The impact of nanocolloidal wear-particles on human mononuclear cells

This article investigates the effects of metallic wear-medium prepared from 316L stainless steel and titanium alloy (TiAl6V4) in vitro. Wear was generated by a tribometer, under sterile conditions, disc-on-pin submersed in cell culture medium. Wear medium was separated into a particle fraction (>200 nm) and a nanocolloidal fraction (< 200 nm). A standardized cell culture model was employed using isolated mononuclear cells from peripheral human blood cells were incubated with increasing amounts of wear medium containing particles or nanocolloids. Vitality was assayed using MTT and inflammatory reactions were measured by TNF-α ELISA. In a second step wear-medium was aged over two weeks in an incubator to simulate passivation of the implant / particle surfaces. Dose dependant toxic reactions induced by nanocolloids from titanium alloy and even more from stainless steel were identified with the vitality decreasing to 50 % compared to untreated cells. Nanocolloids did not induce inflammatory effects. Particles had no apparent toxic effects on cells. On the other hand, particles from titanium alloy induced a higher secretion of TNF-α in the supernatants than 316L. Aged nanocolloids lost their toxic potential, but aged particles did still show a strong inflammatory reaction with titanium alloy being the stronger inflammatory agent. This study demonstrates that particles from titanium alloy can not be assumed as to be an inert biomaterial. In fact, titanium alloy particles induced a stronger inflammatory reaction rather than stainless steel. We conclude that both particles and nanocolloids show specific interactions with mononuclear cells in a sense of toxicity and inflammation. Furthermore, it seems to be of great importance to critically consider fabrication processes and age of particles used for cell culture settings in future research. Die Wirkung von nanokolloidalen Verschleispartikeln auf humanen mononuklearen Zellen Dieser Artikel vergleicht unterschiedliche metallische Verschleisprodukte aus 316L-Stahl und Titanlegierung (TiAl6V4) miteinander. Dabei dreht es sich um Partikel und um Nanokolloide, denen bisher wenig Beachtung in Biokompatibilitatsuntersuchungen geschenkt wurde. Hierzu wurde Verschleis unter sterilen Bedingungen in Zellkulturmedium in einem Tribometer (Stift-Scheibe-Versuch) erzeugt. Das gewonnene Verschleismedium wurde dann mittels Massenzentrifugation in eine Partikel- (> 200 nm) und eine Nanokolloidfraktion (< 200 nm) aufgeteilt. Um das toxische und das inflammatorische Potential der unterschiedlichen Fraktionen zu bestimmen, wurden humane mononukleare Zellen des peripheren Blutes (PBMNC) mit unterschiedlichen Konzentrationen der verschiedenen Verschleismedien inkubiert und aus den Uberstanden die TNF-α Konzentration mittels ELISA und die Vitalitat mittels MTT-Test bestimmt. In einem zweiten Schritt wurde das Verschleismedium gealtert, um Passivierungs- und Oxidationsvorgange des Implantatmaterials und der Partikel zu simulieren. Es fand sich eine deutliche, dosisabhangige, toxische Reaktion der Zellen bei Inkubation mit Titan-Nanokolloiden und noch mehr mit Stahl-Nanokolloiden mit einem Ruckgang der Vitalitat auf unter 50 %. Partikel, auf der anderen Seite, wirkten nicht toxisch, zeigten dafur aber ausgepragte inflammatorische Reaktionen der Zellen, starker bei Titan als bei Stahl. Nanokolloide wirkten hingegen nicht proinflammatorisch. Bei gealtertem Verschleismedium waren interessanterweise keinerlei toxische Effekte der Nanokolloide mehr nachweisbar, wahrend die inflammatorische Antwort der Zellen auf Partikel nahezu unverandert bestehen blieb. Wir konnten zeigen, dass Titanpartikel sich in der Zellkultur nicht innert verhalten wie ursprunglich angenommen, sondern dass sie in der Lage sind, starkere Entzundungsreaktionen zu erzeugen als 316L Stahl. Wir konnen schlussfolgern, dass sowohl Partikel als auch Nanokolloide spezifische Interaktionen mit Entzundungszellen in Bezug auf Entzundung und Toxizitat hervorrufen konnen. Weiterhin scheint es fur zukunftige Forschungsbestrebungen auf dem Gebiet der Implantatvertraglichkeit sinnvoll zu sein, Fertigungsprozesse und Alterungsvorgange von Verschleismedium in die Planung weiterer Forschungsvorhaben mit einzubeziehen.