Biokompatibilitas yang Ditingkatkan dalam Anodik TaO x Nanotube Array

Hasil dan Diskusi

Gambar 1a–e menunjukkan gambar SEM dari foil Ta datar dan TaO teranodisasi _x array nanotube dengan diameter nanotube rata-rata masing-masing 20, 35, 65, dan 90 nm. Semua TaO teranodisasi _x nanotube menunjukkan struktur nanotubular yang terdefinisi dengan baik, dan diameter nanotube mereka hampir sebanding dengan tegangan yang diterapkan. Di antara sampel ini, nanotube berdiameter 20 nm menunjukkan permukaan nanotubular yang relatif tidak jelas, seperti yang ditunjukkan pada area yang diperbesar yang diambil dari Gambar 1b. Pengamatan ini dapat dikaitkan dengan kekuatan medan yang lebih lemah di bawah operasi tegangan rendah dalam proses anodisasi. Gambar 2 lebih lanjut menunjukkan sesi silang semua TaO _x nanotube dan panjang nanotubular yang sesuai. Analisis XRD dan TEM digunakan untuk mengidentifikasi lebih lanjut TaO _x kristalinitas nanotube. Seperti yang ditunjukkan pada spektrum XRD pada Gambar. 3a, hanya puncak yang terkait dengan foil Ta yang diamati (Kartu JCPDS no. 04-0788), menunjukkan bahwa TaO yang dianodisasi _x nanotube mungkin fase amorf. Gambar 3b menunjukkan gambar TEM representatif yang diambil dari TaO berdiameter 90 nm _x nanotube terkelupas dari sampel as-anodized, mengungkapkan struktur nanotubular yang terdefinisi dengan baik. Pola difraksi tanpa noda pada sisipan menegaskan bahwa TaO _x nanotube adalah non-kristal.

Gambar SEM menunjukkan a Permukaan ta foil dan TaO yang terorganisir sendiri _x nanotube dengan diameter b 20, c 35, d 65, dan e 90 nm, masing-masing

Gambar SEM menunjukkan penampang TaO _x nanotube dengan diameter a 20, b 35, c 65, dan d 90 nm, masing-masing

a Spektrum XRD dari TaO teranodisasi _x nanotube dengan diameter berbeda dan b Gambar TEM diambil dari TaO as-anodized _x nanotube dengan diameter 90 nm. Sisipan juga menunjukkan pola difraksi yang sesuai

Penelitian sebelumnya telah melaporkan bahwa perlekatan sel, penyebaran, dan organisasi sitoskeletal secara signifikan lebih baik pada permukaan hidrofilik dibandingkan dengan permukaan hidrofobik [28]. Das dkk. lebih lanjut menunjukkan bahwa sudut kontak yang rendah menyiratkan energi permukaan yang tinggi, yang juga merupakan faktor penting yang berkontribusi pada perlekatan sel yang lebih baik [29]. Oleh karena itu, penting untuk memahami pengaruh TaO _x topografi nanotube pada keterbasahan permukaan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, semua TaO teranodisasi _x nanotube sangat hidrofilik karena sudut kontaknya jauh lebih kecil dari 90°. Selanjutnya, sudut kontak mereka ditemukan menurun secara monoton dengan penurunan diameter nanotube menjadi 35 nm dan kemudian meningkat secara terbalik saat diameter berkurang menjadi 20 nm. Kami juga menemukan bahwa TaO _x sampel nanotube menunjukkan tren yang sama saat menggunakan air atau media kultur sebagai cairan pengujian. Kami mencoba untuk menjelaskan perilaku keterbasahan yang diamati berdasarkan hukum Wenzel, yang menggambarkan sudut kontak kecil pada bahan hidrofilik [30]. Dalam model Wenzel, peningkatan kekasaran permukaan pada bahan hidrofilik akan menghasilkan sudut kontak yang lebih kecil, dan air akan mengisi alur di bawah tetesan. Di sini, kami menggunakan faktor kekasaran, yaitu, luas permukaan fisik nanotube per unit area yang diproyeksikan, untuk mengevaluasi kekasaran geometris TaO _x sampel nanotube [31]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, dengan diameter dalam D , ketebalan dinding W , dan panjang nanotube L , faktor kekasaran geometris murni G dapat dihitung sebagai [4πL {A + A }/ {√3(D .) + 2 L) ² }] + 1. Perhitungan ini mengasumsikan semua permukaan nanotube menjadi sangat halus. Faktor kekasaran yang dihitung untuk semua sampel nanotube dirangkum dalam tabel Gambar 5. Kecuali sampel berdiameter 20 nm, nanotube berdiameter lebih kecil memiliki kekasaran geometris yang lebih besar dan dengan demikian dianggap menunjukkan hidrofilisitas yang lebih baik menurut model Wenzel. Kesimpulan ini konsisten dengan hasil kami bahwa sudut kontak berkurang dengan berkurangnya diameter nanotube menjadi 35 nm. Ini juga menjelaskan dengan baik bahwa nanotube berdiameter 20 nm yang menunjukkan permukaan nanotubular yang relatif tidak jelas menunjukkan kekasaran geometris yang lebih kecil dan hidrofilisitas yang lebih buruk daripada yang lain.

a –j Gambar optik yang menunjukkan tetesan air dan media kultur pada a ,f Permukaan ta foil dan TaO yang diatur sendiri_x nanotube dengan diameter b ,g 20, c ,h 35, d,i 65, dan e ,j 90nm, masing-masing. Sudut kontak dilambangkan dalam gambar

Diagram skema dari struktur nanotubular ideal dengan diameter dalam D , ketebalan dinding W , dan panjang nanotube L . Faktor kekasaran yang dihitung untuk semua sampel nanotube dalam penelitian ini dirangkum dalam tabel

Perilaku sel fibroblas manusia dalam menanggapi foil Ta datar dan TaO _x array nanotube dipelajari lebih lanjut. Untuk mengevaluasi perlekatan sel fibroblas pada TaO _x nanotube, aktin sitoskeleton diwarnai dengan rhodamin phalloidin untuk mengekspresikan fluoresensi merah dan inti diwarnai dengan DAPI untuk mengekspresikan fluoresensi biru. Imunostaining aktin menunjukkan morfologi kontak bahan sel yang dapat dibedakan untuk foil Ta datar dan TaO _x nanotube dengan diameter berbeda (lihat Gbr. 6). Diketahui bahwa sel harus menempel pada permukaan material terlebih dahulu dan kemudian menyebar untuk pembelahan sel lebih lanjut. Adhesi sel yang lebih baik dapat menyebabkan lebih banyak aktivasi kaskade pensinyalan intraseluler melalui integrin yang digabungkan ke sitoskeleton aktin [32,33,34]. FE-SEM digunakan untuk pengamatan detail adhesi sel (lihat Gambar 7). Fibroblas pada diameter 35 nm menunjukkan adhesi sel yang sangat baik dengan morfologi perataan memanjang. Di sisi lain, fibroblas pada foil Ta dan TaO berdiameter 90 nm _x nanotube menunjukkan sel yang kurang melekat dan kurangnya sel menyebar sampai batas tertentu. Area cakupan sel pada nanotube diperkirakan lebih lanjut dengan menggunakan perangkat lunak ImageJ dan dicatat dalam gambar SEM ini. Serupa dengan tren sudut kontak, area cakupan ditemukan menurun secara monoton dengan penurunan diameter nanotube menjadi 35 nm dan kemudian meningkat secara terbalik saat diameter menurun hingga 20 nm. TaO berdiameter 35 nm _x nanotube memang menunjukkan area cakupan sel terbesar. Diketahui bahwa sel mengenali fitur permukaan ketika situs yang cocok untuk adhesi telah terdeteksi. Seharusnya sel dapat menstabilkan kontak mereka ke TaO _x nanotube dengan membentuk adhesi fokal dan serat aktin matang, diikuti dengan merekrut mikrotubulus tubulin [35]. Sitoskeleton aktin terkait dengan integrin yang terletak di dalam adhesi. Temuan kami menunjukkan bahwa sitoskeleton pada nanotube berdiameter 35 nm dapat dibentuk lebih baik daripada yang ada pada foil Ta datar atau TaO lainnya _x array nanotube.

Gambar mikroskop fluoresensi dari perlekatan sel fibroblas pada a Ta foil dan TaO yang diatur sendiri _x nanotube dengan diameter b 20, c 35, d 65, dan e 90 nm, masing-masing. Fluoresensi merah menunjukkan filamen aktin protein sitoskeletal, dan fluoresensi biru menunjukkan inti.

a –e Gambar SEM menunjukkan adhesi sel dan proliferasi sel fibroblas manusia pada a Permukaan ta foil dan TaO yang diatur sendiri_x nanotube dengan diameter b 20, c 35, d 65, dan e 90nm, masing-masing. Area cakupan sel pada sampel yang diperkirakan oleh perangkat lunak ImageJ dilambangkan dalam gambar

Uji WST-1 digunakan untuk mengevaluasi lebih lanjut proliferasi sel fibroblas pada TaO _x nanotube dengan diameter yang berbeda. Gambar 8 menunjukkan perbandingan densitas optik yang diukur dari hasil pengujian WST-1. Kami menemukan bahwa proliferasi sel tertinggi untuk TaO berdiameter 35 nm _x sampel tabung nano. Namun, tidak ada perbedaan yang signifikan antara kelompok Ta dan TaO _x array nanotube. Selain itu, proliferasi sel dan keterbasahan permukaan menunjukkan tren yang hampir sama dengan TaO _x diameter nanotube. Pengamatan ini menunjukkan bahwa tidak hanya diameter nanotube tetapi juga keterbasahan permukaan sangat mempengaruhi adhesi sel dan penyebaran berikutnya. Dengan kata lain, dibandingkan dengan nanotube berdiameter 35 nm, yang berdiameter 20 nm dapat memberikan lebih banyak titik fokus untuk sel fibroblas, tetapi hidrofilisitasnya yang lebih buruk menghilangkan beberapa kontak fokus yang efektif dan dengan demikian menghambat perlekatan sel. Akhirnya, TaO berdiameter 35 nm _x nanotube mengungkapkan biokompatibilitas tertinggi di antara semua sampel.

Densitas optik (QD) diukur setelah kultur sel fibroblas manusia pada foil Ta dan TaO yang terorganisir sendiri _x nanotube dengan diameter berbeda. Nilai OD dengan standar deviasinya tercantum sebagai tabel terlampir