofibre in this case.The level of secreted IL-1 was determined in order to checkwhether the tested modifications induce the increase ofinterleucine synthesis in fibroblasts. The results in pg/mlhave been shown in TABLE 3.From the results it follows that none of the modificationsused causes an increase of IL-1 synthesis, which indirectlycan be interpreted as lack of  inflammatory properties ofthese materials.ConclusionsDifferent reactions of fibroblasts and osteoblasts to dif-ferent PSU surface modifications have been observed.Fibroblasts induce collagen synthesis under the influenceof UV irradiation and plasma H202 action on PSU surface.Osteoblasts remain unaffected by this type of modification,however they induce collagen synthesis under the influenceof carbofibres or polypropylene mesh placed under the sur-face. The obtained data can be used in the selection of steri-lization methods and design of composite materials for vari-ous applications.

The impact of chemical and physical modification of polysulfone surface on cellular reactions in vitro

https://ruj.uj.edu.pl/xmlui/bitstream/handle/item/268508/czajkowska_et-al_wplyw_chemicznej_i_fizycznej_modyfikacji_powierzchni_2004.pdf?sequence=1&isAllowed=y

The impact of chemical and physical modification of polysulfone surface on cellular reactions in vitro

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Jagiellonian Univeristy Repository