Meningkatkan Proliferasi Sel pada Polyetheretherketone (PEEK) melalui Pelapisan Emas dan Perlakuan Plasma Argon

Latar Belakang

Degenerasi sendi yang berkaitan dengan usia mengakibatkan fraktur, artritis, dan tumor tulang, yang mendorong permintaan akan implan ortopedi yang dapat diandalkan. Logam tradisional seperti titanium dan kobalt-krom sering digunakan karena kekuatan dan resistensi korosi, namun modulus tinggi mereka sering menghasilkan penyindiran stres dan resorption tulang selanjutnya [1,2,3]. Alternatif polimer—UHMWPE, PTFE, PMMA, PLA, PGA, PHB—digunakan secara luas tetapi umumnya kurang memiliki ketahanan mekanik yang diperlukan untuk aplikasi menahan beban [4,5]. Polyetheretherketone (PEEK), termoplastik aromatik semi-kristal, mengembangkan jarak ini dengan menawarkan modulus dekat dengan tulang kortikal, stabilitas kimia dan termal yang luar biasa, dan kompatibilitas biologi yang terbukti [6–13]. Namun, hidrofobisitas dan bioiner yang inherentnya membatasi adsorpsi protein dan pelanggan sel, memerlukan strategi modifikasi permukaan.

Penyesuaian permukaan dapat dicapai melalui aktivasi plasma atau sputtering logam. Perlakuan plasma memperkenalkan spesies reaktif yang mengubah kimia permukaan tanpa mengesampingkan properti massa [16–17], sementara sputtering emas menyediakan lapisan biologis aktif yang meningkatkan pelanggan sel dan berfungsi sebagai platform untuk fungsionalisasi lebih lanjut [18–20]. Khususnya, nanopartikel emas di bawah 100 nm diketahui meningkatkan pelanggan dan proliferasi sel [20]. Karya ini menyelidiki kombinasi aktivasi plasma argon dan sputtering pelapisan emas untuk memproduksi permukaan PEEK nanostruktur yang dioptimalkan untuk pertumbuhan fibroblas, dengan implikasi potensial untuk implan tulang belakang dan ortopedi.

Metode

Bahan dan Modifikasi Permukaan

Foil PEEK (tebal 50 µm, densitas 1,26 g cm⁻³) diperoleh dari Goodfellow Ltd. Setiap sampel diameter 2 cm pertama kali diekspos kepada plasma argon (Balzers SCD 050) selama 60 detik atau 240 detik pada 8,3 W. Selanjutnya, separuh setiap sampel dilapisi emas menggunakan sputtering plasma argon DC (arus 40 mA, 15 W) selama 30 detik, 150 detik, atau 300 detik, mencapai lapisan emas 30–300 detik waktu penyetiran. Sampel disimpan pada 24 °C, 40–60 % kelembaban hingga pengujian.

Karakterisasi Permukaan

Gravimetri

Ketebalan emas dikvantifikasi oleh peningkatan massa yang diukur dengan mikrobalance Mettler Toledo UMX2, menggunakan densitas massa emas. Sepuluh replik per kondisi menghasilkan kesalahan pengukuran <15 %.

Sudut Kontak Air

Kelembaban diukur menggunakan Drop Shape Analysis System DSA 100. Titik 2-µL ditempatkan pada sampel tua (14 hari) dan sudut kontak dicatat setelah penundaan 2 detik. Setiap sampel diukur minimal tujuh kali pada tiga replik, dan mean ± SD dilaporkan.

Spektroskopi Fotoelektron X-ray

Spektra XPS diperoleh dengan spektrometer Omicron ESCAProbeP. Area 2 × 3 mm² dianalisis di bawah vakum ultra-ringan, dengan fokus pada puncak C 1s, O 1s, dan Au 4f. Tiga pengukuran independen per sampel menyediakan <10 % kesalahan.

Potensial Zeta

Potensial elektrokinetik diukur dalam 1 mM KCl dan larutan penyangga fosfat (PBS, pH 7,4) menggunakan Anton Paar SurPASS. Pasangan dua film (20 × 10 mm²) ditempatkan dalam sel gap 100 µm. Arus streaming dicatat tiga kali per sampel, dan persamaan Helmholtz–Smoluchowski diterapkan. Semua pengukuran dilakukan pada sampel tua 14 hari.

Mikroskopi Gaya Atom

Citra AFM (Bruker VEECO CP II) dalam mode tapping dengan sondes RTESPA-CP mengungkap morfologi permukaan atas wilayah 1 × 1 µm². Beberapa skan mengonfirmasi reproduksibilitas. Sampel tua 14 hari.

Spektrometri Massa Plasma Terkandung Induktif

Pemerosotan emas ke dalam PBS (pH 7,4) dikvantifikasi oleh ICP-MS (Agilent 8800). Sampel diinkubasi pada 37 °C selama 6, 24, dan 72 jam dalam 5 % CO₂ lembab. Larutan kua dilarutkan 1:8 dan dianalisis dengan <3 % ketidakpastian.

Budidaya Sel dan Pengujian Citokompatibilitas

Sel fibroblas embrio tikus (L929) dibudidayakan dalam DMEM dengan 10 % FBS dan 2 mM L-glutamin pada 37 °C, 5 % CO₂. Cakram PEEK yang sterilisasi dipasang dalam plate 12 lubang; 30.000 sel per lubang diseed. Pelanggan sel dievaluasi pada 6 jam, sementara proliferasi dipantau pada 24 jam dan 72 jam. Eksperimen dilakukan secara triplik.

Mikroskopi Fluoresensi

Setelah inkubasi, sel diobati dengan formaldehide 4 %, diwarnai untuk F-aktin (faloidin-Atto 565) dan inti (DAPI), dan diimajing. Citra ditangkap pada sampel tua 14 hari.

Mikroskopi Elektron Pemindaian

SEM (Tescan LYRA3 GMU) dalam mode elektron sekunder memvisualisasikan morfologi sel pada PEEK polos, PEEK yang diobati plasma/lapisi emas, dan sel kaca (kontrol). Sel diobati dengan larutan Karnovsky, didesidrasi melalui etanol bertingkat, dilapisi emas 10 nm, dan diimajing dengan skala batas 10 µm.

Hasil dan Pembahasan

Semua analisis dilakukan pada sampel tua 14 hari untuk menangkap status permukaan yang stabil pasca-plasma dan penitipan emas. Perlakuan plasma menginduksi peningkatan moderat kekasaran permukaan dan menghasilkan grup fungsional polar, seperti yang ditunjukkan oleh data AFM dan XPS. Secara menonjol, sudut kontak naik sedikit setelah paparan plasma (dari 79,5° hingga ~95°) tetapi turun substansial setelah pelapisan emas, menunjukkan peningkatan hidrofilisitas.

Pengukuran gravimetrik mengungkapkan peningkatan 2 kali lipat ablasi PEEK ketika paparan plasma diperpanjang dari 60 detik ke 240 detik, mencerminkan input energi yang lebih tinggi. Sebaliknya, sputtering emas pada 150 detik dan 300 detik menghasilkan lapisan kontinu yang meningkatkan pelindungan emas pada polimer.

Analisis XPS menunjukkan tren yang jelas: perlakuan plasma mengurangi konten karbon permukaan sambil meningkatkan oksigen, mengonfirmasi perkenalan grup polar. Penitipan emas berikutnya mengurangi sinyal oksigen dan meningkatkan sinyal emas, dengan tanda emas terkuat diamati pada sampel yang disetir selama 300 detik.

Citra AFM menunjukkan bahwa paparan plasma yang lebih lama menghasilkan permukaan yang lebih kasar, yang kemudian memfasilitasi pembentukan kluster emas yang lebih besar dan lebih seragam selama sputtering. Lapisan emas 30 detik membentuk pulau yang tidak kontinu, sedangkan lapisan 150 detik dan 300 detik menghasilkan film kontinu dengan kekasaran yang meningkat.

Pengukuran potensial zeta mengungkapkan bahwa aktivasi plasma meningkatkan muatan permukaan (lebih negatif) baik dalam KCl maupun PBS, sementara pelapisan emas menggeser potensial ke nilai yang kurang negatif atau sedikit positif. Efek lebih jelas dalam PBS karena daya ionik yang lebih tinggi, menunjukkan bahwa kimia permukaan yang dirancang responsif terhadap kondisi fisiologis.

Data ICP-MS menunjukkan bahwa lapisan emas tipis (30 detik) melepaskan konsentrasi emas yang lebih tinggi ke dalam PBS, mungkin karena sifatnya yang tidak kontinu. Sebaliknya, lapisan 300 detik yang kontinu melepaskan emas yang bisa diabaikan, mengurangi potensi sitotoksisitas.

Uji seluler mengonfirmasi performa unggulan PEEK yang diobati plasma dan dilapisi emas. Pada 6 jam, pelanggan sel pada PEEK polos serupa dengan plastik kultur jaringan, tetapi pelanggan pada permukaan yang diobati plasma meningkat. Setelah 72 jam, hasil terbaik diamati untuk plasma 60 detik + emas 300 detik dan plasma 240 detik + emas 300 detik, di mana film emas kontinu menyediakan substrat yang kondusif untuk proliferasi fibroblas. Lapisan emas tipis (30 detik) menghasilkan jumlah sel terendah, berkorelasi dengan pemerosotan emas yang lebih tinggi.

Citra SEM mengonfirmasi temuan ini, menunjukkan fibroblas yang menyebar baik dan memanjang pada permukaan yang dioptimalkan, sedangkan sel pada lapisan emas tipis menunjukkan morfologi bundar yang indikatif dari pelanggan yang buruk.

Kesimpulan

Aktivasi plasma argon diikuti dengan sputtering pelapisan emas secara efektif menyesuaikan permukaan PEEK untuk penggunaan medis. Paparan plasma selama 240 detik menggandakan ablasi permukaan dan memperkenalkan grup polar, sementara lapisan emas 150–300 detik menyetir film nanostruktur kontinu yang secara signifikan meningkatkan kelembaban, muatan permukaan, dan pelanggan fibroblas. Lapisan emas tipis tidak cocok karena pemerosotan logam yang lebih tinggi dan proliferasi sel yang berkurang. Secara keseluruhan, pendekatan gabungan plasma-emas menghasilkan bahan PEEK dengan citokompatibilitas yang ditingkatkan, cocok untuk aplikasi implan ortopedi dan tulang belakang.

Singkatan

AFM:

Mikroskopi Gaya Atom

CO₂:

Dioksida Karbon

DAPI:

4′,6-Diaminido-2-fenilindol dihidroklorida

DMEM:

Medium Dulbecco yang Dimodifikasi Eagle

FBS:

Serum sapi fetus

ICP-MS:

Spektrometri Massa Plasma Terkandung Induktif

KCl:

Klorida Kalium

L929:

Sel fibroblas embrio tikus

PBS:

Larutan Penyangga Fosfat

PEEK:

Polyetheretherketone

PGA:

Poliglikolida

PHB:

Polihidroksibutirat

PLA:

Poli(l-laktida)

PMMA:

Polimetilmetakrilat

PTFE:

Politetrafluoroetilena

SEM:

Mikroskopi Elektron Pemindaian

TCPS:

Polistiren Kultur Jaringan

UHMWPE:

Polietilena Berat Molekul Tinggi

WCA:

Sudut Kontak Air

XPS:

Spektroskopi Fotoelektron X-ray