The generation of nanocolloidal wear from stainless steel and titanium alloy and its toxic effects in a monocyte cell culture model

Abstract

This study addresses the aspect of submicron-sized / nanocolloidal wear comparing stainless steel (316L) and titanium alloy (TiAl6V4) for their toxic and inflammatory potentials. Wear was generated in a tribometer using the disc-on-pin-method with pin and disc submerged in a sterile cell culture medium setting. The wear medium was separated according to Stokes' law into a fraction smaller 200 nm (nanocolloids) and a fraction greater 200 nm (particles). Vitality and inflammatory potential was measured in a cell culture model employing murine macrophages (J774). Cells were incubated with increasing concentrations (12.5, 25 and 50vol%) of either wear medium (particles and nanocolloids) from 316L and TiAl6V4. Vitality was measured by MTT assay and inflammatory reactions were quantified by TNF-a ELISA.Nanocolloids from stainless steel and titanium induced strong, dose dependant toxic effects in the MTT assay while particles did not affect vitality in a dose dependant manner. The inflammatory response remained unaltered in all four groups. We conclude that interactions between soluble metallic wear and proteins forming nanocolloidal wear should be considered when conduction experiments addressing the aspect of biocompatibility in metallic implant materials.Keywords: Nanoparticle, Stainless steel, Titanium alloy, In vitro test, Cytokine, Cytotoxicity Diese Arbeit vergleicht die Wirkung von Verschleißpartikeln und Nanokolloiden von 316L Stahl und der Titanlegierung TiAl6V4. Verschleiß wurde mittels eines Tribometers mit dem Scheibeauf-Stift-Versuch erzeugt, wobei Stift und Scheibe während des Verschleißvorganges von sterilem Zellkulturmedium umgeben waren. Partikel und Nanokolloide wurden mittels Zentrifugation nach dem Stokesschen Gesetz in die beiden Fraktionen Partikel (Durchmesser >200 nm) und Nanokolloide (Durchmesser <200 nm) getrennt. J774-Zellen wurden mit verschiedenen Konzentrationen (12,5, 25 und 50vol%) der beschriebenen Verschleißmedien inkubiert. Die Vitalität der Zellen und die inflammatorische Wirkung wurden mittels MTT-Test und TNF-a ELISA bestimmt.Nanokolloide, sowohl von Stahl als auch von Titan führten zu einem starken dosisabhängigen Rückgang der Vitalität. Die inflammatorische Reaktion war in allen Gruppen (Partikel und Nanokolloide von jeweils 316L und TiAl6V4) konstant.Es lässt sich schlussfolgern, dass nanokolloidaler Verschleiß bei der Durchführung von Biokompatibilitätsuntersuchungen berück-sichtigt werden müssen, da dieser toxische Effekte in der Zellkultur hervorrufen kann.