Effect of L-arginine conjugated carbon nanotube (CNT) reinforced sulfonated polyether ether ketone (speek) nanofilms on cell proliferation

Abstract

Poli eter eter keton (PEEK), kemik rekonstrüksiyonu için yük taşıyıcı implant tasarımına uygun özelliklere sahiptir. Termoplastik bir polimer olan PEEK gerilim koruması, toksik iyonların serbest salınımı ve radyoterapi etkileşimi gibi metalik implantların olumsuz etkilerini ortadan kaldırabilecek potansiyel bir malzemedir. Metalik implantlara kıyasla PEEK kortikal kemiğe daha yakın elastik modülüne sahiptir; bu da gerilme korumasını ve dolayısıyla kemik rezorpsiyonunu önler. Ayrıca, PEEK'in elastik modülü takviye malzemesi ile ayarlanabilir. Fakat zayıf osseoentegrasyon nedeniyle PEEK'in biyoinert yüzeyi uygulamasında sınırlamalara yol açmaktadır. Ayrıca,katkı maddesi eklenmesi mekanik özellikleri geliştirmesine rağmen PEEK nanokompozit biyokativiteyi artırma yönünden yetersiz kalabilmektedir. Birçok çalışma, malzemenin yüzeyinde L- arjinin (L-arg) bulunması hücre yapışmasına ve çoğalmasına yardımcı olduğunu göstermiştir. Bu tez çalışmasında, fonksiyonlanmış çok duvarlı karbon nanotüp (f-ÇDKNT) takviyeli sulfonatlanmıs PEEK (SPEEK) çözücü döküm yöntemiyle üretilmiştir. öncelikle, SPEEK elde etmek için PEEK yüksek konsantrasyonlu sülfürik asit (H2SO4) içinde çözülmüştür ve ÇDKNT'ün yan duvarlarına karboksil grupları bağlamak için ÇDKNT sülfürik asit (H2SO4; 98%) ve nitrik asit (HNO3; 65%) karışımı ile oksitlenmiştir. Sonrasında, elde edilen nanofilmlerin yüzeyine, L-arjinin kovalent olarak bağlanmıştır. Numuneler Proton Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi (H-NMR), Fourier Dönüşümü Kızılötesi Spektroskopi (FTIR), X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), Su Temas Açısı (WCA), Atomik Kuvvet Mikroskopu (AFM)ve Dinamik Mekanik Analiz (DMA) yöntemleriyle karakterize edildi.Son olarak, L-arg ve KNT varlığının hücre tepkisi üzerindeki etkisi Alamar Blue testi ile human fetal osteoblast (hFOB) kullanılarak analiz edilmiştir. FTIR ve H-NMR ile fonksiyonel sülfür ve karboksil gruplarının bulunduğunu kanıtlamıştır. Bununla birlikte, film yüzeyine L-arg immobilizayonu XPS analizi ile doğrulandı ve yüzey araştırma spektrum ve yüksek çözünürlükteki azot piki sırasıyla azot atomunun varlığını ve nitrojen atomunun yapıdaki kimyasal bağ düzenini göstermiştir. f-ÇDKNT takviyesiyle nanofilmlerin mekanik özelliklerinde iyileşmenin olduğu DMA analizi ile ispatlanmıştır.Hücre canlılığının ençok L-arg da olduğu gözlenmiştir. Sonuç olarak, bu çalışma arjinin ile modifiye edilmişKNT/PEEK filmlerinin femur implant uygulamaları için umut verici olduğunu göstermiştir.

Poly ether ether ketone (PEEK) exhibits distinct properties which are favorable in designing a novel load-bearing implant for bone reconstruction. It overcomes the adverse effects of metallic implants such as stress shielding, release of toxic ions and radiotherapy interference. PEEK has comparatively closer elastic modulus to that of cortical bone than metallic implants, which in turn prevents stress shielding and subsequent bone resorption. Furthermore, elastic modulus of PEEK is tunable by incorporation of additives. However, hydrophobic bioinert surface of PEEK which are not favorable for cell adhesion brings about some limitations in its application due to inefficient osseointegration. Furthermore, although the addition of fillers promote the mechanical attributes, PEEK nanocomposite might be still insufficient regarding inducement of bioactivity. Many studies show that presence of L-arginine (L-Arg) assists cell attachment and proliferation. In this thesis, functionalized multi-walled carbon nanotubes (f-MWCNT) reinforced sulphonated poly ether ether ketone (SPEEK) was fabricated by solvent casting. Previously, PEEK was dissolved in high concentric sulfuric acid (H2SO4) to gain SPEEK andMWCNT was oxidized with mixing of sulfuric acid (H2SO4, 98%) and nitric acid (HNO3, 65%) to obtain carboxyl groups on the sidewall and ends of MWCNT. The surface of the obtained nanofilms were covalently conjugated with L-arginine. The samples were characterized with Proton Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (H-NMR), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Water Contact Angle (WCA) measurement, Atomic Force Microscope (AFM) and Dynamic Mechanical Analysis (DMA).Finally, impact of CNT and L-arg existence on cellular response was analyzed using human fetal osteoblast (hFOB) via Alamar blue test. The chemical characterization of surface with FTIR and H-NMR, functional sulfur and carboxyl groups formed were confirmed. Immobilization of L-Arg was confirmed via XPS showing the Nitrogen (N) atom presence and chemical state of N atom. The mechanical strength of nanofilms were improved which was proven by DMA. Cell viability was observed the highest for L-arg grafted nanofilm. In conclusion, this study indicates that arginine modified CNT/PEEK films are promising candidates for femoral replacement applications.