Contact angle measurement before and after plasma treatment
Oberflächenmodifikation von Titanoberflächen durch Plasma und UV-Licht

Oberflächenmodifikation von Titanoberflächen durch Plasma und UV-Licht

Auswirkungen der Oberflächenmodifikation auf das Adsorptionsverhalten von Zellen und Proteinen auf der Titanoberfläche unter Verwendung eines Quarzkristall-Mikrowaagesystems

Zusammenfassung

Untersucht wurde der Einfluss von Plasma- und UV-Licht-Behandlung von Titanoberflächen auf das Adsorptionsverhalten von Zellen und Proteinen. Die REM- und SPM-Aufnahmen zeigen, dass die Mikrostruktur unbeeinflusst bleibt. Gleichzeitig ändert sich die Oberflächenzusammensetzung laut XPS-Messungen von einem hohen Anteil an kohlenstoffhaltigem Material hin zu einer eher blanken Titanoberfläche. Damit einhergehend wird die Oberflächenbenetzbarkeit stark erhöht. Mit einer Quarzkristallmikrowaage wurde das Adsorptionsverhalten von Zellen untersucht, wobei sich für die UV-behandelten Proben ein mittlerer und für die plasmabehandelten Proben ein starker Effekt auf die Biokompatibilität zeigte.

Autoren: Matsumoto, T.; Tashiro, Y.; Komasa, S.; Miyake, A.; Komasa, Y. & Okazaki, J.
Publikation: Effects of Surface Modification on Adsorption Behavior of Cell and Protein on Titanium Surface by Using Quartz Crystal Microbalance System, Materials, 2021, 14.

In einer aktuellen Veröffentlichung verglichen Matsumoto et al. die Wirkung von ultraviolettem Licht und atmosphärischem Plasma auf das Adsorptionsverhalten von Zellen und Proteinen auf einer Titanoberfläche. Titan und seine Legierungen sind das am häufigsten verwendete Material für Zahnimplantate. Entscheidend für das erfolgreiche klinische Ergebnis ist die Osseointegration, die mehrere Monate nach der Implantation in Anspruch nehmen kann. Insbesondere die Primärstabilität basiert auf der Geschwindigkeit der Adsorption. In dieser Untersuchung wurde die Ablagerung von Albumin, Fibronektin und Zellen aus Rattenknochenmark (RBM) auf Titanscheiben mit einer Quarzkristall-Mikrowaage überwacht. Die Titanplatten wurden auf drei verschiedene Arten präpariert: Als Referenz wurde eine unbehandelte Platte verwendet. Die andere Fraktion wurde mit UV-Licht (HL-2000 HybriLinker; Funakoshi, Tokyo, Japan) für 15 min behandelt. Die dritte Fraktion wurde mit kaltem atmosphärischem Plasma (piezobrush® PZ2, relyon plasma, Deutschland) für 30 s bei 10 mm Abstand behandelt. Diese Proben wurden mit SEM, XPS und Kontaktwinkelmessungen charakterisiert. Außerdem wurden die Proben den Proteinen ausgesetzt, während die adsorbierte Masse mit einem QCM (Affinix QNµ; Initium Co., Ltd., Tokyo, Japan) überwacht wurde.

Anlagerung von RBM Zellen an Titan. Links: Unbehandelt, Mitte: UV-Behandlung und rechts: Plasmabehandelt.
Anlagerung von RBM Zellen an Titan. Links: Unbehandelt, Mitte: UV-Behandlung und rechts: Plasmabehandelt.

Die REM- und SPM-Aufnahmen zeigen, dass es keine signifikante Veränderung der Oberflächenmikrostruktur durch die Vorbehandlung mit UV-Strahlung und kaltem Plasma gibt. Insbesondere die Oberflächenrauhigkeit ist für alle drei Proben sehr vergleichbar. Dies deutet darauf hin, dass keine strukturellen Veränderungen an der Oberfläche vorgenommen werden. Die XPS zeigt jedoch eine Verschiebung in der Elementzusammensetzung. Insbesondere der Sauerstoffanteil ist durch die UV- und Plasmabehandlung im Vergleich zur blanken Probe erhöht. Gleichzeitig wird der Kohlenstoffanteil bei den behandelten Proben gesenkt. Dieser Trend ist bei den plasmabehandelten Proben besonders ausgeprägt. Eine ähnliche Tendenz ist bei der Kontaktwinkelmessung zu erkennen. Der Wasserkontaktwinkel der unbehandelten Probe zeigt mit 90,6 ° ein hydrophobes Verhalten an. Er konnte mit UV auf 7,2 ° und mit Plasma auf vollständige Benetzung (0 °) gesenkt werden. Die Hydrophilie der behandelten Proben wurde auf die Entfernung von Kohlenstoffverbindungen durch die Vorbehandlungen zurückgeführt.

Abb.: Zeitliche Veränderungen der Adsorption von Rattenknochenmarkzellen (RBM) auf (blau) unbehandelten, (rot) UV-behandelten und (gelb) plasmabehandelten Ti-QCM-Sensoren.
Abb.: Zeitliche Veränderungen der Adsorption von Rattenknochenmarkzellen (RBM) auf (blau) unbehandelten, (rot) UV-behandelten und (gelb) plasmabehandelten Ti-QCM-Sensoren.

Die Messungen mit dem QCM zeigen für alle untersuchten Zelltypen die schnellste Adsorption für die plasmabehandelten Proben, gefolgt von den UV-behandelten und den unbehandelten Proben. Das Gleiche gilt für das gesamte adsorbierte Gewicht nach 60 Minuten. Ein ähnlicher Trend ist für die Mineralisierung zu erkennen, wo die Kalziumablagerung auf RBM-Zellen, die auf den unbehandelten, UV-behandelten und plasmabehandelten Titanscheiben ausgesät wurden, nach 21 und 28 Tagen bestimmt wurde. Als weiteres Indiz für die Osseointegration wurde die ROS-Akkumulation überwacht. Hier konnte der gleiche Trend wie bei den anderen Messungen festgestellt werden.

Abb.: Menge des abgelagerten Kalziums 21 und 28 Tage nach Inkubation der Kultur auf unbehandelten, UV-behandelten und plasmabehandelten Ti-Scheiben.
Abb.: Menge des abgelagerten Kalziums 21 und 28 Tage nach Inkubation der Kultur auf unbehandelten, UV-behandelten und plasmabehandelten Ti-Scheiben.

Die Wirksamkeit von UV-Strahlung und kaltem atmosphärischem Plasma zur Hydrophilierung von Implantatoberflächen wurde durch Simulation des anfänglichen Hartgewebsbildungsverhaltens des das Implantatmaterial umgebenden Gewebes bewertet. Die Oberflächenmorphologie bleibt bei der Behandlung unverändert, jedoch wird die Benetzbarkeit durch beide Methoden stark erhöht. Die plasmabehandelte Titanoberfläche zeigte den geringsten Kontaktwinkel, was die höchste Adsorption von Albumin, Fibronektin und RBM-Zellen ermöglichte. Während die Leistung der UV-behandelten und plasmabehandelten Proben im Allgemeinen ähnlich war, zeigten die plasmabehandelten Proben die höchsten Mengen an F-Aktin, Filopodien und Lamellipodien, die höchste ALP-Aktivität, die höchste Menge an Kalziumausfällung und den niedrigsten ROS-Wert aller Probentypen.

Den gesamten Bericht finden Sie hier.

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