Melhoria da Adesão Celular em Polieterectercetona (PEEK) através de Revestimento de Ouro e Tratamento com Plasma de Argônio

Resumo

O polieterectercetona (PEEK) oferece estabilidade química excepcional e compatibilidade biomecânica para implantes biomédicos, mas sua superfície hidrofóbica e bioinerte dificulta a adesão celular. Neste estudo, exploramos o efeito sinérgico da ativação por plasma de argônio e revestimento por sputtering de ouro em superfícies de PEEK para criar uma interface nanoestruturada que promove adesão e espalhamento de fibroblastos embrionários de camundongo. Propriedades de superfície — polaridade, química e topografia — foram quantificadas por gravimetria, goniometria, espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS), análise eletrocinética e microscopia de força atômica (AFM). Respostas celulares foram avaliadas através de ensaios de adesão, imagem de fluorescência e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Resultados indicam que a exposição ao plasma gera grupos polares e aumenta oxigênio na superfície, enquanto a deposição de ouro aumenta ainda mais a molhabilidade e introduz uma camada metálica nanoestruturada. Notavelmente, a espessura do revestimento de ouro correlaciona-se diretamente com a melhoria da adesão celular, e camadas contínuas de ouro de 150–300 s de deposição fornecem o ambiente mais favorável para proliferação de fibroblastos. Estas descobertas apoiam a abordagem combinada plasma-ouro como estratégia viável para melhorar o desempenho biológico do PEEK em aplicações de implantes ortopédicos e espinhais.

Introdução

A degeneração articular relacionada à idade leva a fraturas, artrite e tumores ósseos, impulsionando a demanda por implantes ortopédicos confiáveis. Ligas metálicas tradicionais como titânio e cobalto-cromo são favorecidas por sua resistência e resistência à corrosão, mas seu alto módulo frequentemente resulta em blindagem de tensão e subsequente reabsorção óssea. Alternativas poliméricas — UHMWPE, PTFE, PMMA, PLA, PGA, PHB — são amplamente usadas mas geralmente carecem da robustez mecânica necessária para aplicações de carga. O polieterectercetona (PEEK), um termoplástico aromático semicristalino, preenche esta lacuna ao oferecer módulo próximo ao osso cortical, excelente estabilidade química e térmica, e biocompatibilidade comprovada. No entanto, sua hidrofobicidade e bioinércia inerentes limitam adsorção de proteínas e adesão celular, necessitando estratégias de modificação de superfície.

O tratamento de superfície pode ser alcançado através de ativação por plasma ou sputtering de metal. O tratamento com plasma introduz espécies reativas que alteram a química de superfície sem comprometer propriedades do bulk, enquanto o sputtering de ouro fornece uma camada biologicamente ativa que melhora a adesão celular e serve como plataforma para funcionalização adicional. Em particular, nanopartículas de ouro abaixo de 100 nm são conhecidas por aumentar adesão e proliferação celular. O presente trabalho investiga a combinação de ativação por plasma de argônio e sputtering de ouro para fabricar uma superfície de PEEK nanoestruturada otimizada para crescimento de fibroblastos, com implicações potenciais para implantes espinhais e ortopédicos.

Métodos

Materiais e Modificações de Superfície

Folhas de PEEK (50 µm espessura, densidade 1.26 g cm⁻³) foram obtidas da Goodfellow Ltd. Cada amostra de 2 cm de diâmetro foi primeiro exposta a plasma de argônio (Balzers SCD 050) por 60 s ou 240 s a 8.3 W. Subsequentemente, metade de cada amostra foi revestida com ouro usando sputtering de plasma de argônio DC (corrente 40 mA, 15 W) por 30 s, 150 s ou 300 s, alcançando camadas de ouro de 30–300 s de tempo de deposição. Amostras foram armazenadas a 24 °C, 40–60% umidade até teste.

Caracterização de Superfície

Gravimetria

Espessura de ouro foi quantificada por ganho de massa medido com microbalança Mettler Toledo UMX2, usando densidade bulk do ouro. Dez replicatas por condição renderam <15% erro de medição.

Ângulo de Contato com Água

Molhabilidade foi medida usando Sistema de Análise de Forma de Gota DSA 100. Gotas de 2 µL foram colocadas em amostras envelhecidas (14 dias) e ângulos de contato registrados após atraso de 2 s. Cada amostra foi medida pelo menos sete vezes em três replicatas, e média ± DP reportada.

Espectroscopia de Fotoelétrons de Raios X

Espectros XPS foram obtidos com espectrômetro Omicron ESCAProbeP. Área de 2 × 3 mm² foi analisada sob vácuo ultra-leve, focando em picos C 1s, O 1s e Au 4f. Três medições independentes por amostra forneceram <10% erro.

Potencial Zeta

Potencial eletrocinético foi medido em KCl 1 mM e tampão fosfato salino (PBS, pH 7.4) usando Anton Paar SurPASS. Pares de duas películas (20 × 10 mm²) foram colocados em célula de espaçamento 100 µm. Corrente de streaming foi registrada três vezes por amostra, e equação de Helmholtz-Smoluchowski aplicada. Todas as medições foram realizadas em amostras envelhecidas 14 dias.

Microscopia de Força Atômica

Imagens AFM (Bruker VEECO CP II) em modo tapping com pontas RTESPA-CP revelaram morfologia de superfície sobre regiões 1 × 1 µm². Múltiplas varreduras confirmaram reprodutibilidade. Amostras foram envelhecidas 14 dias.

Espectrometria de Massas com Plasma Acoplado Indutivamente

Lixiviação de ouro em PBS (pH 7.4) foi quantificada por ICP-MS (Agilent 8800). Amostras foram incubadas a 37 °C por 6, 24 e 72 h em 5% CO₂ umidificado. Lixiviados foram diluídos 1:8 e analisados com <3% incerteza.

Cultura Celular e Testes de Citocompatibilidade

Fibroblastos embrionários de camundongo (L929) foram cultivados em DMEM com 10% FBS e 2 mM L-glutamina a 37 °C, 5% CO₂. Discos de PEEK esterilizados foram montados em placas de 12 poços; 30.000 células por poço foram semeadas. Adesão celular foi avaliada a 6 h, enquanto proliferação foi monitorada a 24 h e 72 h. Experimentos foram realizados em triplicata.

Microscopia de Fluorescência

Após incubação, células foram fixadas com 4% formaldeído, coradas para F-actina (phalloidina-Atto 565) e núcleos (DAPI), e imagens capturadas. Imagens foram capturadas em amostras envelhecidas 14 dias.

Microscopia Eletrônica de Varredura

MEV (Tescan LYRA3 GMU) em modo de elétrons secundários visualizou morfologia celular em PEEK puro, PEEK tratado com plasma/revestido com ouro, e lamínulas de vidro (controle). Células foram fixadas com solução Karnovsky, desidratadas através de etanol graduado, revestidas com 10 nm ouro, e imagens com barras de escala de 10 µm.

Resultados e Discussão

Todas as análises foram conduzidas em amostras envelhecidas 14 dias para capturar o estado de superfície estabilizado pós-plasma e deposição de ouro. O tratamento com plasma induziu aumento moderado na rugosidade superficial e gerou grupos funcionais polares, como evidenciado por dados de AFM e XPS. Notavelmente, ângulos de contato aumentaram ligeiramente após exposição ao plasma (de 79.5° para ~95°) mas diminuíram substancialmente após revestimento de ouro, indicando hidrofilicidade aumentada.

Medidas gravimétricas revelaram aumento de 2 vezes na ablação de PEEK quando exposição ao plasma foi estendida de 60 s para 240 s, refletindo maior entrada de energia. Inversamente, sputtering de ouro a 150 s e 300 s resultou em camadas contínuas que melhoraram a adesão do ouro ao polímero.

Análise XPS mostrou tendência clara: tratamento com plasma reduziu conteúdo de carbono na superfície enquanto aumentou oxigênio, confirmando introdução de grupos polares. Subsequente deposição de ouro diminuiu sinais de oxigênio e elevou sinais de ouro, com assinaturas de ouro mais fortes observadas para amostras sputterizadas 300 s.

Imagens AFM demonstraram que exposição ao plasma mais longa produziu superfície mais rugosa, que por sua vez facilitou formação de aglomerados de ouro maiores e mais uniformes durante sputtering. Camadas de ouro de 30 s formaram ilhas descontínuas, enquanto revestimentos de 150 s e 300 s produziram filmes contínuos com rugosidade aumentada.

Medidas de potencial zeta revelaram que ativação por plasma elevou a carga superficial (mais negativa) em ambos KCl e PBS, enquanto revestimento de ouro deslocou o potencial para valores menos negativos ou ligeiramente positivos. O efeito foi mais pronunciado em PBS devido à maior força iônica, indicando que a química de superfície projetada é responsiva a condições fisiológicas.

Dados ICP-MS indicaram que camadas finas de ouro (30 s) liberaram maiores concentrações de ouro em PBS, provavelmente devido à sua natureza descontínua. Em contraste, revestimentos contínuos de 300 s liberaram ouro negligenciável, reduzindo potencial citotoxicidade.

Ensaios celulares confirmaram desempenho superior de PEEK tratado com plasma e revestido com ouro. A 6 h, adesão celular em PEEK puro foi comparável a plástico de cultura de tecido, mas adesão em superfícies tratadas com plasma aumentou. Após 72 h, os melhores resultados foram observados para 60 s plasma + 300 s ouro e 240 s plasma + 300 s ouro, onde filmes contínuos de ouro forneceram substrato propício para proliferação de fibroblastos. Camadas finas de ouro (30 s) renderam as menores contagens celulares, correlacionando com maior lixiviação de ouro.

Imagens de MEV corroboraram estes achados, mostrando fibroblastos bem espalhados e alongados nas superfícies otimizadas, enquanto células em camadas finas de ouro exibiram morfologias arredondadas indicativas de adesão pobre.

Conclusões

Ativação por plasma de argônio seguida por sputtering de ouro efetivamente adapta superfícies de PEEK para uso biomédico. Exposição ao plasma por 240 s dobra ablação superficial e introduz grupos polares, enquanto camadas de ouro de 150–300 s depositam filmes nanoestruturados contínuos que melhoram significativamente molhabilidade, carga superficial e adesão de fibroblastos. Camadas finas de ouro são inadequadas devido a maior liberação de metal e redução de proliferação celular. Em geral, a abordagem combinada plasma-ouro produz material PEEK com citocompatibilidade aumentada, adequado para aplicações de implantes ortopédicos e espinhais.

Abreviações

AFM:

Microscopia de força atômica

CO₂:

Dióxido de carbono

DAPI:

4′,6-Diamidino-2-fenilindol dihidrocloreto

DMEM:

Meio modificado de Eagle de Dulbecco

FBS:

Soro fetal bovino

ICP-MS:

Espectrometria de massas com plasma acoplado indutivamente

KCl:

Cloreto de potássio

L929:

Fibroblastos embrionários de camundongo

PBS:

Salino fosfato tamponado

PEEK:

Polieterectercetona

PGA:

Poliglicolida

PHB:

Polihidroxibutirato

PLA:

Poli(l-lactida)

PMMA:

Polimetilmetacrilato

PTFE:

Politetrafluoretileno

SEM:

Microscopia eletrônica de varredura

TCPS:

Poliestireno de cultura de tecido

UHMWPE:

Polietileno de ultra-alto peso molecular

WCA:

Ângulo de contato com água

XPS:

Espectroscopia de fotoelétrons de raios X