Amélioration de l'adhésion cellulaire sur polyetheretherketone (PEEK) par revêtement or et traitement plasma argon

Résumé

Le polyetheretherketone (PEEK) offre une stabilité chimique exceptionnelle et une compatibilité biomécanique pour les implants biomédicaux, pourtant sa surface hydrophobe et bioinerte entrave l'attachement cellulaire. Dans cette étude, nous avons exploré l'effet synergique de l'activation par plasma argon et du revêtement par pulvérisation d'or sur les surfaces de PEEK pour créer une interface nanostructurée qui favorise l'adhésion et l'étalement de fibroblastes embryonnaires de souris. Les propriétés de surface — polarité, chimie et topographie — ont été quantifiées par gravimétrie, goniométrie, spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS), analyse électrocinétique et microscopie à force atomique (AFM). Les réponses cellulaires ont été évaluées par des essais d'adhésion, imagerie par fluorescence et microscopie électronique à balayage (MEB). Les résultats indiquent que l'exposition au plasma génère des groupes polaires et augmente l'oxygène de surface, tandis que le dépôt d'or améliore davantage la mouillabilité et introduit une couche métallique nanostructurée. Notamment, l'épaisseur du revêtement d'or est directement corrélée à l'amélioration de l'adhésion cellulaire, et les couches d'or continues de 150–300 s de dépôt fournissent l'environnement le plus favorable pour la prolifération des fibroblastes. Ces résultats soutiennent l'approche combinée plasma-or comme stratégie viable pour améliorer la performance biologique du PEEK dans les applications d'implants orthopédiques et rachidiens.

Contexte

La dégénérescence articulaire liée à l'âge conduit à fractures, arthrite et tumeurs osseuses, stimulant la demande d'implants orthopédiques fiables. Les alliages métalliques traditionnels tels que le titane et le cobalt-chrome sont favorisés pour leur résistance et résistance à la corrosion, pourtant leur module élevé entraîne souvent un blindage de contrainte et une résorption osseuse subséquente. Les alternatives polymères — UHMWPE, PTFE, PMMA, PLA, PGA, PHB — sont largement utilisées mais manquent généralement de la robustesse mécanique requise pour les applications portantes. Le polyetheretherketone (PEEK), un thermoplastique aromatique semi-cristallin, comble ce fossé en offrant un module proche de l'os cortical, une excellente stabilité chimique et thermique, et une biocompatibilité prouvée. Cependant, son hydrophobie inhérente et sa bioinertie limitent l'adsorption de protéines et l'adhésion cellulaire, nécessitant des stratégies de modification de surface.

Le traitement de surface peut être réalisé par activation plasma ou pulvérisation métallique. Le traitement plasma introduit des espèces réactives qui modifient la chimie de surface sans compromettre les propriétés en volume, tandis que la pulvérisation d'or fournit une couche biologiquement active qui améliore l'attachement cellulaire et sert de plateforme pour une fonctionnalisation ultérieure. En particulier, les nanoparticules d'or inférieures à 100 nm sont connues pour stimuler l'adhésion et la prolifération cellulaire. Le présent travail étudie la combinaison de l'activation par plasma argon et du revêtement par pulvérisation d'or pour fabriquer une surface de PEEK nanostructurée optimisée pour la croissance des fibroblastes, avec des implications potentielles pour les implants rachidiens et orthopédiques.

Méthodes

Matériaux et modifications de surface

Des feuilles de PEEK (50 µm d'épaisseur, densité 1,26 g cm⁻³) provenaient de Goodfellow Ltd. Chaque échantillon de 2 cm de diamètre a d'abord été exposé au plasma argon (Balzers SCD 050) pendant 60 s ou 240 s à 8,3 W. Par la suite, la moitié de chaque échantillon a été revêtue d'or par pulvérisation cathodique en plasma argon DC (courant 40 mA, 15 W) pendant 30 s, 150 s ou 300 s, atteignant des couches d'or de 30–300 s de temps de dépôt. Les échantillons ont été stockés à 24 °C, 40–60 % d'humidité jusqu'aux tests.

Caractérisation de surface

Gravimétrie

L'épaisseur d'or a été quantifiée par le gain de masse mesuré avec une microbalance Mettler Toledo UMX2, en utilisant la densité massique de l'or. Dix répétitions par condition ont donné <15 % d'erreur de mesure.

Angle de contact à l'eau

La mouillabilité a été mesurée à l'aide d'un système d'analyse de forme de goutte DSA 100. Des gouttelettes de 2 µL ont été déposées sur des échantillons vieillis (14 jours) et les angles de contact enregistrés après un délai de 2 s. Chaque échantillon a été mesuré au moins sept fois sur trois répétitions, et la moyenne ± ET rapportée.

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

Les spectres XPS ont été obtenus avec un spectromètre Omicron ESCAProbeP. Une zone de 2 × 3 mm² a été analysée sous vide ultra-poussé, en se concentrant sur les pics C 1s, O 1s et Au 4f. Trois mesures indépendantes par échantillon ont fourni <10 % d'erreur.

Potentiel zêta

Le potentiel électrocinétique a été mesuré dans 1 mM KCl et tampon phosphate salin (PBS, pH 7,4) en utilisant un Anton Paar SurPASS. Des paires de deux films (20 × 10 mm²) ont été placées dans une cellule à gap de 100 µm. Le courant de streaming a été enregistré trois fois par échantillon, et l'équation de Helmholtz-Smoluchowski appliquée. Toutes les mesures ont été effectuées sur des échantillons vieillis 14 jours.

Microscopie à force atomique

L'imagerie AFM (Bruker VEECO CP II) en mode tapping avec sondes RTESPA-CP a révélé la morphologie de surface sur des régions de 1 × 1 µm². Plusieurs balayages ont confirmé la reproductibilité. Les échantillons étaient vieillis 14 jours.

Spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif

La lixiviation d'or dans le PBS (pH 7,4) a été quantifiée par ICP-MS (Agilent 8800). Les échantillons ont été incubés à 37 °C pendant 6, 24 et 72 h dans 5 % CO₂ humidifié. Les lixiviats ont été dilués 1:8 et analysés avec <3 % d'incertitude.

Culture cellulaire et tests de cytocompatibilité

Des fibroblastes embryonnaires de souris (L929) ont été cultivés en DMEM avec 10 % FBS et 2 mM L-glutamine à 37 °C, 5 % CO₂. Des disques PEEK stérilisés ont été montés dans des plaques à 12 puits ; 30 000 cellules par puits ont été ensemencées. L'adhésion cellulaire a été évaluée à 6 h, tandis que la prolifération a été surveillée à 24 h et 72 h. Les expériences ont été réalisées en triplicat.

Microscopie de fluorescence

Après incubation, les cellules ont été fixées avec 4 % de formaldéhyde, marquées pour F-actine (phalloïdine-Atto 565) et noyaux (DAPI), et imager. Les images ont été capturées sur des échantillons vieillis 14 jours.

Microscopie électronique à balayage

La MEB (Tescan LYRA3 GMU) en mode électrons secondaires a visualisé la morphologie cellulaire sur PEEK brut, PEEK traité plasma/revêtu or, et lamelles de verre (témoin). Les cellules ont été fixées avec la solution de Karnovsky, déshydratées par éthanol gradé, revêtues de 10 nm d'or, et imager à barres d'échelle de 10 µm.

Résultats et discussion

Toutes les analyses ont été menées sur des échantillons vieillis 14 jours pour capturer l'état de surface stabilisé post-plasma et dépôt d'or. Le traitement plasma a induit une augmentation modérée de la rugosité de surface et généré des groupes fonctionnels polaires, comme en témoignent les données AFM et XPS. Notamment, les angles de contact ont légèrement augmenté après l'exposition au plasma (de 79,5° à ~95°) mais ont diminué substantiellement après le revêtement d'or, indiquant une hydrophilie accrue.

Les mesures gravimétriques ont révélé une augmentation de 2 fois de l'ablation du PEEK lorsque l'exposition au plasma était étendue de 60 s à 240 s, reflétant l'apport d'énergie plus élevé. Inversement, la pulvérisation d'or à 150 s et 300 s a résulté en couches continues qui ont amélioré l'adhésion de l'or au polymère.

L'analyse XPS a montré une tendance claire : le traitement plasma a réduit le carbone de surface tout en augmentant l'oxygène, confirmant l'introduction de groupes polaires. Le dépôt d'or subséquent a diminué les signaux d'oxygène et élevé les signaux d'or, avec les signatures d'or les plus fortes observées pour les échantillons pulvérisés 300 s.

Les images AFM ont démontré qu'une exposition plasma plus longue produisait une surface plus rugueuse, ce qui facilitait à son tour la formation de plus gros agrégats d'or plus uniformes lors de la pulvérisation. Les couches d'or de 30 s formaient des îlots discontinus, tandis que les revêtements de 150 s et 300 s donnaient des films continus avec rugosité accrue.

Les mesures de potentiel zêta ont révélé que l'activation plasma augmentait la charge de surface (plus négative) dans le KCl et le PBS, tandis que le revêtement d'or déplaçait le potentiel vers des valeurs moins négatives ou légèrement positives. L'effet était plus prononcé dans le PBS en raison de la force ionique plus élevée, indiquant que la chimie de surface conçue est réactive aux conditions physiologiques.

Les données ICP-MS indiquaient que les fines couches d'or (30 s) libéraient des concentrations d'or plus élevées dans le PBS, probablement en raison de leur nature discontinue. En revanche, les revêtements continus de 300 s libéraient une quantité négligeable d'or, réduisant la cytotoxicité potentielle.

Les essais cellulaires ont confirmé la performance supérieure du PEEK traité plasma et revêtu d'or. À 6 h, l'adhésion cellulaire sur PEEK brut était comparable au plastique de culture tissulaire, mais l'adhésion sur les surfaces traitées plasma augmentait. Après 72 h, les meilleurs résultats ont été observés pour 60 s plasma + 300 s or et 240 s plasma + 300 s or, où les films d'or continus fournissaient un substrat propice à la prolifération des fibroblastes. Les fines couches d'or (30 s) donnaient les comptages cellulaires les plus bas, corrélés avec une lixiviation d'or plus élevée.

Les images MEB ont corroboré ces résultats, montrant des fibroblastes bien étalés, allongés sur les surfaces optimisées, tandis que les cellules sur les couches d'or minces présentaient des morphologies arrondies indiquant une adhésion médiocre.

Conclusions

L'activation par plasma argon suivie du revêtement par pulvérisation d'or adapte efficacement les surfaces de PEEK pour l'usage biomédical. L'exposition au plasma pendant 240 s double l'ablation de surface et introduit des groupes polaires, tandis que les couches d'or de 150–300 s déposent des films nanostructurés continus qui améliorent significativement la mouillabilité, la charge de surface et l'adhésion des fibroblastes. Les fines couches d'or sont inadaptées en raison de la libération métallique plus élevée et de la prolifération cellulaire réduite. Globalement, l'approche combinée plasma-or produit un matériau PEEK avec une cytocompatibilité améliorée, adaptée aux applications d'implants orthopédiques et rachidiens.

Abréviations

AFM :

Microscopie à force atomique

CO₂ :

Dioxyde de carbone

DAPI :

4′,6-Diamidino-2-phénylindole dihydrochlorure

DMEM :

Milieu modifié de Dulbecco pour Eagle

FBS :

Sérum fœtal bovin

ICP-MS :

Spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif

KCl :

Chlorure de potassium

L929 :

Fibroblastes embryonnaires de souris

PBS :

Tampon phosphate salin

PEEK :

Polyetheretherketone

PGA :

Polyglycolide

PHB :

Polyhydroxybutyrate

PLA :

Poly(l-lactide)

PMMA :

Polyméthacrylate de méthyle

PTFE :

Polytétrafluoroéthylène

SEM :

Microscopie électronique à balayage

TCPS :

Polystyrène de culture tissulaire

UHMWPE :

Polyéthylène ultra-haut poids moléculaire

WCA :

Angle de contact à l'eau

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X