Desgaste in vitro de insertos acetabulares de UHMWPE: caracterização morfológica e química de partículas submicrométricas e ensaios biológicos de resposta inflamatória

Abstract

Um dos principais efeitos adversos que levam à revisão de próteses totais de quadril é a soltura asséptica, frequentemente precedida por osteólise induzida pela liberação de partículas de desgaste do componente polimérico do implante. Este trabalho investigou, in vitro, a atividade biológica de partículas de desgaste submicrométricas (<1 µm) provenientes de insertos acetabulares de polietileno de ultra-alto peso molecular (UHMWPE) convencional e com diferentes graus de reticulação, com o objetivo de avaliar possíveis diferenças na resposta biológica entre fabricantes e explorar uma eventual correlação entre resposta celular e morfologia dos debris. As partículas foram obtidas por ensaio de desgaste em simulador de marcha humana para articulação de quadril, em 0,5; 2 e 4 milhões de ciclos. Antes dos ensaios, os insertos de quatro fabricantes foram caracterizados quanto às propriedades físico-químicas, com ênfase no estado de oxidação no material virgem. A coleta das partículas seguiu as normas ABNT NBR ISO 14242-1 e 14242-2. A caracterização, isolamento e classificação morfológica basearam-se nas normas ASTM F1877 e ABNT NBR ISO 17853, com separação por tamanho utilizando membranas filtrantes de policarbonato (1,0 µm e 0,1 µm). A atividade biológica foi avaliada utilizando células humanas THP-1, por meio da quantificação de mediadores pró-inflamatórios (IL-8, IL-10, IL-12, IL-1ß, IL-6 e TNF-a), associados à ativação de respostas inflamatórias imunes. Os resultados físico-químicos indicaram que os materiais dos fabricantes MI e ZI apresentaram maiores índices de oxidação inicial relacionado a exposição à radiação gama, os quais se associaram a maior frequência de partículas na faixa de 0,3 - 0,6 µm nos ciclos de 0,5 e 2 milhões, sugerindo influência do método de esterilização por radiação gama no comportamento oxidativo e na geração de debris. Não foram observadas diferenças estatisticamente significativas na perda de massa entre os fabricantes, tampouco diferenças consistentes nas morfologias das partículas ao longo dos ciclos de desgaste. Entretanto, análises descritivas indicaram tendências: maior perda de massa e maiores tamanhos médios de partículas para os fabricantes MI e BI, enquanto o fabricante ZI apresentou tendência a menor perda de massa e menores tamanhos médios. Do ponto de vista biológico, o fabricante ZI apresentou, em todos os ciclos de ensaio, maiores níveis de IL-8 após 48 horas de exposição. Embora a análise estatística não tenha demonstrado diferenças significativas na morfologia das partículas entre fabricantes, observou-se predominância descritiva de partículas fibrilares para BI, floculares para MI e arredondadas para ZI, sendo este último associado aos menores diâmetros equivalentes circulares (ECD) em todos os ciclos. Em conjunto, os resultados sugerem que diferenças nas características físico-químicas iniciais dos materiais podem influenciar o perfil de geração de partículas de desgaste e modular a resposta inflamatória in vitro, mesmo na ausência de diferenças estatisticamente significativas em parâmetros globais de desgaste.

Abstract: One of the main adverse effects that lead to the revision of total hip prostheses is aseptic loosening, often preceded by osteolysis induced by the release of wear particles from the polymeric component of the implant. This work investigated, in vitro, the biological activity of submicrometric wear particles (<1 µm) originating from acetabular inserts of conventional ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) and with different degrees of crosslinking, with the objective of evaluating possible differences in the biological response between manufacturers and exploring a possible correlation between cellular response and debris morphology. The particles were obtained by wear testing in a human gait simulator for hip joint articulation, at 0.5; 2 and 4 million cycles. Before the tests, the inserts from four manufacturers were characterized regarding their physicochemical properties, with emphasis on the oxidation state in the virgin material. The collection of particles followed the standards ABNT NBR ISO 14242-1 and 14242-2. The characterization, isolation and morphological classification were based on the standards ASTM F1877 and ABNT NBR ISO 17853, with size separation using polycarbonate filter membranes (1.0 µm and 0.1 µm). The biological activity was evaluated using human THP-1 cells, through the quantification of pro-inflammatory mediators (IL-8, IL-10, IL-12, IL-1ß, IL-6 and TNF-a), associated with the activation of immune inflammatory responses. The physicochemical results indicated that the materials from manufacturers MI and ZI presented higher initial oxidation indices related to exposure to gamma radiation, which were associated with a higher frequency of particles in the 0.3 - 0.6 µm range in the cycles of 0.5 and 2 million, suggesting influence of the gamma radiation sterilization method on oxidative behavior and on the generation of debris. No statistically significant differences were observed in mass loss between manufacturers, nor consistent differences in particle morphologies throughout the wear cycles. However, descriptive analyses indicated trends: greater mass loss and larger mean particle sizes for manufacturers MI and BI, while manufacturer ZI showed a tendency toward lower mass loss and smaller mean sizes. From a biological point of view, manufacturer ZI presented, in all test cycles, higher levels of IL-8 after 48 hours of exposure. Although the statistical analysis did not demonstrate significant differences in particle morphology between manufacturers, a descriptive predominance of fibrillar particles was observed for BI, floccular for MI and rounded for ZI, the latter being associated with the smallest equivalent circular diameters (ECD) in all cycles. Taken together, the results suggest that differences in the initial physicochemical characteristics of the materials may influence the profile of wear particle generation and modulate the inflammatory response in vitro, even in the absence of statistically significant differences in global wear parameters.