Настройка химического состава поверхности полиэфирэфиркетона с помощью золотого покрытия и плазменной обработки

Фон

Одной из проблем старения человека является износ суставов, связанный с резким увеличением количества различных заболеваний скелетной и суставной системы, включая переломы, дегенерацию позвонков, артрит и опухоли костей. Ортопедические операции с использованием искусственных имплантатов в настоящее время являются основным методом структурного и функционального восстановления поврежденных костей и суставов. Материалы, обычно используемые для ортопедических имплантатов, - это, в частности, металлы, керамика, полимеры и композиты. Металлические имплантаты (например, золотые) широко используются в клинической практике либо как постоянные заменители (например, протезы бедра, искусственные зубы), либо как временные протезы (например, диски, шарниры, винты и стержни, используемые для фиксации переломов). Предпочтение отдается металлам из-за их механической прочности, износостойкости и нетоксичности [1,2,3]. С другой стороны, их высокая механическая прочность и низкая эластичность несовместимы со скелетной тканью человека. Это может оказать негативное влияние на костный имплантат, что может привести к абсорбции прилегающей костной ткани и высвобождению имплантата. Такие полимеры, как полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (UHMWPE), политетрафторэтилен (PTFE), полиметилметакрилат (PMMA), полилактид (PLA), полигликолид (PGA) и полигидроксибутират (PHB), широко используются в различных биомедицинских приложениях. Но только ограниченное количество полимеров использовалось в качестве заменителей костей или суставов, поскольку они, как правило, слишком гибкие и слабые, чтобы соответствовать требованиям, предъявляемым к механическим ортопедическим имплантатам [4, 5].

Полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) представляет собой полукристаллический линейный полициклический ароматический термопластический полимер, впервые синтезированный в 1978 г. [6]. ПЭЭК широко используется в качестве материала для изготовления межпозвонковых спейсеров и костных винтов [7, 8]. Благодаря особой химической структуре PEEK обладает высокой устойчивостью к химическим и физическим изменениям [6, 9, 10]; кроме того, он устойчив к износу и устойчив к высоким температурам [6]. Кроме того, биосовместимость PEEK была доказана как in vitro, так и in vivo, и она не вызывает никаких токсических или мутагенных эффектов [11,12,13]. Его большим преимуществом является эластичность, аналогичная эластичности человеческой кости, что позволяет сбалансировать распределение веса между имплантатом и костью; Таким образом, после имплантации отсутствует эффект защиты от напряжений. Однако PEEK проявляет гидрофобные и биоинертные свойства, которые не благоприятствуют адсорбции белков и адгезии клеток [14, 15]. Таким образом, чтобы улучшить эти свойства, поверхность PEEK должна быть изменена.

Поверхностные характеристики материалов можно регулировать различными методами [16]. Одним из этих методов является модификация поверхности биополимера плазмой, в которой используется ионизированный газ, полученный в закрытой реакторной системе, содержащей газ под низким давлением и устройство для электромагнитного возбуждения газа. По сравнению с мокрыми методами плазменная модификация поверхности биополимера имеет преимущество в химической гибкости. Электромагнитно генерируемые реактивные частицы взаимодействуют с поверхностью биополимера в реакторе, вызывая изменение его физических и химических свойств. Механические, электрические и оптические свойства массы материала, относящиеся к его применению, остаются неизменными [17], что является преимуществом при проектировании, разработке и производстве биосовместимых полимеров. Другой метод, используемый для улучшения свойств поверхности полимера, - это катодное напыление. Интеграция наночастиц золота в тонкую пленку важна для различных приложений, например, для тканевой инженерии и биологического зондирования [18]. Размер наночастиц влияет на поведение и поверхностные свойства поверхности материала (например, плотность, параметр решетки, электрические и оптические свойства) [19]. Особенно наночастицы размером менее 100 нм часто усиливают адгезию и пролиферацию клеток [20].

Целью этой работы было формирование наноструктур на PEEK путем плазменной обработки и осаждения золота для улучшения адгезии и пролиферации клеток, особенно эмбриональных фибробластов мыши (L929). Характеристики поверхности (полярность, химический состав поверхности и структура) до и после обработки оценивались различными методами (гравиметрия, гониометрия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и электрокинетический анализ). Кроме того, для изучения морфологии и шероховатости поверхности PEEK применялась атомно-силовая микроскопия. Результаты обсуждаются в контексте потенциальных биомедицинских применений, в основном для возможного использования при изготовлении спинномозговых имплантатов и других заменителей в ортопедии и травматологии.

Методы

Материалы и модификации

Фольга ПЭЭК (толщина 50 мкм, плотность 1,26 г / см ⁻³ , поставляемый Goodfellow Ltd., Великобритания). Все образцы PEEK (круглые, ø =2 см) обрабатывались плазмой с последующим золотым покрытием половины каждого образца. Образцы ПЭЭК обрабатывались в прямом (свечение, диод) Ar ⁺ плазму с использованием прибора Balzers SCD 050 (BalTec AG, Pfäffikon, CH) в условиях, описанных в [18, 21]. Время обработки составляло 60 и 240 с, а мощность разряда составляла 8,3 Вт. Золотое покрытие PEEK было выполнено с помощью устройства Balzers SCD 050 с золотой мишени (чистота 99,95%, поставлена ​​Safina Ltd., Чехия). Условия нанесения:DC Ar ⁺ плазма; чистота газа 99,995%; время распыления 30, 150 и 300 с, ток 40 мА (мощность разряда 15 Вт); и всего Ar ⁺ давление. Расстояние между электродами, плотность мощности и средняя скорость осаждения регулировались аналогично тому, как описано в [18, 22]. Приготовленные образцы хранили в лабораторных условиях (24 ° C, влажность 40–60%) [23].

Методы измерения

Гравиметрия

Среднюю толщину пленок золота измеряли гравиметрическим методом на микровесах Mettler Toledo UMX2. Толщина рассчитывалась по весу образцов до и после распыления с использованием насыпной плотности золота. Для измерения использовали по десять образцов каждого типа модификации. Погрешность гравиметрических измерений не превышала 15%.

Угол контакта

Смачиваемость образцов определяли путем измерения углов контакта их поверхности с водой (WCA). Кроме того, характеристики структурных и композиционных изменений, вызванных плазменной обработкой и осаждением золота, определяли с помощью системы анализа формы капли DSA 100 (KRÜSS GmbH, Германия) при комнатной температуре (24 ° C, влажность 40–60%) [23]. На исследуемые образцы наносили капли воды объемом 2,0 ± 0,2 мкл с помощью иглы из нержавеющей стали. Изображения капель были получены с задержкой в ​​2 с. Затем краевые углы были оценены с помощью системы ADVANCE. Было выполнено по крайней мере семь измерений различных положений по крайней мере в трех повторах каждого образца и усреднено, чтобы получить окончательный WCA и его стандартное отклонение. Измерение WCA проводилось на образцах, «выдержанных» в течение 14 дней.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

Химический состав приготовленных образцов определяли по рентгеновским фотоэлектронным спектрам (XPS), измеренным (три измерения) на спектрометре Omicron Nanotechnology ESCAProbeP (поставляется Omicron Nanotechnology GmbH, DE) с относительной погрешностью 10%. Размер экспонируемой и анализируемой области составлял 2 × 3 мм ² . Условия измерений описаны в [18, 21]. Характерный углерод (1 s ), кислород (1 с ) и золото (4 f ) пики были найдены. Измерения проводились в сверхлегком вакууме. Оценка полученных спектров проводилась с помощью кода CasaXPS [24]. Образцы, использованные для измерения, были «выдержаны» в течение 14 дней. Перед измерением образцы хранили в стандартных лабораторных условиях.

Дзета-потенциал

Электрокинетический анализ (электрокинетический потенциал, дзета-потенциал) всех образцов определяли с помощью SurPASS Instrument (Anton Paar). Образцы исследовались внутри ячейки с регулируемым зазором в контакте с электролитом (0,001 моль л ⁻¹ KCl), а также в буферном растворе (фосфатно-солевой буферный раствор (PBS)). Для каждого измерения пара полимерных пленок с одинаковым верхним слоем закреплялась на двух держателях образцов (с поперечным сечением 20 × 10 мм ² и зазор между ними 100 мкм). Все образцы были приготовлены в двух повторностях; все они были измерены трижды при постоянном pH 6,8 с погрешностью эксперимента 5%. Для определения дзета-потенциала использовался метод проточного тока, а для расчета дзета-потенциала применялось уравнение Гельмгольца – Смолуховского [25,26,27]. Выдержанные образцы, использованные для измерения дзета-потенциала, «выдерживались» в течение 14 дней.

Атомно-силовая микроскопия

Морфологию поверхности образцов исследовали с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) с использованием системы VEECO CP II (Bruker Corporation, Биллерика, Массачусетс, США). Поверхность измерялась в режиме «постукивания» с помощью кремниевого зонда RTESPA-CP, легированного фосфором, с жесткостью пружины 20–80 Н · м ⁻¹ . (Bruker Corporation, Биллерика, Массачусетс, США). Путем повторных измерений одного и того же участка (1 × 1 мкм ² ), мы убедились, что морфология поверхности не изменилась после трех последовательных сканирований. Образцы, использованные для измерения, были выдержаны в течение 14 дней.

Масс-спектроскопия с индуктивно связанной плазмой

Индуктивно связанную плазму с масс-спектроскопическим детектором (ICP-MS) использовали для определения количества ионов Au, высвобожденных в PBS (pH =7,4). Анализ содержания микроэлементов в продуктах выщелачивания Au проводили с использованием трехквадрупольного спектрометра Agilent 8800 (Agilent Technologies, Япония), подключенного к автоматическому пробоотборнику. Распыление образцов проводили с помощью устройства MicroMist, оснащенного перистальтическим насосом. Неопределенность измерения (трижды для каждого образца) была менее 3%. Выщелачивание для ICP-MS готовили путем статической инкубации образцов в PBS во влажной атмосфере с 5% CO ₂ при 37 ° C в течение 6, 24 и 72 часов. Выщелачивания разбавляли дистиллированной водой в соотношении 1:8 и анализировали.

Культура клеток

Согласно международному стандарту EN ISO 10993-5, тестирование цитосовместимости проводилось in vitro с использованием линии клеток фибробластов мыши L929 (Sigma, США). Образцы PEEK (чистые, обработанные плазмой и покрытые золотом) стерилизовали 70% этанолом во флаконах сцинтилляционного счетчика в течение 20 мин, вставляли в 12-луночные планшеты (Jet Biofil, Ø 2,14 см), промывали PBS и помещали в лунку. дно с полыми пластиковыми цилиндрами из полиметилметакрилата. Клетки L929 высевали поверх образцов плотностью 30 000 клеток на лунку в 1 мл среды Игла, модифицированной по Дульбекко с высоким содержанием глюкозы (DMEM, Sigma, США), содержащей 10% фетальной бычьей сыворотки (FBS, Invitrogen, США) и 2 мМ стабильный l-глутамин (l-аланил-l-глутамин, Sigma, США). Клетки L929 поддерживали при 37 ° C во влажной атмосфере с 5% CO ₂ . .

Флуоресцентная микроскопия

После желаемого времени инкубации (6, 24 и 72 ч) клетки фиксировали и окрашивали аналогично тому, как описано в [28, 29]. Клетки L929 промывали PBS и фиксировали 4% формальдегидом (Thermo Scientific, США) в PBS (37 ° C, 20 мин). После отмывки PBS F-актин цитоскелета клетки метили фаллоидином-Atto 565 (Sigma, США) в PBS в течение 20 мин. Затем ядра клеток окрашивали DAPI (4 ', 6-диаминидо-2-фенилиндол дигидрохлорид, Sigma, США) в течение 10 мин, клетки промывали PBS, покрывали монтажной средой (Vector Laboratories, США) и устанавливается между предметным стеклом микроскопа и покровным стеклом. Все образцы («выдержанные» в течение 14 дней) были протестированы в трех экземплярах.

Сканирующая электронная микроскопия

Детальную морфологию исследуемых клеток, растущих на чистом PEEK, границе раздела плазма / золото и контроле (покровное стекло), охарактеризовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) TESCAN LYRA3 GMU (Tescan, CZ) в режиме вторичных электронов. Клетки, предназначенные для анализа с помощью SEM, промывали PBS, фиксировали раствором Карновского [30, 31] в 0,1 М какодилатном буфере (pH 7,2) и обезвоживали (увеличение процентного содержания этанола с последующими двумя заключительными этапами 10-минутной инкубации в гексаметилдисилазане. и сушка в духовом шкафу при 40 ° C в течение 2 ч). Обезвоженные образцы были покрыты слоем золота толщиной 10 нм.

Результаты и обсуждение

Все измерения проводились на «старых» образцах через 14 дней после плазменной обработки и напыления золота. Хорошо известно, что функциональные группы, образующиеся на плазменной поверхности полимера, нестабильны и изменяются со временем [32]. Поверхность материала имеет тенденцию восстанавливаться до своего необработанного состояния [33]. Следовательно, происходит изменение переориентации химических групп, образовавшихся в результате плазменной обработки, в объем материала [34, 35].

Абляцию PEEK во время плазменной обработки с последующим напылением Au изучали гравиметрическим методом. Потеря массы полимера, вызванная абляцией, и рост массы за счет распыления были последовательно преобразованы в толщину полимера. Потери массы, определенные после плазменной обработки (60 и 240 с, мощность 8,3 Вт), показаны в таблице 1. Выраженные потери при абляции были очевидны при увеличении времени воздействия, но они просто увеличились вдвое. Небольшая потеря, вероятно, была вызвана ароматическим характером PEEK, что привело к повышенной устойчивости к расщеплению, чем, например, в случае алифатических цепей полиолефинов (UHMWPE). Для напыления золота периоды времени 30 и 300 с были определены как репрезентативные примеры прерывистых и непрерывных слоев [19, 36]. Уменьшение потерь при абляции привело к улучшенному закреплению золота на поверхности PEEK, что очевидно для образцов с золотым покрытием 150 и 300 с.

Значения краевого угла смачивания с водой образцов, измеренные в зависимости от плазменной обработки и времени распыления золота, показаны в таблице 2. После плазменной обработки WCA увеличилась с 79,5 ± 2,4 ° (немодифицированный исходный PEEK) до 94,0 ± 5,5 ° и до 95,6 ± 2,1 °. (ПЭЭК, обработанный плазмой в течение 60 и 240 с соответственно). Разница в значениях WCA после плазменной обработки незначительна по сравнению с отклонениями значений. WCA уменьшается с покрытием Au, и поверхность становится более гидрофильной по сравнению с образцами, обработанными плазмой.

Концентрация элементов на поверхности полимера (доступная глубина от шести до восьми атомных слоев) исследовалась методом РФЭС; результаты суммированы в таблице 2. Данные XPS были получены для исходного PEEK, образца, обработанного плазмой, и образца, обработанного плазмой, с последующим покрытием Au. Из измерения XPS можно увидеть, что концентрация кислорода увеличилась при длительном лечении. Вероятно, это было вызвано переориентацией кислородсодержащих групп в объем полимера [37,38,39]. Было доказано, что ориентация групп происходит сразу после плазменной обработки; таким образом, в «процессе старения» образца на его поверхности происходят изменения. По этой причине образцы измеряли в течение 14 дней после плазменной обработки, когда состояние «старения» образца стабилизируется [40, 41]. Концентрация кислорода увеличивалась при длительном лечении плазмой. Поверхность полимера разрушается более сильным плазменным разрядом с образованием радикальных центров на поверхности; Чем выше мощность плазмы, тем сильнее выражена модификация полимера. Эти участки вступают в реакцию с кислородом, присутствующим в воздухе, и повышают концентрацию кислорода на обрабатываемой поверхности [42, 43]. После напыления золота концентрация кислорода снижается за счет слоя золота. Концентрация золота увеличивалась при меньшем времени распыления, когда поверхность не была сильно повреждена.

На рис. 1 показана морфология поверхности ПЭЭК, полученная с помощью АСМ. Плазменная обработка вызвала заметные изменения на поверхности PEEK для обоих времен воздействия (60 и 240 с), но, как и ожидалось, более длительное воздействие плазмы привело к более шероховатой поверхности, что вызвало разницу в металлизации образцов. Образцы, обработанные плазмой в течение более длительного времени, образовывали более четко очерченные металлические кластеры. Этот эффект был особенно заметен на образцах с толстым (распыление в течение 300 с), а также очень тонким (распыление в течение 30 с) слоями золота. Образцы, обработанные плазмой в течение короткого периода (60 с), образовывали меньшее количество более крупных и неправильных кластеров. Что касается слоев, распыленных всего за 30 с, то металлические кластеры легко распознавались только на подложке, обработанной плазмой в течение 240 с. Как и ожидалось, размер кластера и шероховатость поверхности обычно увеличиваются с увеличением времени распыления золота. Такое поведение хорошо соответствует измерениям XPS. Образцы, распыленные металлом в течение 30 с, уже имели большую часть своей поверхности, покрытой металлом, и дальнейшее распыление вызывало в основном вертикальный рост кластеров; следовательно, он не оказал такого значительного влияния на концентрацию золота и все же оставил частично непокрытую поверхность полимера. Также разница в форме кластеров в зависимости от продолжительности плазменной обработки хорошо соответствовала данным РФЭС. Нерегулярные большие кластеры на образцах, обработанных плазмой только в течение короткого периода (60 с), покрывали относительно большую часть поверхности PEEK; поэтому концентрация золота, определенная с помощью XPS, была немного увеличена. Морфологические различия между исходными материалами, напыленными с металлическим слоем разной толщины, можно сравнить с данными, полученными для поли-l-молочной кислоты (PLLA) [44] и политетрафторэтилена (PTFE) [45]. Безупречный ПТФЭ имеет очень шероховатую поверхность; Таким образом, мы наблюдали не образование мелких металлических кластеров, а общее уменьшение шероховатости поверхности. Это вызвано тем явлением, что распыленный металл предпочитает заполнять «впадины» на поверхности полимера, чтобы оставаться на «пиках». С другой стороны, поверхность PLLA демонстрирует повышенную грануляцию и образование структур, аналогичных структурам на PEEK, но с меньшей регулярностью. Эти данные свидетельствуют о том, что формирование регулярной зернистой структуры на распыленных полимерах в значительной степени зависит от регулярности поверхности полимера; поэтому PEEK (полимер с наименьшей шероховатостью поверхности среди PEEK, PLLA и PTFE) позволяет формировать на поверхности наиболее регулярные металлические кластеры.

АСМ-изображения чистого PEEK, PEEK, обработанного плазмой (pl) в течение 60 и 240 с, и золота (Au), распыленного в течение 30, 150 и 300 с

Электрокинетический анализ показал изменения химического состава поверхности и заряда PEEK после отдельных этапов модификации поверхности. На первом этапе плазменная обработка привела к созданию новых полярных групп на поверхности PEEK, что привело к увеличению дзета-потенциала [19, 25, 26, 27]. Во второй модификации нанесение кластеров золота на поверхность образца также повлияло на химию поверхности и дзета-потенциал (рис. 2). Из-за наличия металла на поверхности полимера важную роль играет эффект изменения поверхностного заряда - накопление электронов [27, 46]. Мы также наблюдали разные дзета-потенциалы для свежих и «выдержанных» образцов. Более драматические изменения были обнаружены для дзета-потенциала, измеренного в PBS, который определялся различными концентрациями ионов. В растворе KCl концентрация KCl составляет 0,001 моль л ^-1 .; в PBS концентрация ионов на три порядка выше. Более высокая концентрация ионов в PBS вызывает сжатие двойного электрического слоя и приводит к уменьшению дзета-потенциала (по абсолютной величине) [27, 46]. Следовательно, гораздо более высокая концентрация ионов вызвала изменение заряда поверхности даже с отрицательных значений на положительные. Таким образом, изменения дзета-потенциала PEEK, определенные в растворе PBS, были более резкими, а изменения химического состава поверхности и заряда были более выраженными. Следовательно, очевидно, что плазменная обработка и последующее осаждение Au приводят к резким изменениям химии поверхности полимера и заряда, которые зависят от продолжительности плазменной обработки, а также от осаждения Au. Эти результаты подтвердили другие проведенные анализы.

Дзета-потенциал обработанных плазмой ПЭЭК (60 и 240 с) и распыленных золотом (30, 150 и 300 с; ток 40 мА) образцов ПЭЭК в 1 мМ растворе KCl ( зеленые столбцы - свежие образцы; коричневые столбцы —Старые образцы) и в растворе PBS ( серые столбцы )

Чтобы определить концентрацию золота, высвобождаемого в среду культивирования во время культивирования клеток, мы использовали простую водную систему PBS, чтобы моделировать эти условия. Золото, высвобожденное в PBS через 6 (время клеточной адгезии) и 72 часа (пролиферация клеток) статической инкубации, измеряли с помощью ICP-MS, и результаты суммированы в таблице 3. PBS имеет такие же pH и осмолярность, что и среда для культивирования клеток.; таким образом, он использовался для измерения ICP-MS. С одной стороны, PBS - это упрощенная система; с другой стороны, нет компонентов, потенциально мешающих измерению ICP-MS, как в случае полной среды для культивирования клеток. Мы обнаружили, что концентрация Au, высвобожденного в PBS, была выше для образцов PEEK, покрытых Au в течение 30 с, чем в течение 300 с. Это могло быть вызвано прерывистым характером слоя золота, возможно, образующим небольшие кластеры золота, которые растворяются быстрее [47]. Золото высвободилось в большей степени из образца PEEK / 60/300, чем из PEEK / 240/300, поскольку его поверхность была менее подвержена абляции и золото, по-видимому, было меньше закреплено.

На следующем этапе было исследовано, может ли модификация поверхности полимеров способствовать адгезии эндотелиальных клеток. Поверхность PEEK активировали плазменной обработкой и напылением золота. Цитосовместимость PEEK определяли на основании результатов клеточной адгезии (6 часов) и пролиферации (24 и 72 часа), как показано на рис. 3. Каждые две колонки (PEEK / плазма (ab) и PEEK / (ab). / Au (cde)) представляют собой две половинки одного образца. Различия в количестве клеток L929, растущих на чистом PEEK и полистироле контрольной культуры ткани (TCPS), находятся в пределах погрешности измерения. Адгезию клеток контролировали через 6 ч после посева клеток на поверхность образца. Очевидно, что количество клеток в исходном PEEK было увеличено по сравнению с таковым в обработанных образцах. Через 24 часа роста клеток мы наблюдали лишь очень незначительное увеличение количества клеток, которое могло быть вызвано лаг-фазой, когда клетки адаптируются к новой среде [48]. Очевидно, что через 72 часа после посева было очень небольшое количество клеток, растущих на образцах, отложенных в течение 30 секунд (60 и 240 секунд, обработанных плазмой) по сравнению с другими измеренными образцами. Эти значения соответствуют результатам измерений ICP-MS, в которых золото было высвобождено в PBS в наибольшей степени. При этом слой Au, нанесенный на ПЭЭК (30 с), имел прерывистый характер [36]; таким образом, кластеры Au могут высвобождаться в среду для культивирования клеток. В результате этого процесса среда может стать токсичной для культивируемых клеток. Наибольшее количество клеток, растущих на слое золота (по сравнению с образцом, обработанным плазмой), наблюдалось на образце PEEK / pl 60 с / 150 с, на котором слой золота был сплошным. Затем, через 72 часа после посева, наиболее подходящей средой для роста клеток L929 были образцы, обработанные плазмой в течение 60 или 240 секунд, а затем покрытые золотом в течение 300 секунд. Слой Au на этих образцах также был сплошным [36]. По данным ICP-MS, в среду для культивирования клеток выделялось лишь очень небольшое количество Au. Однако это высвобожденное золото было вероятной причиной повышенной пролиферации клеток на поверхности, обработанной плазмой.

Количество клеток L929 после 6, 24 и 72 часов культивирования на TCPS, чистом PEEK и PEEK с золотыми поверхностями областей, обработанных плазмой (60 и 240 с) и распыленных Au (30, 150 и 300 с)

Для более детальной оценки морфологии клеток и межклеточных связей мы выполнили сканирующую электронную микроскопию с высоким разрешением клеток L929, растущих на тестируемых субстратах; результаты показаны на рис. 4. Сканирование с помощью SEM-анализа было выполнено через 72 часа роста клеток на чистом PEEK и PEEK, обработанном плазмой и покрытом золотом, а также на стеклянном покровном стекле, которое служило контролем (обычно используется для SEM-анализа [49], а также для иммунофлуоресцентных исследований [29]). Из рис. 4 видно, что клетки, растущие на чистом PEEK, PEEK, обработанном плазмой в течение 60 с (вторая половина - 300 с Au) и в течение 240 с (вторая половина - 150 и 300 с Au), а также на стеклянном покровном стекле. после 72 ч культивирования имели аналогичную форму. Клетки полностью распространились по поверхности, обработанной плазмой, и над этим клеточным слоем очевидно образование нового слоя пролиферирующих клеток. Клетки имели сферическую форму на поверхности образцов PEEK / 60 (вторая половина - 150 с Au) и PEEK / 240/30 с Au, даже несмотря на то, что окружающая среда не подходила для пролиферации клеток. Наиболее округлые клетки наблюдались на PEEK / 240/300 s Au, что полностью коррелирует с данными, представленными на рис. 3.

СЭМ-изображения клеток L929, культивированных в течение 72 часов на чистом PEEK, PEEK, обработанном плазмой (60 и 240 с), и их покрытые золотом части, распыленные в течение 30 и 300 с (покровное стекло под микроскопом служило контролем). Шкала шкалы соответствует 10 мкм

Выводы

Мы сравнили два различных способа модификации PEEK, чтобы создать материал с улучшенной адгезией и ростом клеток. Полученные результаты подтвердили переменные изменения свойств поверхности после отдельных этапов модификации. Оба использованных способа модификации привели к изменению химического состава поверхности, морфологии, смачиваемости и заряда. Обработка плазмой в течение 240 с вызвала потерю веса ПЭЭК в два раза выше, чем обработка в течение 60 с. Смачиваемость поверхности PEEK не претерпела значительных изменений при плазменной обработке. Измерение XPS подтвердило общий факт, что с увеличением времени плазменной обработки концентрация углерода на поверхности PEEK снижалась, а концентрация кислорода увеличивалась. Толщина осажденной золотой пленки была больше после плазменной обработки в течение 60 с. Распыление золота увеличило смачиваемость поверхности ПЭЭК. Результаты анализа XPS показали одинаковые тенденции для обоих образцов, обработанных плазмой (60 и 240 с), а концентрации углерода и кислорода уменьшались с увеличением времени осаждения в пользу растущей концентрации золота. Изображения АСМ также подтвердили измерения XPS, особенно для образцов, обработанных плазмой в течение 60 с и покрытых золотом в течение 300 с, на которых нерегулярные большие кластеры покрывали относительно большую часть поверхности PEEK; поэтому концентрация золота была немного увеличена. Также было обнаружено, что образцы с тонким, а также с более толстым слоем золота не подходят для размножения клеток.

Это исследование показывает, что обработка плазмой улучшает цитосовместимость PEEK по сравнению с исходным. Кроме того, обработка плазмой является лучшим методом модификации полимера для роста клеток, чем распыление золота, когда золото попадает в среду для культивирования клеток.

Сокращения

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

CO ₂ :

Двуокись углерода

DAPI:

4 ', 6-диаминидо-2-фенилиндол дигидрохлорид

DMEM:

Модифицированный носитель Орла, созданный Дульбекко

FBS:

Фетальная бычья сыворотка

ICP-MS:

Inductively coupled plasma mass spectrometry

KCl:

Potassium chloride

L929:

Mouse embryonic fibroblasts

PBS:

Phosphate-buffered saline

PEEK:

Polyetheretherketone

PGA:

Polyglycolide

PHB:

Polyhydroxybutyrate

PLA:

Poly(l-lactide)

PMMA:

Polymethylmethacrylate

PTFE:

Polytetrafluorethylene

SEM:

Scanning electron microscopy

TCPS:

Tissue culture polystyrene

UHMWPE:

Ultra-high-molecular-weight polyethylene

WCA:

Water contact angle

XPS:

X-ray photoelectron spectroscopy