Afstemming van oppervlaktechemie van polyetheretherketon door gouden coating en plasmabehandeling

Resultaten en discussie

Alle metingen werden uitgevoerd met behulp van "verouderde" monsters 14 dagen na de plasmabehandeling en het sputteren van goud. Het is algemeen bekend dat functionele groepen gevormd op een met plasma behandeld polymeeroppervlak niet stabiel zijn en met de tijd veranderen [32]. Het materiaaloppervlak heeft de neiging om te herstellen naar zijn onbehandelde staat [33]. Daarom komt het voor om de heroriëntatie van de chemische groepen die door de plasmabehandeling worden geproduceerd, te veranderen in het grootste deel van het materiaal [34, 35].

De PEEK-ablatie tijdens de plasmabehandeling gevolgd door Au-sputteren werd bestudeerd met gravimetrie. Het massaverlies van een polymeer veroorzaakt door ablatie en massagroei door sputteren werden achtereenvolgens omgezet in polymeerdikte. De massaverliezen die zijn bepaald na plasmabehandeling (60 en 240 s, het vermogen van 8,3 W) worden weergegeven in tabel 1. Uitgesproken ablatieverlies was duidelijk bij toenemende blootstellingstijd, maar het was net verdubbeld. Het milde verlies werd waarschijnlijk veroorzaakt door het aromatische karakter van PEEK, wat resulteerde in een verhoogde weerstand tegen splitsing dan in het geval van bijvoorbeeld alifatische ketens van polyolefinen (UHMWPE). Voor het sputteren van goud werden de tijdsperioden van 30 en 300 s bepaald als representatieve voorbeelden van discontinue en continue lagen [19, 36]. Verminderde ablatieverliezen hebben geresulteerd in een verbeterde verankering van goud op het PEEK-oppervlak, zoals duidelijk is voor monsters met een goudcoating van 150 en 300 s.

Watercontacthoekwaarden van monsters gemeten in afhankelijkheid van plasmabehandeling en goudsputtertijd worden weergegeven in tabel 2. Na plasmabehandeling nam de WCA toe van 79,5 ±-2,4° (ongemodificeerde ongerepte PEEK) tot 94,0 ± 5,5° en tot 95,6 ± 2,1° (PEEK behandeld met plasma gedurende respectievelijk 60 en 240 s). Het verschil in WCA-waarden na de plasmabehandeling is verwaarloosbaar in vergelijking met de afwijkingen van de waarde. De WCA neemt af met Au-coating en het oppervlak wordt meer hydrofiel in vergelijking met dat in de met plasma behandelde monsters.

De elementconcentratie op het polymeeroppervlak (de toegankelijke diepte van zes tot acht atoomlagen) werd onderzocht met de XPS-methode; de resultaten zijn samengevat in tabel 2. De XPS-gegevens werden verkregen voor ongerepte PEEK, een met plasma behandeld monster en een met plasma behandeld monster gevolgd door Au-coating. Aan de XPS-meting kan men zien dat de zuurstofconcentratie is toegenomen bij langdurige behandeling. Dit werd waarschijnlijk veroorzaakt door heroriëntatie van zuurstofbevattende groepen in het polymeervolume [37,38,39]. Het is bewezen dat de oriëntatie van de groepen direct na de plasmabehandeling plaatsvindt; dus in het "verouderingsproces" van het monster treden veranderingen op in het oppervlak ervan. Om deze reden werden de monsters gedurende 14 dagen na de plasmabehandeling gemeten, wanneer de staat van "veroudering" van een monster is gestabiliseerd [40, 41]. De zuurstofconcentratie nam toe bij langdurige plasmabehandeling. Het polymeeroppervlak wordt verstoord door een sterkere plasmaontlading met vorming van radicaalplaatsen op het oppervlak; hoe hoger het plasmavermogen, hoe meer uitgesproken de polymeermodificatie. Deze plaatsen reageren met zuurstof in de lucht en toenemende zuurstofconcentratie op het behandelde oppervlak [42, 43]. Na het sputteren van goud neemt de zuurstofconcentratie af ten koste van de goudlaag. De concentratie van het goud nam toe met een kortere sputtertijd, wanneer het oppervlak niet zozeer werd verstoord.

Figuur 1 toont PEEK-oppervlaktemorfologie verkregen door middel van AFM. Plasmabehandeling veroorzaakte waarneembare veranderingen op het PEEK-oppervlak voor beide belichtingstijden (60 en 240 s), maar zoals verwacht resulteerde een langere blootstelling aan plasma in een ruwer oppervlak, wat een verschil in metallisatie van de monsters veroorzaakte. Monsters die langer met plasma werden behandeld, vormden beter gedefinieerde metaalclusters. Dit effect was vooral duidelijk op monsters met dikke (gesputterde gedurende 300 s) en ook zeer dunne (gesputterde gedurende 30 s) goudlagen. Monsters die gedurende een korte periode (60 s) met plasma werden behandeld, vormden een kleiner aantal grotere en onregelmatige clusters. Wat betreft lagen die slechts gedurende 30 s werden gesputterd, waren metalen clusters alleen gemakkelijk herkenbaar op het substraat dat 240 s met plasma was behandeld. Zoals verwacht, nemen de clustergrootte en oppervlakteruwheid over het algemeen toe met langere tijd van goudsputteren. Dit gedrag komt goed overeen met XPS-meting. Monsters die gedurende 30 seconden met metaal waren gesputterd, hadden al het grootste deel van hun oppervlak bedekt met metaal en verder sputteren veroorzaakte voornamelijk verticale groei van clusters; daarom had het niet zo'n significante invloed op de goudconcentratie en liet het nog steeds een gedeeltelijk onbedekt polymeeroppervlak achter. Ook kwam een ​​verschil in vorm van de clusters in afhankelijkheid van de duur van de plasmabehandeling goed overeen met XPS-bevindingen. Onregelmatige grote clusters op monsters die slechts gedurende een korte periode (60 s) met plasma werden behandeld, bedekten een relatief groot deel van het PEEK-oppervlak; daarom was de goudconcentratie bepaald door middel van XPS iets verhoogd. Morfologische verschillen tussen ongerepte materialen die zijn gesputterd met een metaallaag van verschillende dikte kunnen worden vergeleken met gegevens verkregen voor poly-l-melkzuur (PLLA) [44] en polytetrafluorethyleen (PTFE) [45]. Ongerept PTFE heeft een zeer ruw oppervlak; daarom hebben we geen vorming van kleine metaalclusters waargenomen, maar een algemene afname van de oppervlakteruwheid. Dit wordt veroorzaakt door een fenomeen dat een gesputterd metaal de voorkeur geeft aan het vullen van "dalen" op het polymeeroppervlak om op "pieken" te blijven. Aan de andere kant vertoont het PLLA-oppervlak verhoogde granulatie en vorming van vergelijkbare structuren als structuren op PEEK, maar met een lagere regelmaat. Deze gegevens suggereren dat de vorming van een regelmatige korrelstructuur op gesputterde polymeren sterk wordt beïnvloed door de regelmaat van het polymeeroppervlak; daarom maakt PEEK (polymeer met de kleinste oppervlakteruwheid onder PEEK, PLLA en PTFE) de vorming van de meeste reguliere metaalclusters op het oppervlak mogelijk.

AFM-beelden van ongerepte PEEK, PEEK behandeld met plasma (pl) gedurende 60 en 240 s, en goud (Au) gesputterd gedurende 30, 150 en 300 s

Elektrokinetische analyse toonde veranderingen in PEEK-oppervlaktechemie en lading na individuele stappen van oppervlaktemodificatie. In de eerste stap leidde plasmabehandeling tot de vorming van nieuwe polaire groepen op het PEEK-oppervlak, wat resulteerde in een toename van de zeta-potentiaal [19, 25,26,27]. In de tweede modificatie had de afzetting van gouden clusters op het monsteroppervlak ook een impact op de oppervlaktechemie en zeta-potentiaal (Fig. 2). Vanwege de aanwezigheid van een metaal op het polymeeroppervlak, speelt het effect van een verandering van de oppervlaktelading een belangrijke rol:ophoping van elektronen [27, 46]. We hebben ook verschillende zeta-potentialen waargenomen voor verse en "verouderde" monsters. Meer dramatische veranderingen werden gedetecteerd voor zeta-potentiaal gemeten in PBS, dat werd gegeven door verschillende concentraties ionen. In KCl-oplossing is de concentratie van KCl 0,001 mol L ⁻¹ ; in PBS is de ionenconcentratie drie orden hoger. Een hogere concentratie van ionen in PBS veroorzaakt het samendrukken van een elektrische dubbellaag en resulteert in een verlaagde zeta-potentiaal (in absolute waarde) [27, 46]. Daarom veroorzaakte de veel hogere concentratie van ionen een verandering in de oppervlaktelading, zelfs van negatieve naar positieve waarden. Dus de veranderingen van PEEK zeta-potentiaal bepaald in PBS-oplossing waren dramatischer en veranderingen in oppervlaktechemie en lading waren meer uitgesproken. Daarom is het duidelijk dat plasmabehandeling en daaropvolgende Au-afzetting leiden tot dramatische veranderingen in de polymeeroppervlaktechemie en lading die afhankelijk zijn van de lengte van de plasmabehandeling en van Au-afzetting. Deze resultaten bevestigden andere uitgevoerde analyses.

Zeta-potentiaal van met plasma behandelde PEEK (60 en 240 s) en Au-sputterde (30, 150 en 300 s; huidige 40 mA) PEEK-monsters in 1 mM KCl-oplossing (groene kolommen —verse monsters; bruine kolommen —verouderde monsters) en in PBS-oplossing (grijze kolommen )

Om de concentratie goud te bepalen die tijdens celkweek in een kweekmedium vrijkomt, gebruikten we een eenvoudig waterig systeem van PBS om deze omstandigheden te simuleren. Goud vrijgegeven in PBS na 6 (tijd van celadhesie) en 72 uur (celproliferatie) van statische incubatie werd gemeten door ICP-MS, en de resultaten zijn samengevat in Tabel 3. PBS heeft dezelfde pH en osmolariteit als het celkweekmedium; dus werd het gebruikt voor de ICP-MS-meting. Enerzijds is PBS een vereenvoudigd systeem; aan de andere kant zijn er geen componenten die mogelijk interfereren met de ICP-MS-meting, zoals in het geval van een volledig celkweekmedium. We ontdekten dat de concentratie van Au die vrijkwam in PBS hoger was voor PEEK-monsters die gedurende 30 s met Au waren gecoat dan die voor 300 s. Dit kan worden veroorzaakt door een discontinu karakter van de goudlaag die mogelijk kleine clusters van goud vormt die sneller oplossen [47]. Het goud kwam in hogere mate vrij uit het monster PEEK/60/300 dan uit PEEK/240/300, omdat het oppervlak minder geablateerd was en het goud blijkbaar minder verankerd was.

In de volgende stap werd onderzocht of de oppervlaktemodificatie van polymeren endotheelceladhesie kan bevorderen. Het PEEK-oppervlak werd geactiveerd door plasmabehandeling en sputteren met goud. De PEEK-cytocompatibiliteit werd bepaald op basis van de resultaten van celadhesie (6 uur) en proliferatie (24 en 72 uur), zoals weergegeven in figuur 3. Elke twee kolommen (PEEK/plasma (ab) en PEEK/(ab) /Au (cde)) vertegenwoordigen twee helften van één monster. De verschillen in het aantal L929-cellen dat groeit op ongerept PEEK en controleweefselkweekpolystyreen (TCPS) liggen in het bereik van de meetfout. Celadhesie werd 6 uur na het zaaien van de cellen op het monsteroppervlak gevolgd. Het is duidelijk dat het aantal cellen van ongerept PEEK toenam in vergelijking met dat van behandelde monsters. Na 24 uur celgroei zagen we slechts een zeer lichte toename van het aantal cellen, wat zou kunnen worden veroorzaakt door een vertragingsfase, wanneer de cellen zich aanpassen aan een nieuwe omgeving [48]. Het is duidelijk dat er 72 uur na het zaaien een zeer klein aantal cellen groeide op monsters die gedurende 30 s waren afgezet (60 en 240 s met plasma behandeld) in vergelijking met andere gemeten monsters. Deze waarden komen overeen met de resultaten van ICP-MS-metingen, waarbij goud in de hoogste mate vrijkwam in PBS. In dit geval had de Au-laag die op PEEK was afgezet (gedurende 30 s) een onderbroken karakter [36]; dus zouden de Au-clusters kunnen worden vrijgegeven in het celkweekmedium. Door dit proces kan het medium giftig worden voor gekweekte cellen. Het grootste aantal cellen dat op een goudlaag groeide (vergeleken met een met plasma behandeld monster) werd waargenomen op het monster PEEK/pl 60 s/150 s, waarop de goudlaag continu was. Vervolgens, 72 uur na het zaaien, was de meest geschikte omgeving voor L929-celgroei op de monsters die 60 of 240 s met plasma waren behandeld en vervolgens gedurende 300 s met goud waren bedekt. De Au-laag op deze monsters was ook continu [36]. Volgens de gegevens van ICP-MS kwam er slechts een zeer kleine hoeveelheid Au vrij in het celkweekmedium. Dit vrijgekomen goud was echter de waarschijnlijke oorzaak van verhoogde celproliferatie op het met plasma behandelde oppervlak.

Aantal L929-cellen na 6, 24 en 72 uur kweken op TCPS, ongerepte PEEK en PEEK met gouden interfaces van met plasma behandelde (60 en 240 s) en Au-verstoven (30, 150 en 300 s) regio's

Om celmorfologie en intercellulaire verbindingen in meer detail te evalueren, voerden we scanning-elektronenmicroscopie met hoge resolutie uit van L929-cellen die op de geteste substraten groeien; de resultaten worden getoond in Fig. 4. De scans van SEM-analyse werden uitgevoerd na 72 uur celgroei op ongerept PEEK en plasma-behandeld en goudgecoat PEEK, en een glazen dekglaasje, dat als controle diende (het wordt vaak gebruikt voor SEM-analyse [49] evenals voor immunofluorescentiestudies [29]). Uit Fig. 4 is het duidelijk dat cellen groeien op ongerept PEEK, PEEK behandeld met plasma gedurende 60 s (tweede helft is 300 s Au) en 240 s (tweede helft is 150 en 300 s Au), en op een glazen dekglaasje had een vergelijkbare vorm na 72 uur kweken. De cellen waren volledig verspreid op het met plasma behandelde oppervlak en boven deze cellaag is de vorming van een nieuwe laag prolifererende cellen zichtbaar. De cellen hadden een bolvorm op het oppervlak van PEEK/60 (tweede helft is 150 s Au) en PEEK/240/30 s Au-monsters, hoewel de omgeving niet geschikt was voor celproliferatie. De meest afgeronde cellen werden waargenomen op PEEK/240/300 s Au, wat volledig overeenkomt met de gegevens in Fig. 3.

SEM-afbeeldingen van L929-cellen die 72 uur zijn gekweekt op ongerepte PEEK, PEEK behandeld met plasma (60 en 240 s), en hun met goud beklede delen gesputterd gedurende 30 en 300 s (microscopisch dekglaasje aan diende als controle). De schaalbalk komt overeen met 10 μm