Mejora de la Adhesión Celular en Poliéter Éter Cetona (PEEK) mediante Recubrimiento de Oro y Tratamiento con Plasma de Argón

Resumen

El poliéter éter cetona (PEEK) ofrece estabilidad química excepcional y compatibilidad biomecánica para implantes biomédicos, sin embargo, su superficie hidrofóbica y bioinerte dificulta la adhesión celular. En este estudio, exploramos el efecto sinérgico de la activación con plasma de argón y el recubrimiento por pulverización catódica de oro en superficies de PEEK para crear una interfaz nanoestructurada que promueve la adhesión y dispersión de fibroblastos embrionarios de ratón. Las propiedades superficiales —polaridad, química y topografía— se cuantificaron por gravimetría, goniometría, espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), análisis electrocinético y microscopía de fuerza atómica (AFM). Las respuestas celulares se evaluaron mediante ensayos de adhesión, imagen de fluorescencia y microscopía electrónica de barrido (SEM). Los resultados indican que la exposición al plasma genera grupos polares y aumenta el oxígeno superficial, mientras que la deposición de oro mejora aún más la mojabilidad e introduce una capa metálica nanoestructurada. Notablemente, el espesor del recubrimiento de oro correlaciona directamente con la mejora de la adhesión celular, y capas continuas de oro de 150–300 s de deposición proporcionan el entorno más favorable para la proliferación de fibroblastos. Estos hallazgos respaldan el enfoque combinado plasma-oro como estrategia viable para mejorar el rendimiento biológico del PEEK en aplicaciones de implantes ortopédicos y espinales.

Introducción

La degeneración articular relacionada con la edad conduce a fracturas, artritis y tumores óseos, impulsando la demanda de implantes ortopédicos confiables. Las aleaciones metálicas tradicionales como titanio y cobalto-cromo son favorecidas por su resistencia y resistencia a la corrosión, sin embargo, su alto módulo a menudo resulta en apantallamiento de tensión y subsiguiente reabsorción ósea. Las alternativas poliméricas —UHMWPE, PTFE, PMMA, PLA, PGA, PHB— son ampliamente usadas pero generalmente carecen de la robustez mecánica requerida para aplicaciones de carga. El poliéter éter cetona (PEEK), un termoplástico aromático semicristalino, cierra esta brecha ofreciendo un módulo cercano al hueso cortical, excelente estabilidad química y térmica, y biocompatibilidad probada. Sin embargo, su hidrofobicidad inherente y bioinercia limitan la adsorción de proteínas y la adhesión celular, necesitando estrategias de modificación superficial.

El ajuste superficial puede lograrse mediante activación por plasma o pulverización catódica de metal. El tratamiento con plasma introduce especies reactivas que alteran la química superficial sin comprometer las propiedades del volumen, mientras que la pulverización de oro proporciona una capa biológicamente activa que mejora la adhesión celular y sirve como plataforma para funcionalización adicional. En particular, nanopartículas de oro por debajo de 100 nm se sabe que impulsan la adhesión y proliferación celular. El presente trabajo investiga la combinación de activación con plasma de argón y recubrimiento por pulverización catódica de oro para fabricar una superficie de PEEK nanoestructurada optimizada para el crecimiento de fibroblastos, con implicaciones potenciales para implantes espinales y ortopédicos.

Métodos

Materiales y Modificaciones Superficiales

Láminas de PEEK (50 µm espesor, densidad 1.26 g cm⁻³) se obtuvieron de Goodfellow Ltd. Cada muestra de 2 cm de diámetro se expuso primero a plasma de argón (Balzers SCD 050) por 60 s o 240 s a 8.3 W. Posteriormente, la mitad de cada muestra se recubrió con oro usando pulverización catódica de plasma DC de argón (corriente 40 mA, 15 W) por 30 s, 150 s, o 300 s, logrando capas de oro de 30–300 s de tiempo de deposición. Las muestras se almacenaron a 24 °C, 40–60% humedad hasta las pruebas.

Caracterización Superficial

Gravimetría

El espesor de oro se cuantificó por ganancia de masa medida con microbalanza Mettler Toledo UMX2, usando la densidad del oro en bulk. Diez réplicas por condición produjeron <15% error de medición.

Ángulo de Contacto de Agua

La mojabilidad se midió usando sistema de análisis de forma de gota DSA 100. Gotas de 2 µL se colocaron en muestras envejecidas (14 días) y los ángulos de contacto se registraron tras 2 s de retraso. Cada muestra se midió al menos siete veces en tres réplicas, reportándose media ± DE.

Espectroscopía de Fotoelectrones de Rayos X

Los espectros XPS se obtuvieron con espectrómetro Omicron ESCAProbeP. Un área de 2 × 3 mm² se analizó bajo vacío ultra-alto, enfocándose en picos C 1s, O 1s y Au 4f. Tres mediciones independientes por muestra proporcionaron <10% error.

Potencial Zeta

El potencial electrocinético se midió en KCl 1 mM y solución salina fosfatada (PBS, pH 7.4) usando Anton Paar SurPASS. Pares de dos películas (20 × 10 mm²) se colocaron en celda de 100 µm. La corriente de streaming se registró tres veces por muestra, aplicando la ecuación de Helmholtz-Smoluchowski. Todas las mediciones se realizaron en muestras envejecidas 14 días.

Microscopía de Fuerza Atómica

Imágenes AFM (Bruker VEECO CP II) en modo tapping con puntas RTESPA-CP revelaron morfología superficial en regiones 1 × 1 µm². Múltiples escaneos confirmaron reproducibilidad. Muestras envejecidas 14 días.

Espectrometría de Masas con Plasma Acoplado Inductivamente

La lixiviación de oro en PBS (pH 7.4) se cuantificó por ICP-MS (Agilent 8800). Las muestras se incubaron a 37 °C por 6, 24, y 72 h en 5% CO₂ humidificado. Los lixiviados se diluyeron 1:8 y analizaron con <3% incertidumbre.

Cultivo Celular y Pruebas de Citocompatibilidad

Fibroblastos embrionarios de ratón (L929) se cultivaron en DMEM con 10% FBS y 2 mM L-glutamina a 37 °C, 5% CO₂. Discos de PEEK esterilizados se montaron en placas de 12 pocillos; 30,000 células por pocillo se sembraron. La adhesión celular se evaluó a 6 h, mientras que la proliferación se monitorizó a 24 h y 72 h. Los experimentos se realizaron en triplicado.

Microscopía de Fluorescencia

Tras incubación, las células se fijaron con formaldehído 4%, teñidas para F-actina (faloidina-Atto 565) y núcleos (DAPI), e imagenadas. Imágenes capturadas en muestras envejecidas 14 días.

Microscopía Electrónica de Barrido

SEM (Tescan LYRA3 GMU) en modo electrón secundario visualizó morfología celular en PEEK prístino, PEEK tratado con plasma/recubierto de oro, y laminillas de vidrio (control). Las células se fijaron con solución Karnovsky, deshidrataron a través de etanol graduado, recubrieron con 10 nm oro, e imagenaron a barras de escala 10 µm.

Resultados y Discusión

Todos los análisis se condujeron en muestras envejecidas 14 días para capturar el estado superficial estabilizado post-plasma y deposición de oro. El tratamiento con plasma indujo un aumento moderado de rugosidad superficial y generó grupos funcionales polares, evidenciado por datos AFM y XPS. Notablemente, los ángulos de contacto aumentaron ligeramente tras exposición al plasma (de 79.5° a ~95°) pero disminuyeron sustancialmente tras recubrimiento de oro, indicando mayor hidrofilicidad.

Mediciones gravimétricas revelaron aumento 2-veces en ablación de PEEK cuando la exposición al plasma se extendió de 60 s a 240 s, reflejando mayor aporte energético. Por el contrario, la pulverización de oro a 150 s y 300 s resultó en capas continuas que mejoraron la adhesión del oro al polímero.

El análisis XPS mostró tendencia clara: el tratamiento con plasma redujo el contenido de carbono superficial mientras aumentaba el oxígeno, confirmando introducción de grupos polares. La subsiguiente deposición de oro disminuyó señales de oxígeno y elevó señales de oro, con las firmas de oro más fuertes en muestras pulverizadas 300 s.

Imágenes AFM demostraron que mayor exposición al plasma produjo superficie más rugosa, lo que a su vez facilitó la formación de clusters de oro más grandes y uniformes durante la pulverización. Las capas de oro de 30 s formaron islas discontinuas, mientras que recubrimientos de 150 s y 300 s produjeron películas continuas con rugosidad aumentada.

Mediciones de potencial zeta revelaron que la activación por plasma elevó la carga superficial (más negativa) en tanto KCl como PBS, mientras que el recubrimiento de oro desplazó el potencial hacia valores menos negativos o ligeramente positivos. El efecto fue más pronunciado en PBS debido a la mayor fuerza iónica, indicando que la química superficial ingenierada responde a condiciones fisiológicas.

Datos ICP-MS indicaron que capas delgadas de oro (30 s) liberaron concentraciones más altas de oro en PBS, probablemente por su naturaleza discontinua. En contraste, recubrimientos continuos de 300 s liberaron oro insignificante, reduciendo citotoxicidad potencial.

Los ensayos celulares confirmaron el rendimiento superior de PEEK tratado con plasma y recubierto de oro. A 6 h, la adhesión celular en PEEK prístino fue comparable a plástico de cultivo tisular, pero la adhesión en superficies tratadas con plasma aumentó. A 72 h, los mejores resultados se observaron para plasma 60 s + oro 300 s y plasma 240 s + oro 300 s, donde películas continuas de oro proveyeron sustrato propicio para proliferación de fibroblastos. Capas delgadas de oro (30 s) produjeron los conteos celulares más bajos, correlacionando con mayor lixiviación de oro.

Imágenes SEM corroboraron estos hallazgos, mostrando fibroblastos bien extendidos y alargados en superficies optimizadas, mientras que células en capas delgadas de oro exhibieron morfologías redondeadas indicativas de pobre adhesión.

Conclusiones

La activación con plasma de argón seguida de recubrimiento por pulverización catódica de oro adapta eficazmente superficies de PEEK para uso biomédico. La exposición al plasma por 240 s duplica la ablación superficial e introduce grupos polares, mientras que capas de oro de 150–300 s depositan películas nanoestructuradas continuas que mejoran significativamente la mojabilidad, carga superficial y adhesión de fibroblastos. Capas delgadas de oro son inadecuadas debido a mayor liberación de metal y reducción de proliferación celular. En general, el enfoque combinado plasma-oro produce un material PEEK con citocompatibilidad mejorada, adecuado para aplicaciones de implantes ortopédicos y espinales.

Abreviaturas

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

CO₂:

Dióxido de carbono

DAPI:

4′,6-Diamidino-2-fenilindol dihidrocloruro

DMEM:

Medio modificado de Eagle de Dulbecco

FBS:

Suero fetal bovino

ICP-MS:

Espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente

KCl:

Cloruro de potasio

L929:

Fibroblastos embrionarios de ratón

PBS:

Solución salina fosfatada

PEEK:

Poliéter éter cetona

PGA:

Poliglicólido

PHB:

Polihidroxibutirato

PLA:

Poli(l-lactida)

PMMA:

Polimetilmetacrilato

PTFE:

Politetrafluoroetileno

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

TCPS:

Poliestireno de cultivo tisular

UHMWPE:

Polietileno de ultra-alto peso molecular

WCA:

Ángulo de contacto de agua

XPS:

Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X