金涂层与氩等离子体处理协同增强PEEK细胞粘附

摘要

聚醚醚酮（PEEK）凭借卓越化学稳定性和生物力学相容性成为生物医学植入材料首选，但其疏水惰性表面阻碍细胞附着。本研究探讨氩等离子体活化与金溅射涂层对PEEK表面的协同效应，构建促进小鼠胚胎成纤维细胞粘附铺展的纳米结构界面。通过重量法、接触角测量、X射线光电子能谱（XPS）、电动势分析、原子力显微镜（AFM）量化表面极性、化学性、形貌。细胞响应经粘附实验、荧光成像、扫描电镜（SEM）评估。结果显示：等离子体处理生成极性基团、增加表面氧含量；金沉积进一步增强润湿性并引入纳米结构金属层。金涂层厚度与细胞粘附改善直接相关，150-300 s沉积形成的连续金层为成纤维细胞增殖提供最优环境。该等离子体-金组合策略有望提升PEEK在骨科和脊柱植入中的生物学性能。

研究背景

老龄化导致关节退变、骨折、关节炎、骨肿瘤，推动骨科植入需求。钛合金、钴铬合金等传统金属虽强度高、耐腐蚀，但高模量常导致应力遮挡引起骨吸收。聚合物替代品（UHMWPE、PTFE、PMMA、PLA、PGA、PHB）广泛应用但普遍缺乏承载所需力学强度。PEEK作为半结晶芳香族热塑性塑料，模量接近皮质骨，具优异化学热稳定性和生物相容性，填补空白。但其固有疏水性和生物惰性限制蛋白吸附和细胞粘附，需表面改性。等离子体处理引入活性物种改变表面化学不损伤体相；金溅射提供生物活性层增强细胞附着并作为进一步功能化平台。特别是<100 nm金纳米颗粒能促进细胞粘附增殖。本工作研究氩等离子体活化与金溅射结合，制备针对成纤维细胞生长优化的纳米结构PEEK表面，对脊柱骨科植入有潜在意义。

研究方法

材料与表面改性

Goodfellow提供50 μm厚PEEK箔（密度1.26 g/cm³）。直径2 cm样品先经氩等离子体（Balzers SCD 050）处理60 s或240 s（8.3 W）。随后半数样品经直流氩等离子体溅射（40 mA, 15 W）镀金30 s、150 s、300 s，得30-300 s沉积时长金层。样品24°C、40-60%湿度下存放至测试。

表面表征

重量法

用Mettler Toledo UMX2微量天平测质量增量计算金厚度，用金体密度换算。每工况10次平行，误差<15%。

水接触角

Drop Shape Analysis System DSA 100测润湿性。2 μL液滴置于老化14天样品上，2 s延迟后记接触角。每样品3重复至少7次测量，报均值±标准差。

X射线光电子能谱

Omicron ESCAProbeP谱仪获取XPS谱。2×3 mm²区域超高真空分析，聚焦C 1s、O 1s、Au 4f峰。每样品3次独立测量，误差<10%。

Zeta电位

Anton Paar SurPASS在1 mM KCl和磷酸缓冲液（PBS, pH 7.4）中测电动势。两片膜（20×10 mm²）置于100 μm间隙池。流动电流每样品记3次，用Helmholtz-Smoluchowski方程计算。均在14天老化样品上进行。

原子力显微镜

Bruker VEECO CP II轻敲模式，RTESPA-CP探针，1×1 μm²区域成像。多次扫描确认重现性。样品14天老化。

电感耦合等离子体质谱

Agilent 8800 ICP-MS定量PBS（pH 7.4）中金析出。样品37°C、5% CO₂湿润培养6、24、72 h。浸出液1:8稀释分析，不确定度<3%。

细胞培养与细胞相容性测试

小鼠胚胎成纤维细胞（L929）在含10% FBS、2 mM L-谷氨酰胺的DMEM中培养，37°C、5% CO₂。灭菌PEEK圆片置于12孔板，每孔种30,000细胞。6 h评估粘附，24 h和72 h监测增殖。三重复实验。

荧光显微镜

孵育后4%甲醛固定，荧光素标记F-肌动蛋白（phalloidin-Atto 565）和DAPI染核成像。14天老化样品拍摄。

扫描电镜

Tescan LYRA3 GMU二次电子模式观察原始PEEK、等离子体/金处理PEEK、玻片对照组细胞形态。Karnovsky固定、梯度乙醇脱水、10 nm金喷涂、10 μm标尺成像。

结果与讨论

所有分析基于14天老化样品以捕捉等离子体和金沉积后稳定表面态。等离子体处理适度增加表面粗糙度并生成极性官能团，AFM和XPS证实。值得注意的是等离子体后接触角略升（79.5°→~95°），但金涂层后大幅下降，表明亲水性增强。重量法显示等离子体时间从60 s增至240 s使PEEK蚀刻量翻倍，反映更高能量输入。相反150 s和300 s金溅射形成连续层改善金-聚合物粘附。XPS显示明确趋势：等离子体降低表面碳含量、增加氧，证实极性基团引入；后续金沉积降低氧信号、增强金信号，300 s溅射样品金信号最强。AFM显示长等离子体曝光产生更粗糙表面，进而促进溅射时形成更大更均匀金簇。30 s金层形成不连续岛层，150 s和300 s形成连续膜且粗糙度增加。Zeta电位显示等离子体活化使表面电荷更负（KCl和PBS中），金涂层使电位向少负或微正转变，PBS中效应更显著（离子强度高），表明工程表面化学响应生理条件。ICP-MS显示薄金层（30 s）向PBS释放较高金浓度，可能因不连续性；连续300 s涂层析金可忽略，降低潜在细胞毒性。细胞实验确认等离子体-金处理PEEK优势：6 h原始PEEK粘附与组织培养塑料相当，等离子体处理表面粘附增加；72 h最佳为60 s等离子体+300 s金和240 s等离子体+300 s金，连续金膜利于成纤维细胞增殖。薄金层（30 s）细胞计数最低，与高金析出相关。SEM佐证：优化表面上成纤维细胞伸展细长，薄金层上细胞圆钝显示粘附差。

结论

氩等离子体活化后金溅射有效改性PEEK表面用于生物医学。240 s等离子体使表面蚀刻量翻倍并引入极性基团；150-300 s金层沉积连续纳米结构膜显著改善润湿性、表面电荷和成纤维细胞粘附。薄金层因金析出高、细胞增殖差不适用。总体等离子体-金组合产生增强细胞相容性PEEK材料，适用于骨科和脊柱植入应用。

缩略语

AFM:

原子力显微镜

CO₂:

二氧化碳

DAPI:

4′,6-二脒基-2-苯基吲哚二盐酸盐

DMEM:

杜尔贝科改良鹰培养基

FBS:

胎牛血清

ICP-MS:

电感耦合等离子体质谱

KCl:

氯化钾

L929:

小鼠胚胎成纤维细胞

PBS:

磷酸缓冲液

PEEK:

聚醚醚酮

PGA:

聚乙醇酸

PHB:

聚羟基丁酸酯

PLA:

聚(L-乳酸)

PMMA:

聚甲基丙烯酸甲酯

PTFE:

聚四氟乙烯

SEM:

扫描电镜

TCPS:

组织培养聚苯乙烯

UHMWPE:

超高分子量聚乙烯

WCA:

水接触角

XPS:

X射线光电子能谱