Regulation of RAW 264.7 macrophages behavior on anodic TiO₂ nanotubular arrays

Abstract

Titanium (Ti) implants with TiO₂ nanotubular arrays on the surface could regulate cells adhesion, proliferation and differentiation to determine the bone integration. Additionally, the regulation of immune cells could improve osteogenesis or lead in appropriate immune reaction. Thus, we evaluate the behavior of RAW 264.7 macrophages on TiO₂ nanotubular arrays with a wide range diameter (from 20 to 120 nm) fabricated by an electrochemical anodization process. In this work, the proliferation, cell viability and cytokine/chemokine secretion were evaluated by CCK-8, live/dead staining and ELISA, respectively. SEM and confocal microscopy were used to observe the adhesion morphology. Results showed that the small size nanotube surface was benefit for the macrophages adhesion and proliferation, while larger size surface could reduce the inflammatory response. These findings contribute to the design of immune-regulating Ti implants surface that supports successful implantation.

Keywords

RAW 264.7 macrophages / nanotopography / TiO₂ nanotubular arrays / inflammation

References

[1] Wang L N, Jin M, Zheng Y, . Nanotubular surface modification of metallic implants via electrochemical anodization technique. International Journal of Nanomedicine, 2014, 9(1): 4421–4435

[2] Minagar S, Berndt C C, Wang J, . A review of the application of anodization for the fabrication of nanotubes on metal implant surfaces. Acta Biomaterialia, 2012, 8(8): 2875–2888

[3] Wang G, Moya S, Lu Z, . Enhancing orthopedic implant bioactivity: refining the nanotopography. Nanomedicine, 2015, 10(8): 1327–1341 

[4] Yao C, Webster T J. Anodization: a promising nano-modification technique of titanium implants for orthopedic applications. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2006, 6(9–10): 2682– 2692 

[5] Kulkarni M, Mazare A, Gongadze E, . Titanium nano-structures for biomedical applications. Nanotechnology, 2015, 26(6): 062002

[6] Nair M, Elizabeth E. Applications of titania nanotubes in bone biology. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2015, 15(2): 939–955 

[7] Oh S, Brammer K S, Li Y S J, . Stem cell fate dictated solely by altered nanotube dimension. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009, 106(7): 2130–2135

[8] Park J, Bauer S, Schlegel K A, . TiO₂ nanotube surfaces: 15 nm — an optimal length scale of surface topography for cell adhesion and differentiation. Small, 2009, 5(6): 666–671 

[9] Thomas M V, Puleo D A. Infection, inflammation, and bone regeneration: a paradoxical relationship. Journal of Dental Research, 2011, 90(9): 1052–1061 

[10] Abdelmagid S M, Barbe M F, Safadi F F. Role of inflammation in the aging bones. Life Sciences, 2015, 123: 25–34 

[11] Chen Z, Klein T, Murray R Z, . Osteoimmunomodulation for the development of advanced bone biomaterials. Materials Today, 2016, 19(6): 304–321 

[12] Miron R J, Bosshardt D D. OsteoMacs: Key players around bone biomaterials. Biomaterials, 2016, 82: 1–19 160;

[13] Franz S, Rammelt S, Scharnweber D, . Immune responses to implants — a review of the implications for the design of immunomodulatory biomaterials. Biomaterials, 2011, 32(28): 6692–6709 

[14] Smith B S, Capellato P, Kelley S, . Reduced in vitro immune response on titania nanotube arrays compared to titanium surface. Biomaterials Science, 2013, 1(3): 322–332 

[15] Rajyalakshmi A, Ercan B, Balasubramanian K, . Reduced adhesion of macrophages on anodized titanium with select nanotube surface features. International Journal of Nanomedicine, 2011, 6(6): 1765–1771 

[16] Lü W L, Wang N, Gao P, . Effects of anodic titanium dioxide nanotubes of different diameters on macrophage secretion and expression of cytokines and chemokines. Cell Proliferation, 2015, 48(1): 95–104 

[17] Neacsu P, Mazare A, Cimpean A, . Reduced inflammatory activity of RAW 264.7 macrophages on titania nanotube modified Ti surface. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology, 2014, 55: 187–195

[18] Neacsu P, Mazare A, Schmuki P, . Attenuation of the macrophage inflammatory activity by TiO₂ nanotubes via inhibition of MAPK and NF-κB pathways. International Journal of Nanomedicine, 2015, 10: 6455–6467 

[19] Jin S, Chamberlain L M, Brammer K S, . Macrophage inflammatory response to TiO₂ nanotube surfaces. Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology, 2011, 2(3): 293–300

[20] Ma Q L, Zhao L Z, Liu R R, . Improved implant osseointegration of a nanostructured titanium surface via mediation of macrophage polarization. Biomaterials, 2014, 35(37): 9853–9867

[21] Lee S, Choi J, Shin S, . Analysis on migration and activation of live macrophages on transparent flat and nanostructured titanium. Acta Biomaterialia, 2011, 7(5): 2337–2344

[22] Liu X, Liu R, Cao B, . Subcellular cell geometry on micropillars regulates stem cell differentiation. Biomaterials, 2016, 111: 27–39 

[23] Lv L, Liu Y, Zhang P, . The nanoscale geometry of TiO₂ nanotubes influences the osteogenic differentiation of human adipose-derived stem cells by modulating H3K4 trimethylation. Biomaterials, 2015, 39: 193–205 160;

[24] Biggs M J, Richards R G, Dalby M J. Nanotopographical modification: a regulator of cellular function through focal adhesions. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, 2010, 6(5): 619–633 

[25] McNamara L E, McMurray R J, Biggs M J P, . Nanotopographical control of stem cell differentiation. Journal of Tissue Engineering, 2010, 1: 120623 160;

Acknowledgements

This work was in part supported by the China Postdoctoral Science Foundation (2016M591075) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2302016FRF-TP-16-001A1).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany