Verbetering van Celadhesie op Polyetheretherketon (PEEK) door Goudcoating en Argon Plasma Behandeling

Achtergrond

Leeftijdsgerelateerde gewrichtsdegeneratie leidt tot fracturen, artritis, en bot tumoren, wat de vraag naar betrouwbare orthopedische implants drijft. Traditionele metaallegeringen zoals titanium en kobalt-chroom zijn gewaardeerd voor hun kracht en corrosiebestendigheid, doch hun hoge modulus resulteert vaak in stress shielding en daaropvolgende botresorptie. Polymere alternatieven – UHMWPE, PTFE, PMMA, PLA, PGA, PHB – worden breed gebruikt maar missen doorgaans de mechanische robuustheid vereist voor belastende toepassingen. Polyetheretherketon (PEEK), een semi-kristallijn aromatisch thermoplast, overbrugt dit gat door een modulus dichtbij corticraal bot te bieden, uitstekende chemische en thermische stabiliteit, en bewezen biocompatibiliteit. Echter, de inherentie hydrofobiciteit en bioinertheid beperken eiwitaadsorptie en celadhesie, wat oppervlaktemodificatiestrategieën noodzakelijk maakt.

Oppervlakte-aanpassing kan bereikt worden door plasma-activatie of metaal sputtering. Plasma-behandeling introduceert reactieve soorten die de oppervlaktechemie veranderen zonder bulkeigenschappen te compromitteren, terwijl goud sputtering een biologisch actieve laag levert die celhechting verbetert en als platform dient voor verdere functionalisatie. In het bijzonder zijn goud nanopartikels onder 100 nm bekend om celadhesie en proliferatie te boosten. Het huidige werk onderzoekt de combinatie van argon plasma-activatie en goud sputter-coating om een genanostructureerd PEEK-oppervlak te fabriceren geoptimaliseerd voor fibroblastengroei, met potentiële implicaties voor spinaal en orthopedische implants.

Methoden

Materialen en Oppervlaktemodificaties

PEEK folies (50 µm dik, dichtheid 1,26 g cm⁻³) werden bezorgd door Goodfellow Ltd. Elk 2 cm diameter monster werd eerst blootgesteld aan argon plasma (Balzers SCD 050) gedurende 60 s of 240 s bij 8,3 W. Vervolgens werd de helft van elk monster gecoat met goud met behulp van DC argon plasma sputtering (stroom 40 mA, 15 W) gedurende 30 s, 150 s, of 300 s, wat goudlagen van 30–300 s depositietijd opleverde. Monsters werden opgeslagen bij 24 °C, 40–60% vochtigheid tot testen.

Oppervlaktekarakterisering

Gravimetrie

Gouddikte werd gekwantificeerd door massatoename gemeten met een Mettler Toledo UMX2 microbalans, gebruikmakend van gouds bulkdichtheid. Tien replicaten per conditie gaven <15% meetfout.

Water Contacthoek

Benettingsbaarheid werd gemeten met een Drop Shape Analysis System DSA 100. Twee-µL druppels werden geplaatst op uitgezaagde monsters (14 dagen) en contacthoeken geregistreerd na een 2-s vertraging. Elk monster werd ten minste zeven keer gemeten op drie replicaten, en het gemiddelde ± SD gerapporteerd.

Röntgenfoto-elektronspectroscopie

XPS-spectra werden verkregen met een Omicron ESCAProbeP spectrometer. Een 2 × 3 mm² gebied werd geanalyseerd onder ultra-licht vacuüm, gefocust op C 1s, O 1s, en Au 4f pieken. Drie onafhankelijke metingen per monster leverden <10% fout op.

Zeta Potentiaal

Electrokinetisch potentieel werd gemeten in 1 mM KCl en fosfaat-gebufferde saline (PBS, pH 7,4) met een Anton Paar SurPASS. Twee-film paren (20 × 10 mm²) werden geplaatst in een 100 µm gat cel. Stroomstroom werd drie keer per monster geregistreerd, en de Helmholtz-Smoluchowski vergelijking toegepast. Alle metingen werden uitgevoerd op 14-dagen uitgezaagde monsters.

Atoommachtmicroscopie

AFM-beeldvorming (Bruker VEECO CP II) in tapping mode met RTESPA-CP probes onthulde oppervlaktemorfologie over 1 × 1 µm² gebieden. Meerdere scans bevestigden reproduceerbaarheid. Monsters waren 14-dagen uitgezaagd.

Inductief Gekoppelde Plasma Massa Spectrometrie

Goudluchting in PBS (pH 7,4) werd gekwantificeerd door ICP-MS (Agilent 8800). Monsters werden geïncubeerd bij 37 °C gedurende 6, 24, en 72 u in gevochtigde 5% CO₂. Luchtes werden 1:8 verwijd en geanalyseerd met <3% onzekerheid.

Celkweek en Cytocompatibiliteitstesten

Muis embryonale fibroblasten (L929) werden gekweekt in DMEM met 10% FBS en 2 mM L-glutamine bij 37 °C, 5% CO₂. Gesteriliseerde PEEK schijven werden gemonteerd in 12-put platen; 30.000 cellen per put werden gezaaid. Celadhesie werd beoordeeld op 6 u, terwijl proliferatie gemonitord werd op 24 u en 72 u. Experimenten werden in triplicate uitgevoerd.

Fluorescentiemicroscopie

Na incubatie werden cellen gefixeerd met 4% formaldehyde, gekleurd voor F-actine (phalloidine-Atto 565) en kernen (DAPI), en geïmageerd. Beelden werden vastgelegd op 14-dagen uitgezaagde monsters.

Scanning-Elektronenmicroscopie

SEM (Tescan LYRA3 GMU) in secundaire elektronen mode visualiseerde celmorfologie op onbewerkte PEEK, plasma-behandelde/goud-gecoate PEEK, en glas dekkers (controle). Cellen werden gefixeerd met Karnovsky oplossing, gedeshydrateerd door gegraadeerd ethanol, gecoat met 10 nm goud, en geïmageerd bij 10 µm schaalbalken.

Resultaten en Discussie

Alle analyses werden uitgevoerd op 14-dagen uitgezaagde monsters om de gestabiliseerde oppervlaktestaat post-plasma en gouddepositie vast te leggen. Plasma-behandeling induceerde een matige toename in oppervlakteruwigheid en genereerde polaire functionele groepen, zoals bewijst door AFM- en XPS-data. Opvallend stegen contacthoeken licht na plasma-blootstelling (van 79,5° tot ~95°) maar daalden aanzienlijk na goudcoating, wat verhoogde hydrofiliciteit aangeeft.

Gravimetrische metingen onthulden een 2-voudige toename in PEEK-ablatie toen plasma-blootstelling werd verlengd van 60 s naar 240 s, wat de hogere energie-input weerspiegelt. Integen, resulteerde goud sputtering bij 150 s en 300 s in continue lagen die de adhesie van goud aan het polymer verbeterden.

XPS-analyse toonde een duidelijke trend: plasma-behandeling verlaagde het oppervlakte-koolstofgehalte terwijl het zuurstofgehalte verhoogde, wat de introductie van polaire groepen bevestigt. daaropvolgende gouddepositie verlaagde zuurstofsignalen en verhoogde goudsignalen, met de sterkste goudhandtekeningen waargenomen voor de 300-s gesputterde monsters.

AFM-beelden toonden aan dat langere plasma-blootstelling een ruwer oppervlak produceerde, wat op zijn beurt de vorming van grotere, meer uniforme goudclusters tijdens sputtering vergemakkelijkde. De 30-s goudlagen vormden discontinue eilanden, terwijl 150-s en 300-s coatings continue films met verhoogde ruwheid opleverde.

Zeta-potentiaalmetingen onthulden dat plasma-activatie het oppervlaktelading verhoogde (meer negatief) in zowel KCl als PBS, terwijl goudcoating het potentieel verschuifde naar minder negatieve of licht positieve waarden. Het effect was uitgesprokener in PBS door de hogere ionische sterkte, wat aangeeft dat de geëngineerde oppervlaktechemie responsief is op fysiologische condities.

ICP-MS data gaven aan dat dunne goudlagen (30 s) hogere goudconcentraties in PBS vrijgaven, waarschijnlijk door hun discontinue aard. In tegenstelling, vrijgaven continue 300-s coatings verwaarloosbaar goud, wat potentiële cytotoxiciteit reduceert.

Cellulaire assays bevestigden de superieure prestaties van plasma-behandelde en goud-gecoate PEEK. Op 6 u was celadhesie op onbewerkte PEEK vergelijkbaar met weefselcultuurplastic, maar adhesie op plasma-behandelde oppervlakken nam toe. Na 72 u werden de beste resultaten waargenomen voor 60-s plasma + 300-s goud en 240-s plasma + 300-s goud, waar continue goudfilms een gunstig substraat boden voor fibroblastenproliferatie. Dunne goudlagen (30 s) leverden de laagste celtellingen op, correlerend met hogere goudluchting.

SEM-beelden bevestigden deze bevindingen, met goed-verspreide, uitgezette fibroblasten op de geoptimaliseerde oppervlakken, terwijl cellen op dunne goudlagen geronde morfologieën vertoonden die wijzen op slechte adhesie.

Conclusies

Argon plasma-activatie gevolgd door goud sputter-coating past PEEK-oppervlakken effectief aan voor biomedisch gebruik. Plasma-blootstelling van 240 s verdubbelt de oppervlakte-ablatie en introduceert polaire groepen, terwijl goudlagen van 150–300 s continue genanostructureerde films depositeren die de benettingsbaarheid, oppervlaktelading, en fibroblastenadhesie aanzienlijk verbeteren. Dunne goudlagen zijn ongeschikt door hogere metaalvrijgave en verminderde celproliferatie. Over het algemeen levert de gecombineerde plasma-goud benadering een PEEK-materiaal met verbeterde cytocompatibiliteit, geschikt voor orthopedische en spinaal implantat toepassingen.

Afkortingen

AFM:

Atoommachtmicroscopie

CO₂:

Koolstofdioxide

DAPI:

4′,6-Diamidino-2-fenylindol dihydrochloride

DMEM:

Dulbecco's modified Eagle's medium

FBS:

Fetaal kalverse serum

ICP-MS:

Inductief gekoppelde plasma massa spectrometrie

KCl:

Kaliumchloride

L929:

Muis embryonale fibroblasten

PBS:

Fosfaat-gebufferde saline

PEEK:

Polyetheretherketon

PGA:

Polyglycolide

PHB:

Polyhydroxybutyraat

PLA:

Poly(l-lactide)

PMMA:

Polymethylmethacrylaat

PTFE:

Polytetrafluoroethyleen

SEM:

Scanning-elektronenmicroscopie

TCPS:

Weefselcultuurpolystyreen

UHMWPE:

Ultra-hoog-moleculair-gewicht polyethyleen

WCA:

Water contacthoek

XPS:

Röntgenfoto-elektronspectroscopie