Plasma-activated polymer films for mesenchymal stem cell differentiation

Polyetheretherketone (PEEK) is a biomaterial utilized for spine, orthopedic and trauma
implants. Its inertness prevents osseointegration, so that coatings with titanium or
hydroxyapatite are required for load-bearing PEEK implants. Compared to metals, PEEK is
iso-elastic, magnetic resonance imaging compatible and radiolucent. To activate the PEEK
surface directly, oxygen and ammonia plasma treatments of plasma powers between 10 to
200 W were applied on films with thicknesses between 12 to 50 μm. Oxygen plasma
treatment introduced carboxylic and ester groups at the PEEK surface, whereas ammonia
plasma treatment generated amine groups. In both cases, scanning electron microscopy
revealed pillar-like nanostructures in the range of 10 to 100 nm, differing in density and size
dependent on plasma power, exposure time and composition of plasma. Analysis of the nanostructures
by atomic force microscopy showed that the roughness increased and island density
decreased linearly with plasma power for oxygen and ammonia plasma-treated PEEK
substrates. Anisotropic structures, found in human tissue, can be copied to PEEK implants,
for example by means of injection molding or glass casting. Such anisotropy was analyzed on
the nanometer scale using wide-angle and small-angle X-ray scattering and using optical
transmission measurements. The rather simple optical experiments also permit the
determination of the intermolecular binding energies, originating from the π – π stacks of the
phenyl moieties from annealed PEEK films.
On PEEK films treated with plasma powers of 10 and 50 W, which exhibited water contact
angles of 40 to 50° and an enhanced protein adsorption, increased adhesion and proliferation
of adipose tissue-derived stem cells was found. Osteogenic differentiation, monitored by
alkaline phosphatase activity and mineralization, was doubled on these oxygen and ammonia
plasma-treated PEEK films in comparison to the original PEEK films and the polystyrene
control. These in vitro data indicated an osteopromotive effect of plasma-treated PEEK on
tissue-resident mesenchymal stem cells. Before application to medical implants, however, the
results have to be confirmed by in vivo studies. ---------- Zusammenfassung: Polyetheretherketon (PEEK) wird als Biomaterial für Wirbelsäulen-, orthopädische sowie
Trauma-Implantate verwendet. Für lasttragende Implantate benötigt das inerte PEEK
Beschichtungen aus Titan oder Hydroxyapatit um die Einheilung am Knochen zu
gewährleisten. Im Vergleich zu Metallimplantaten ist PEEK isoelastisch,
magnetresonanzkompatibel und strahlendurchlässig. Um die PEEK Oberfläche direkt zu
aktivieren wurden 12-50 μm dicke PEEK-Folien zwischen 10 und 200 W Sauerstoff- und
Ammoniakplasma behandelt. Durch Sauerstoffplasma wurden Carboxyl- und Estergruppen
auf der PEEK Oberfläche generiert, Ammoniakplasma resultierte in Aminogruppen. Beide
Prozessgase induzierten säulenartige Strukturen im Bereich von 10 bis 100 nm. Die
Strukturen variierten in Dichte und Grösse abhängig von der Plasmaintensität,
Behandlungsdauer und Zusammensetzung des Prozessgases. Die Analyse mittels
Atomkraftmikroskopie zeigte eine lineare Erhöhung der Rauigkeit und Verringerung der
Inseldichte mit steigender Plasmaintensität für beide Prozessgase. Anisotrope Strukturen
welche in menschlichem Gewebe vorkommen, können durch Spritz- oder Glasguss auf PEEK
übertragen werden. Diese Anisotropie wurde im Nanometerbereich mittels
Röntgenkleinwinkel- und Röntgengrosswinkelstreuung sowie optischen Transmissionsmessungen
untersucht. Die einfachen optischen Experimente erlauben die Bestimmung der
intermolekularen Bindungsenergien von getemperten PEEK Folien, welche von den π – π
Wechselwirkungen der Phenylringe stammen.
PEEK Folien welche mit Plasmaintensitäten von 10 und 50 W behandelt wurden zeigten
Wasserkontaktwinkel zwischen 40 und 50°. Zudem wurde eine erhöhte Proteinadsorption,
sowie erhöhte Adhäsion und Proliferation von isolierten Stammzellen aus Fettgewebe
beobachtet. Auf diesen Sauerstoff- und Ammoniakplasma behandelten PEEK Oberflächen
war die osteogene Differenzierung im Bezug auf die alkalische Phosphatase Aktivität und
Mineralisierung doppelt so hoch wie auf unbehandelten PEEK Folien und
Polystyrenkontrollen. Diese in vitro Ergebnisse deuten auf einen knochenwachstumsfördernden
Effekt von plasmabehandeltem PEEK auf mesenchymale Stammzellen hin,
welche direkt aus Gewebe isoliert wurden. Vor der Anwendung auf Implantaten müssen diese
Resultate mit in vivo Studien verifiziert werden.