폴리에테르에테르케톤(PEEK)은 생물 의학 응용 분야에 탁월한 우수한 화학적 및 생체 역학적 특성을 가지고 있습니다. 그러나 PEEK는 제한된 세포 접착을 유발하는 소수성 및 기타 표면 특성을 나타냅니다. 우리는 세포 접착력을 향상시키기 위해 나노 구조의 PEEK 표면 형성을 위한 Ar 플라즈마 처리의 가능성을 조사했습니다. 이 연구의 구체적인 목적은 플라스마 처리 및 금 코팅 PEEK 매트릭스의 계면이 마우스 배아 섬유아세포의 접착 및 확산에 미치는 영향을 밝히는 것이었습니다. 처리 전과 후의 표면 특성(극성, 표면 화학, 구조)을 다양한 실험 기법(중량 측정, 측각, X선 광전자 분광법(XPS), 동전기 분석)으로 평가하였다. 또한, 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 PEEK 표면 형태와 거칠기를 조사했습니다. 나노구조 PEEK에 대한 세포의 생물학적 반응은 세포 접착, 퍼짐 및 증식 측면에서 평가되었습니다. 상세한 세포 형태는 주사전자현미경(SEM)에 의해 평가되었다. 플라즈마 처리와 비교하여 금 코팅은 PEEK 젖음성을 개선했습니다. XPS 방법은 플라즈마 처리 시간이 증가함에 따라 탄소 농도가 감소하는 것으로 나타났습니다. 플라즈마 처리된 PEEK 매트릭스와 금으로 코팅된 PEEK 매트릭스 사이의 계면에서 결정된 세포 접착력은 샘플의 금층 두께에 정비례했습니다. 우리의 결과는 금 코팅과 결합된 플라즈마 처리가 향상된 세포 접착력을 필요로 하는 생물 의학 응용 분야에서 사용될 수 있음을 시사합니다.
<섹션 데이터-제목="배경">인간 노화의 문제 중 하나는 관절을 착용하는 것으로 골절, 척추 변성, 관절염, 골종양을 비롯한 골격 및 관절 시스템의 다양한 고통이 급격히 증가하는 것과 관련이 있습니다. 인공 보형물을 이용한 정형 외과 수술은 현재 손상된 뼈와 관절의 구조적, 기능적 재생에 사용되는 주요 방법입니다. 정형외과 임플란트에 일반적으로 사용되는 재료는 특히 금속, 세라믹, 폴리머 및 복합 재료입니다. 금속 임플란트(예:금)는 영구 교체(예:고관절 교체, 인공 치아) 또는 임시 보철(예:디스크, 경첩, 나사 및 골절을 고정하는 데 사용되는 막대)로 임상 실습에서 널리 사용됩니다. 금속은 기계적 강도, 내마모성 및 무독성으로 인해 선호됩니다[1,2,3]. 반면에 기계적 강도가 높고 탄성이 낮기 때문에 인간의 골격 조직과 양립할 수 없습니다. 이것은 뼈 임플란트에 부정적인 영향을 줄 수 있으며, 이는 인접한 뼈 조직의 흡수와 임플란트의 방출로 이어질 수 있습니다. 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리락타이드(PLA), 폴리글리콜라이드(PGA) 및 폴리하이드록시부티레이트(PHB)와 같은 폴리머는 다양한 생물의학 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 제한된 수의 폴리머만이 뼈나 관절 대체물로 사용되었습니다. 기계적 정형외과 임플란트에 대한 요구사항을 따르기에는 너무 유연하고 약한 경향이 있기 때문입니다[4, 5].
폴리에테르에테르케톤(PEEK)은 1978년에 처음 합성된 반결정질 선형 다환 방향족 열가소성 중합체입니다[6]. PEEK는 일반적으로 추간 스페이서 및 뼈 나사의 재료로 사용됩니다[7, 8]. 특별한 화학 구조로 인해 PEEK는 화학적 및 물리적 변화에 대한 저항성이 높습니다[6, 9, 10]. 또한 마모에 강하고 고온에서도 안정적입니다[6]. 또한 PEEK 생체 적합성은 시험관 내 및 생체 내 모두에서 입증되었으며 독성 또는 돌연변이 유발 효과를 일으키지 않습니다[11,12,13]. 인체의 뼈와 유사한 탄성을 가지고 있어 임플란트와 뼈 사이의 균형 잡힌 무게 배분을 가능하게 하는 것이 큰 장점입니다. 따라서 이식 후 응력 차폐 효과가 없습니다. 그러나 PEEK는 소수성 및 생체 비활성 특성을 나타내어 단백질 흡착 및 세포 접착에 유리하지 않습니다[14, 15]. 따라서 이러한 특성을 개선하려면 PEEK 표면을 수정해야 합니다.
재료의 표면 특성은 다양한 기술로 조정할 수 있습니다[16]. 이러한 방법 중 하나는 저압 가스와 전자기 가스 여기 장치를 포함하는 폐쇄 반응기 시스템에서 생성된 이온화된 가스를 사용하는 플라즈마에 의한 바이오폴리머 표면 개질입니다. 습식 기술에 비해 바이오폴리머 표면의 플라즈마 개질은 화학적 유연성에 유리합니다. 전자기적으로 생성된 반응성 입자는 반응기의 바이오폴리머 표면과 상호작용하여 물리적 및 화학적 특성을 변화시킵니다. 응용 분야와 관련된 벌크 재료의 기계적, 전기적 및 광학적 특성은 변경되지 않은 상태로 유지되며[17], 이는 생체 적합성 고분자의 설계, 개발 및 제조에 유리합니다. 폴리머 표면 특성을 개선하는 데 사용되는 또 다른 방법은 음극 스퍼터링입니다. 금 나노 입자를 박막에 통합하는 것은 조직 공학 및 생물학적 감지와 같은 다양한 응용 분야에서 중요합니다[18]. 나노입자 크기는 물질 표면의 거동과 표면 속성(예:밀도, 격자 매개변수, 전기적, 광학적 속성)에 영향을 미칩니다[19]. 특히 100nm보다 작은 나노입자는 종종 세포 접착 및 증식을 향상시킵니다[20].
이 작업의 목표는 특히 마우스 배아 섬유아세포(L929)의 세포 접착 및 증식을 개선하기 위해 플라즈마 처리와 금 증착 모두를 통해 PEEK에 나노구조를 형성하는 것이었습니다. 처리 전과 후의 표면 특성(극성, 표면 화학, 구조)을 다양한 기술(중량 측정, 측각, X선 광전자 분광법, 동전기 분석)으로 평가하였다. 또한 PEEK 표면 형태와 거칠기를 조사하기 위해 원자력 현미경을 사용했습니다. 결과는 주로 척추 임플란트 건설 및 정형외과 및 외상학에 대한 기타 대체에 대한 잠재적인 생물의학 응용의 맥락에서 논의됩니다.
PEEK 포일(두께 50μm, 밀도 1.26g cm −3 , Goodfellow Ltd., UK 제공)이 모든 실험에 사용되었습니다. 모든 PEEK 샘플(원형, ø =2 cm)를 플라즈마로 처리한 후 각 샘플의 절반을 금으로 코팅했습니다. PEEK 샘플은 직접(글로우, 다이오드) Ar + 에서 처리되었습니다. [18, 21]에 설명된 조건에서 Balzers SCD 050 장치(BalTec AG, Pfäffikon, CH)를 사용한 플라즈마. 처리 시간은 60초와 240초, 방전 전력은 8.3W였습니다. PEEK의 금 코팅은 Balzers SCD 050 장치로 금 타겟(순도 99.95%, Safina Ltd., CZ에서 공급)으로 수행되었습니다. 증착 조건은 DC Ar + 이었습니다. 혈장; 99.995%의 가스 순도; 30, 150, 300초의 스퍼터링 시간, 40mA의 전류(방전 전력 15W), 총 Ar + 압력. 전극 거리, 전력 밀도 및 평균 증착 속도는 [18, 22]에서 설명한 것과 유사하게 조정되었습니다. 준비된 샘플은 실험실 조건(24°C, 40-60% 습도)에서 보관되었습니다[23].
Mettler Toledo UMX2 마이크로 저울을 사용하여 중량 측정에 의해 금 필름의 평균 두께를 측정했습니다. 두께는 금의 벌크 밀도를 사용하여 스퍼터링 전후의 샘플 무게로부터 계산되었습니다. 측정에는 각 변형 유형의 10개 샘플이 사용되었습니다. 중량 측정의 오차는 15% 미만이었습니다.
샘플의 습윤성은 표면 물 접촉각(WCA)을 측정하여 결정되었습니다. 또한 플라즈마 처리 및 금 증착으로 인한 구조 및 구성 변화의 특성은 상온(24°C, 40-60% 습도)에서 Drop Shape Analysis System DSA 100(KRÜSS GmbH, DE)에 의해 결정되었습니다[23]. 2.0 ± 0.2μL의 물방울이 스테인리스 스틸 바늘을 사용하여 테스트된 샘플에 침착되었습니다. 방울의 이미지는 2초 지연 후에 촬영되었습니다. 그런 다음 ADVANCE 시스템을 사용하여 접촉각을 평가했습니다. 각 샘플의 최소 3번의 복제에서 서로 다른 위치에 대한 최소 7번의 측정을 수행하고 평균을 내서 최종 WCA와 표준 편차를 산출했습니다. WCA 측정은 14일 동안 '숙성'된 샘플에서 수행되었습니다.
준비된 샘플의 화학적 조성은 10%의 상대 오차로 Omicron Nanotechnology ESCAProbeP 분광계(Omicron Nanotechnology GmbH에서 공급)로 측정된(3회 측정) X선 광전자 스펙트럼(XPS)으로부터 결정되었습니다. 노출 및 분석 영역의 치수는 2 × 3 mm 2 입니다. . 측정 조건은 [18, 21]에 설명되어 있습니다. 특성 탄소(1s ), 산소(1s ) 및 금(4f ) 피크를 검색했습니다. 측정은 초경량 진공에서 수행하였다. 획득한 스펙트럼의 평가는 CasaXPS 코드[24]에 의해 수행되었습니다. 측정에 사용된 샘플은 14일 동안 '숙성'되었습니다. 측정 전 샘플은 표준 실험실 조건에서 보관되었습니다.
모든 샘플의 동전기 분석(전자기 전위, 제타 전위)은 SurPASS Instrument(Anton Paar)에 의해 결정되었습니다. 샘플은 전해질(0.001mol L -1 KCl) 뿐만 아니라 완충 용액(인산염 완충 식염수(PBS))에서. 각 측정에 대해 동일한 상단 레이어가 있는 한 쌍의 폴리머 필름을 두 개의 샘플 홀더에 고정했습니다(단면적 20 × 10mm 2 100μm의 간격). 모든 샘플은 두 번의 복제로 준비되었습니다. 모두 5%의 실험 오차로 6.8의 일정한 pH에서 세 번 측정되었습니다. 제타 전위를 결정하기 위해 스트리밍 전류 방법이 사용되었고 Helmholtz-Smoluchowski 식을 적용하여 제타 전위를 계산했습니다[25,26,27]. 제타 전위 측정에 사용된 오래된 샘플은 14일 동안 '숙성'되었습니다.
샘플의 표면 형태는 VEECO CP II 시스템(Bruker Corporation, Billerica, MA, USA)을 사용하여 원자간력현미경(AFM)에 의해 조사되었습니다. 표면은 스프링 상수가 20–80N m −1 인 실리콘 P-도핑 프로브 RTESPA-CP를 사용하여 "탭핑 모드"에서 측정되었습니다. (Bruker Corporation, Billerica, MA, USA). 동일한 영역을 반복 측정하여(1 × 1 μm 2 ), 3회 연속 스캔 후에도 표면 형태가 변하지 않음을 확인했습니다. 측정에 사용된 샘플은 14일 동안 숙성되었습니다.
질량 분광학 검출기(ICP-MS)가 있는 유도 결합 플라즈마를 사용하여 PBS로 방출된 Au 이온의 양을 결정했습니다(pH =7.4). Au 침출수의 미량 원소 분석은 auto-sampler에 연결된 Agilent 8800 triple quadrupole spectrometer(Agilent Technologies, Japan)를 사용하여 수행되었다. 연동 펌프가 장착된 MicroMist 장치를 사용하여 샘플 분무를 수행했습니다. 측정의 불확실성(각 샘플의 세 번)은 3% 미만이었습니다. ICP-MS에 대한 침출은 5% CO2가 포함된 가습 분위기의 PBS에서 샘플을 정적 인큐베이션하여 준비했습니다. 37°C에서 6, 24, 72시간 동안 침출액을 증류수로 1:8의 비율로 희석하여 분석하였다.
국제 표준 EN ISO 10993-5에 따라 마우스 섬유아세포(Sigma, USA)의 L929 세포주를 사용하여 시험관 내 세포적합성 시험을 수행하였다. PEEK 샘플(원래, 플라즈마 처리 및 금 코팅)을 섬광 카운터 바이알의 70% 에탄올에서 20분 동안 멸균하고 12웰 플레이트(Jet Biofil, Ø 2.14cm)에 삽입하고 PBS로 세척하고 웰에 장착했습니다. 폴리(메틸 메타크릴레이트)로 만든 속이 빈 플라스틱 실린더가 있는 바닥. L929 세포는 10% 소태아혈청(FBS, Invitrogen, USA) 및 2mM을 포함하는 1mL의 고글루코스 Dulbecco's Modified Eagle's 배지(DMEM, Sigma, USA)에서 웰당 30,000개 세포의 밀도로 샘플 위에 시딩되었습니다. 안정한 l-글루타민(l-alanyl-l-glutamine, Sigma, USA). L929 세포는 5% CO2로 가습된 대기에서 37°C로 유지되었습니다. .
원하는 배양 시간(6, 24, 72시간) 후 세포를 고정하고 [28, 29]에 설명된 것과 유사하게 염색했습니다. L929 세포를 PBS로 세척하고 PBS 중 4% 포름알데히드(Thermo Scientific, USA)로 고정했습니다(37°C, 20분). PBS 세척 후, 세포 세포골격의 F-액틴을 PBS에서 20분 동안 phalloidin-Atto 565(Sigma, USA)로 표지했습니다. 그런 다음, 세포 핵을 DAPI(4',6-diaminido-2-phenylindole dihydrochloride, Sigma, USA)로 10분 동안 염색하고 세포를 PBS로 세척하고 마운팅 배지(Vector Laboratories, USA)로 덮고, 미세한 유리 슬라이드와 커버슬립 사이에 장착됩니다. 모든 샘플(14일 동안 '숙성')은 3회 테스트되었습니다.
깨끗한 PEEK, 플라즈마/금 계면 및 대조군(유리 커버슬립)에서 성장하는 검사된 세포의 상세한 형태는 2차 전자 모드에서 주사 전자 현미경(SEM) TESCAN LYRA3 GMU(Tescan, CZ)로 특성화되었습니다. SEM으로 분석하려는 세포를 PBS로 세척하고 0.1M 카코딜레이트 완충액(pH 7.2)의 Karnovsky 용액[30, 31]으로 고정하고 탈수(에탄올 비율 증가 후 헥사메틸디실라잔에서 10분 인큐베이션의 두 가지 최종 단계) 및 40°C의 오븐에서 2시간 동안 건조). 탈수된 샘플은 10nm 금층으로 코팅되었습니다.
모든 측정은 플라즈마 처리 및 금 스퍼터링 후 14일에 '노화' 샘플을 사용하여 수행되었습니다. 플라즈마 처리된 고분자 표면에 형성된 작용기는 안정적이지 않고 시간이 지남에 따라 변화하는 것으로 잘 알려져 있다[32]. 재료 표면은 처리되지 않은 상태로 회복되는 경향이 있습니다[33]. 따라서 플라즈마 처리에 의해 생성된 화학 그룹의 재배향이 재료의 덩어리로 변경되는 현상이 발생합니다[34, 35].
플라즈마 처리 후 Au 스퍼터링 동안 PEEK 절제를 중량 측정법으로 연구했습니다. ablation에 의한 폴리머의 질량 손실과 스퍼터링에 의한 질량 성장을 폴리머 두께로 연속적으로 환산하였다. 플라즈마 처리(60초 및 240초, 8.3W의 전력) 후 측정된 질량 손실은 표 1에 나와 있습니다. 뚜렷한 절제 손실은 노출 시간이 증가함에 따라 분명했지만 두 배만 증가했습니다. 가벼운 손실은 아마도 PEEK의 방향족 특성으로 인해 발생했으며, 이는 예를 들어 폴리올레핀의 지방족 사슬(UHMWPE)의 경우보다 분열에 대한 내성을 향상시켰습니다. 금 스퍼터링의 경우 30초와 300초의 시간 주기를 불연속 및 연속 레이어의 대표적인 예로 결정했습니다[19, 36]. 150- 및 300-s 금 코팅이 있는 샘플에서 명백하기 때문에 절제 손실이 감소하여 PEEK 표면에서 금의 고정이 향상되었습니다.
플라즈마 처리 및 금 스퍼터링 시간에 따라 측정된 샘플의 물 접촉각 값은 표 2에 나와 있습니다. 플라즈마 처리 후 WCA는 79.5 ± 2.4°(수정되지 않은 원시 PEEK)에서 94.0 ± 5.5° 및 95.6 ± 2로 증가했습니다. (각각 60초 및 240초 동안 플라즈마로 처리된 PEEK). 플라즈마 처리 후 WCA 값의 차이는 값의 편차에 비해 무시할 수 있습니다. WCA는 Au 코팅과 함께 감소하고 표면은 플라즈마 처리된 샘플에 비해 더 친수성이 됩니다.
폴리머 표면의 원소 농도(6~8개 원자층의 접근 가능한 깊이)는 XPS 방법으로 조사되었습니다. 결과는 표 2에 요약되어 있습니다. XPS 데이터는 깨끗한 PEEK, 플라즈마 처리된 샘플 및 플라즈마 처리된 샘플에 이어 Au 코팅으로 얻은 것입니다. XPS 측정에서 장기간 치료에 따라 산소 농도가 증가했음을 알 수 있습니다. 이것은 아마도 산소 함유 그룹의 폴리머 볼륨으로의 재배향으로 인해 발생했을 것입니다[37,38,39]. 플라스마 처리 직후 그룹의 배향이 발생한다는 것이 입증되었습니다. 따라서 샘플의 "노화 과정"에서 샘플의 표면에 변화가 발생합니다. 이러한 이유로 샘플의 "노화" 상태가 안정화된 플라즈마 처리 후 14일 동안 샘플을 측정했습니다[40, 41]. 장기간의 플라즈마 처리로 산소 농도가 증가했습니다. 폴리머 표면은 표면에 라디칼 사이트가 생성되면서 더 강한 플라즈마 방전에 의해 파괴됩니다. 플라즈마 전력이 높을수록 폴리머 변형이 더 두드러집니다. 이러한 부위는 공기 중에 존재하는 산소와 반응하여 처리된 표면의 산소 농도를 증가시킵니다[42, 43]. 금 스퍼터링 후 산소 농도는 금 층을 희생시키면서 감소합니다. 금의 농도는 스퍼터링 시간이 짧을수록 증가했으며, 이때 표면이 크게 부서지지 않았습니다.
그림 1은 AFM으로 얻은 PEEK 표면 형태를 보여줍니다. 플라즈마 처리는 노출 시간(60초 및 240초) 모두에 대해 PEEK 표면에서 감지 가능한 변화를 일으켰지만 예상대로 플라즈마에 더 오래 노출되면 표면이 더 거칠어져서 샘플의 금속화에 차이가 발생했습니다. 더 오랜 시간 동안 플라즈마 처리된 샘플은 더 잘 정의된 금속 클러스터를 형성했습니다. 이 효과는 특히 두꺼운(300초 동안 스퍼터링된) 금층과 매우 얇은(30초 동안 스퍼터링된) 금 층이 있는 샘플에서 분명했습니다. 짧은 기간(60초) 동안 플라즈마 처리된 샘플은 더 크고 불규칙한 클러스터를 더 적게 형성했습니다. 30초 동안만 스퍼터링된 층의 경우 240초 동안 플라즈마 처리된 기판에서만 금속 클러스터를 쉽게 식별할 수 있었습니다. 예상대로 클러스터 크기와 표면 거칠기는 일반적으로 골드 스퍼터링 시간이 길어질수록 증가합니다. 이 동작은 XPS 측정과 잘 일치합니다. 30초 동안 금속으로 스퍼터링된 샘플은 이미 표면의 대부분이 금속으로 덮여 있었고 추가 스퍼터링은 클러스터의 대부분 수직 성장을 유발했습니다. 따라서 금 농도에 큰 영향을 미치지 않았으며 여전히 부분적으로 덮이지 않은 폴리머 표면을 남겼습니다. 또한 플라즈마 처리 기간에 따른 클러스터 모양의 차이도 XPS 소견과 잘 일치하였다. 짧은 기간(60초) 동안 플라즈마로 처리된 샘플의 불규칙한 큰 클러스터는 PEEK 표면의 비교적 많은 부분을 덮었습니다. 따라서 XPS에 의해 결정된 금 농도는 약간 증가했습니다. 두께가 다른 금속 층으로 스퍼터링된 깨끗한 재료 사이의 형태학적 차이는 폴리-l-락트산(PLLA)[44] 및 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)[45]에 대해 얻은 데이터와 비교할 수 있습니다. 깨끗한 PTFE는 매우 거친 표면을 가지고 있습니다. 따라서 우리는 작은 금속 클러스터의 형성이 아니라 표면 거칠기의 일반적인 감소를 관찰했습니다. 이것은 스퍼터링된 금속이 "피크"에 남아 있기 위해 폴리머 표면의 "골짜기"를 채우는 것을 선호하는 현상에 의해 발생합니다. 반면에 PLLA 표면은 PEEK의 구조와 유사한 구조의 과립화 및 형성이 증가했지만 규칙성은 낮습니다. 이러한 데이터는 스퍼터링된 폴리머에서 규칙적인 입상 구조의 형성이 폴리머 표면의 규칙성에 크게 영향을 받는다는 것을 시사합니다. 따라서 PEEK(PEEK, PLLA, PTFE 중 표면 거칠기가 가장 작은 폴리머)는 표면에 가장 규칙적인 금속 클러스터를 형성할 수 있습니다.
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깨끗한 PEEK, 60초 및 240초 동안 플라즈마 처리(pl), 30초, 150초 및 300초 동안 스퍼터링된 금(Au) 처리된 PEEK의 AFM 이미지
동전기 분석은 표면 개질의 개별 단계 후 PEEK 표면 화학 및 전하의 변화를 보여주었습니다. 첫 번째 단계에서 플라즈마 처리는 PEEK 표면에 새로운 극성 그룹을 생성하여 제타 전위를 증가시켰습니다[19, 25,26,27]. 두 번째 수정에서 샘플 표면의 금 클러스터 증착은 표면 화학 및 제타 전위에도 영향을 미쳤습니다(그림 2). 폴리머 표면에 금속이 존재하기 때문에 표면 전하 변화의 효과는 전자 축적이라는 중요한 역할을 합니다[27, 46]. 우리는 또한 신선 샘플과 "노화" 샘플에 대해 서로 다른 제타 전위를 관찰했습니다. 다른 농도의 이온에 의해 주어진 PBS에서 측정된 제타 전위에 대해 더 극적인 변화가 감지되었습니다. KCl 용액에서 KCl의 농도는 0.001mol L −1 입니다.; PBS에서 이온 농도는 3차 더 높습니다. PBS에서 더 높은 농도의 이온은 전기 이중층을 누르게 하고 제타 전위(절대값)를 감소시킵니다[27, 46]. 따라서 훨씬 더 높은 이온 농도는 음에서 양의 값으로조차 표면 전하의 변화를 일으켰습니다. 따라서 PBS 용액에서 결정된 PEEK 제타 전위의 변화는 더 극적이고 표면 화학 및 전하의 변화가 더 두드러졌습니다. 따라서 플라스마 처리 및 후속 Au 증착은 플라스마 처리의 길이와 Au 증착에 따라 달라지는 폴리머 표면 화학 및 전하의 극적인 변화를 초래한다는 것이 분명합니다. 이 결과는 수행된 다른 분석을 확인했습니다.
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플라즈마 처리된 PEEK(60 및 240초) 및 Au 스퍼터링(30, 150 및 300초, 전류 40mA) PEEK 샘플의 1mM KCl 용액(녹색 열)의 제타 전위 - 신선한 샘플; 갈색 기둥 —노화 샘플) 및 PBS 용액(회색 열) )
세포 배양 동안 배양 배지로 방출되는 금의 농도를 결정하기 위해 우리는 이러한 조건을 시뮬레이션하기 위해 PBS의 간단한 수성 시스템을 사용했습니다. 정적 배양 6시간(세포 부착 시간) 및 72시간(세포 증식) 후 PBS로 방출된 금을 ICP-MS로 측정하고 그 결과를 표 3에 요약했습니다. PBS는 세포 배양 배지와 동일한 pH 및 삼투압 농도를 가집니다.; 따라서 ICP-MS 측정에 사용되었습니다. 한편으로 PBS는 단순화된 시스템입니다. 다른 한편으로는 완전한 세포 배양 배지의 경우와 같이 ICP-MS 측정을 잠재적으로 방해하는 구성 요소가 없습니다. PBS로 방출된 Au의 농도는 300초 동안보다 30초 동안 Au로 코팅된 PEEK 샘플에서 더 높았습니다. 이것은 금 층의 불연속적인 특성으로 인해 더 빨리 용해되는 작은 금 덩어리를 형성할 수 있기 때문일 수 있습니다[47]. PEEK/240/300보다 샘플 PEEK/60/300에서 금이 더 많이 방출되었는데, 그 이유는 표면이 덜 절제되어 있고 금이 덜 고정되어 있기 때문입니다.
다음 단계에서는 폴리머의 표면 개질이 내피 세포 접착을 촉진할 수 있는지 여부를 조사했습니다. PEEK 표면은 플라즈마 처리와 금 스퍼터링에 의해 활성화되었습니다. PEEK 세포적합성은 그림 3과 같이 세포 부착(6시간) 및 증식(24시간 및 72시간) 결과를 기반으로 결정되었습니다. 각 두 개의 열(PEEK/혈장(ab) 및 PEEK/(ab) /Au(cde))는 한 샘플의 두 절반을 나타냅니다. 깨끗한 PEEK와 대조군 조직 배양 폴리스티렌(TCPS)에서 자라는 L929 세포 수의 차이는 측정 오차 범위에 있습니다. 샘플 표면에 세포를 파종한 후 6시간 후에 세포 접착을 모니터링했습니다. 처리된 샘플과 비교할 때 깨끗한 PEEK의 세포 수가 증가했음이 분명합니다. 세포 성장 24시간 후 우리는 세포가 새로운 환경에 적응할 때 지연 단계로 인해 발생할 수 있는 세포 수의 아주 약간의 증가만 관찰했습니다[48]. 파종 후 72시간 후에 다른 측정된 샘플과 비교할 때 30초(60초 및 240초 혈장 처리) 동안 증착된 샘플에서 매우 적은 수의 세포 성장이 있었음이 분명합니다. 이 값은 금이 PBS로 가장 많이 방출된 ICP-MS 측정 결과와 일치합니다. 이 경우 PEEK에 증착된 Au 레이어(30초 동안)는 불연속적인 특성을 가졌습니다[36]. 따라서 Au 클러스터는 세포 배양 배지로 방출될 수 있습니다. 이 과정에서 배지는 배양된 세포에 독성이 될 수 있습니다. (플라즈마 처리된 샘플과 비교하여) 금 층에서 가장 많이 성장하는 세포 수는 금 층이 연속적인 샘플 PEEK/pl 60s/150s에서 관찰되었습니다. 다음으로, 파종 후 72시간 후, L929 세포 성장에 가장 적합한 환경은 60초 또는 240초 동안 플라즈마 처리한 샘플에 300초 동안 금으로 코팅한 것입니다. 이 샘플의 Au 층도 연속적이었습니다[36]. ICP-MS의 데이터에 따르면, 아주 적은 양의 Au만이 세포 배양 배지로 방출되었습니다. 그러나 이 방출된 금은 플라즈마 처리된 표면에서 세포 증식을 증가시키는 원인일 가능성이 높습니다.
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플라즈마 처리(60 및 240초) 및 Au 스퍼터링(30, 150 및 300초) 영역의 금 인터페이스가 있는 TCPS, 깨끗한 PEEK 및 PEEK에서 6, 24, 72시간 배양 후 L929 세포 수
세포 형태와 세포 간 연결을 더 자세히 평가하기 위해 테스트 된 기질에서 자라는 L929 세포의 고해상도 주사 전자 현미경을 수행했습니다. 결과는 그림 4에 나와 있습니다. SEM 분석의 스캔은 깨끗한 PEEK 및 플라즈마 처리 및 금 코팅된 PEEK 및 대조군 역할을 하는 유리 커버슬립에서 72시간의 세포 성장 후에 수행되었습니다(일반적으로 사용 SEM 분석 [49] 및 면역형광 연구 [29]). 그림 4에서 깨끗한 PEEK, PEEK에서 60초(후반부는 300초 Au) 및 240초(후반부는 150초 및 300초 Au) 동안 플라즈마 처리한 세포와 유리 커버슬립에서 성장하는 세포가 분명합니다. 72시간 배양 후 비슷한 모양을 가졌습니다. 세포는 플라즈마 처리된 표면에 완전히 퍼져 있었고 이 세포층 위에는 증식하는 세포의 새로운 층이 형성되어 있습니다. PEEK/60(후반부는 150s Au) 및 PEEK/240/30s Au 샘플의 표면은 환경이 세포 증식에 적합하지 않음에도 불구하고 세포가 구형 형태를 가졌습니다. 가장 둥근 세포는 PEEK/240/300 s Au에서 관찰되었으며, 이는 그림 3에 제시된 데이터와 완전히 상관관계가 있습니다.
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깨끗한 PEEK에서 72시간 동안 배양된 L929 세포의 SEM 이미지, 플라즈마 처리된 PEEK(60초 및 240초), 금 코팅된 부분이 30초 및 300초 동안 스퍼터링되었습니다(현미경 유리 커버슬립이 대조군으로 사용됨). 스케일 바 10μm에 해당
우리는 세포 접착력과 성장이 개선된 물질을 만들기 위해 PEEK 수정의 두 가지 다른 방법을 비교했습니다. 얻은 결과는 개별 수정 단계 후 표면 특성의 다양한 변화를 확인했습니다. 사용된 두 가지 변형 방법 모두 표면 화학, 형태, 습윤성 및 전하의 변화를 가져왔습니다. 240초 동안의 플라즈마 처리는 60초 동안의 처리보다 PEEK의 체중 감소가 최대 2배 더 높았습니다. PEEK 표면의 젖음성은 플라즈마 처리에 의해 크게 변하지 않았습니다. XPS 측정은 플라즈마 처리 시간이 증가할수록 PEEK 표면의 탄소 농도가 감소하는 반면 산소 농도는 증가한다는 일반적인 사실을 확인했습니다. 증착된 금막의 두께는 60초 동안 플라즈마 처리 후 더 두꺼워졌습니다. 금 스퍼터링은 PEEK의 표면 젖음성을 증가시켰습니다. XPS 분석 결과는 플라즈마 처리된 샘플(60초 및 240초)에 대해 동일한 경향을 보여주었으며 탄소 및 산소 농도는 증착 시간이 증가함에 따라 감소하여 금 농도 증가에 유리했습니다. AFM 이미지는 또한 XPS 측정을 확인했으며, 특히 불규칙한 큰 클러스터가 PEEK 표면의 비교적 큰 부분을 덮은 60초 동안 플라즈마 처리 및 300초 동안 금 코팅된 샘플에 대해 확인했습니다. 따라서 금 농도가 약간 증가했습니다. 또한 얇고 두꺼운 금층을 가진 샘플은 세포 증식에 적합하지 않다는 것이 발견되었습니다.
이 연구는 플라즈마 처리가 깨끗한 것과 비교하여 PEEK의 세포 적합성을 향상시킨다는 것을 보여줍니다. 또한 플라즈마 처리는 금이 세포 배양 배지로 방출될 때 금 스퍼터링보다 세포 성장을 위한 고분자 변형에 더 나은 방법입니다.
원자력 현미경
이산화탄소
4',6-디아미니도-2-페닐인돌 디히드로클로라이드
Dulbecco의 수정된 Eagle 배지
태아 소 혈청
Inductively coupled plasma mass spectrometry
Potassium chloride
Mouse embryonic fibroblasts
Phosphate-buffered saline
Polyetheretherketone
Polyglycolide
Polyhydroxybutyrate
Poly(l-lactide)
Polymethylmethacrylate
Polytetrafluorethylene
Scanning electron microscopy
Tissue culture polystyrene
Ultra-high-molecular-weight polyethylene
Water contact angle
X-ray photoelectron spectroscopy
나노물질
항공우주 및 항공 회사는 장비 및 구성 요소에 대한 고유한 문제에 직면해 있습니다. 첫째, 기능을 안정적이고 효율적으로 수행하는 매우 복잡하고 정밀한 부품이 필요합니다. 또한 이러한 구성 요소는 성능에 영향을 줄 수 있는 극심한 환경 스트레스를 경험할 수 있습니다. 극한의 온도 차이에서 부식성 요소에 이르기까지 구성 요소는 이러한 응력을 견디고 중요한 기능을 수행할 때 부품 고장을 유발할 수 있는 부식 및 마모에 저항하도록 설계되어야 합니다. 정밀 주조 및 표면 처리 솔루션은 항공우주 주조에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 기술은
표면 연삭은 회전하는 숫돌을 사용하여 재료의 표면을 매끄럽게 하고 금속 또는 비금속 재료의 표면을 매끄럽게 하여 보다 세련되게 보이게 하는 마무리 공정입니다. 연삭 휠의 표면에 가장 일반적으로 사용되는 연마 재료는 알루미나, 탄화규소, 다이아몬드 및 입방정 질화붕소(CBN)입니다. 표면 연삭 유형 표면 그라인더 및 작업대의 구조적 특성 및 구성에 따라 표면 그라인더는 수평 스핀들 왕복 테이블 표면 연삭, 수평 스핀들 회전 테이블 표면 연삭, 수직 스핀들 왕복 테이블 표면 연삭, 수직 스핀들 왕복 테이블 표면 연삭의 4 가지
