Crystalline Diamond Particles as Coating for Use in Implantable Devices

Introduction:Nowadays, efforts are underway to develop implant surface treatments with the aims to optimize implant biocompatibility, improve osseointegration, and decrease the likelihood of bio-corrosion. Ultrananocrystalline diamond(UNCD), has been proposed as a material for the manufacture surfaces for biomedical implants. UNCD exhibits a unique combination of exceptional mechanical, tribological, chemical and biocompatibility. In view of the above, as macrophages are immune cells that interact with the biomaterial at the implant-tissue interface, it is of interest to evaluate the biological response to UNCD. Objective:To perform an in vitro evaluation of the potential cytotoxic effect of different grain sizes and concentrations of crystalline diamond particles on macrophages. Methods:Wistar rats macrophages were cultured for 24hr and exposed to micro(MCD) or nano(UNCD) crystalline diamond particles at 10 or 100µg/ml concentrations. Particles were analyzed by SEM and EDS.The biological response was evaluated by means of the generation of superoxide anion(O2-), nitric oxide(NO) and cytokines(TNF, IL-6 y IL-10)and by percentage of the cell number. Results:Morphological analysis by SEM showed irregular MCD shape particles with an average size of 190±70nm. However, UNCD were spherical in shape with an average grain size of 3-5nm. EDS indicated that both types of particles were similar in composition exhibiting the typical features of diamond. The production of O2-, NO and TNF for both MCD and UNCD at 10µg/ml showed no significant differences when compared to controls. The release of IL-6 and IL 10 did not differ significantly between cells exposed to either of the concentrations employed. For MCD and UNCD[10µg/ml]a slight reduction in cell number was observed being only significative for the highest concentration[100µg/ml]. Conclusion:Crystalline diamond particles at low concentration did not cause alterations for none of the grain sizes tested. These results seem promising as regards the use of crystalline diamond as coating for potential use in implantable biomedical devices.

Introducción:Actualmente se intentan desarrollar tratamientos de superficie para optimizar la biocompatibilidad de los implantes mejorando la oseointegración y reduciendo la posibilidad de corrosión. El diamante ultrananocristalino(UNCD) ha sido propuesto como material para recubrimiento de implantes biomédicos, presentando una combinación sinérgica de propiedades mecánicas, tribológicas y químicas. Dado que los macrófagos son células del sistema inmune que interaccionan con los biomateriales resulta de interés estudiar la respuesta biológica a la exposición a UNCD. Objetivo: Evaluar in vitro la posible citotoxicidad de partículas de diamante cristalino de diferentes tamaños y concentraciones en macrófagos. Métodos:Macrófagos de ratas Wistar se cultivaron durante 24hs y expusieron a diferentes concentraciones[10 y 100µg/mL] de micro(MCD) y nanopartículas(UNCD) de diamante cristalino. Las partículas se analizaron por microscopia electrónica de barrido(MEB) y espestroscopía por dispersión de energía(EDS). La respuesta celular se estudió mediante la evaluación de la generación del anión superóxido(O2-), óxido nítrico(NO), la liberación de citoquinas(TNF, IL-6 y IL-10) y el porcentaje de células remanentes. Resultados:El análisis por MEB mostró partículas de MCD con forma irregular(tamaño promedio 190±70nm) y para UNDC partículas regulares(tamaño promedio 3-5nm). El EDS reveló una composición semejante para ambos tipos de partículas característico del diamante. La producción de O2-, NO y de TNFpara MCD y UNCD[10µg/ml] no mostraron diferencias respecto del control observándose aumento significativo sólo a la mayor concentración[100µg/ml]. La liberación de la citoquinas IL-6 y IL-10 no mostraron diferencias significativas para ninguno de las concentraciones empleadas. Para MCD y UNCD[10µg/ml] se observó una leve reducción en el número de células siendo significativa para la mayor concentración[100µg/ml]. Conclusión:Las partículas de diamante cristalino, a la menor concentración empleada, no modificaron los parámetros biológicos estudiados en ninguna de las granulometrías empleadas. Los resultados sugieren que al diamante cristalino como potencial material a ser empleado como recubrimiento de superficie de implantes de uso biomédico