Регенерация костной ткани длительный и сложный процесс, сопряженный с высоким риском развития осложнений, ввиду чего необходим поиск новых эффективных методов лечения. Так, например, в тканевой инженерии все больший интерес вызывает использование функциональных субстратов, способных оказывать влияние на клеточное поведение, в том числе на скорость пролиферации и дифференциации стволовых клеток, за счет биофизической стимуляции. Для инженерии костной ткани наиболее интересным является использование биосовместимых материалов, механические и пьезоэлектрические свойства которых схожи со свойствами костной ткани, например полимер поливинилиденфторид.

Поли(винилиденфторид) (PVDF) - это фторсодержащий полукристаллический полимер, который имеет не менее пяти различных кристаллических фаз, из которых β-фаза обладает наибольшим пьезоэлектрическим откликом. Однако, низкая поверхностная энергия PVDF и его сополимеров приводит к высокой гидрофобности и плохой смачиваемости поверхности полимера, что плохо сказывается на адгезии клеток к поверхности подложек на их основе и ограничивает их использование в биомедицинских приложениях. Существуют различные методы модификации поверхности пленок на основе PVDF (химическое травление, дефторирование-сульфирование и др.), однако наиболее оптимальным является плазменная обработка, поскольку позволяет сохранить основные физико-химические объемные свойства субстратов.

В данной работе было исследовано влияние плазменной обработки на морфо-механические и адгезивные свойства магнитоэлектрических субстратов. Нанокомпозиты были изготовлены методом ракельного ножа и затем обработаны гелиевой плазмой. В качестве основы для нанокомпозитов использовался PVDF, модифицированный магнитными наночастицами (CoFe2O4). Структурные и магнитные свойства полученных образцов были охарактеризованы с помощью рентгеновской порошковой дифракции (XRD) и вибрационного магнитометра (VSM). Морфо-механические свойства нанокомпозитов исследовались до и после плазменной обработки с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Нанокомпозиты были дополнительно протестированы на культуре мезенхимальных стволовых клеток человека (оценка жизнеспособности и адгезии клеток).

В данном исследовании было продемонстрировано, что гелиевая плазменная модификация способствует улучшению смачиваемости и увеличению шероховатости поверхности магнитоэлектрических субстратов на основе PVDF (более длительная обработка приводит к более выраженному эффекту), не изменяя при это магнитные и структурные свойства образцов. Кроме того, было установлено что обработка плазмой улучшает адгезивные свойства нанокомпозитов на основе PVDF, что делает их интересными для использования в различных биомедицинских приложениях, таких как инженерия костной ткани.

Исследование выполнено при финансовой поддержке БФУ им. И. Канта в рамках научного проекта № 122041300142-6.

Bone tissue regeneration is a long and complex process with a high risk of complications, which requires the search for new effective therapies. For example, the use of functional substrates capable of influencing cellular behavior, including the rate of proliferation and differentiation of stem cells, through biophysical stimulation is of increasing interest in tissue engineering. For bone tissue engineering, the most interesting is the use of biocompatible materials whose mechanical and piezoelectric properties are similar to those of bone tissue, such as polyvinylidene fluoride.

Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) is a fluorine-containing semi-crystalline polymer that has at least five different crystalline phases, of which the β-phase has the greatest piezoelectric response. However, the low surface energy of PVDF and its copolymers leads to high hydrophobicity and poor wettability of the polymer surface, which has a poor effect on cell adhesion to the surface of substrates based on them and limits their use in biomedical applications. There are various methods for modifying the surface of PVDF-based films (chemical etching, defluorination-sulfation, etc.), but plasma treatment is the most optimal, since it allows preserving the basic physicochemical bulk properties of the substrates.

In this work, the effect of plasma treatment on the morpho-mechanical and adhesive properties of magnetoelectric substrates was investigated. The nanocomposites were fabricated by the doctor blade method and then treated with helium plasma. PVDF modified with magnetic nanoparticles (CoFe2O4) was used as the base for the nanocomposites. The structural and magnetic properties of the obtained samples were characterized using X-ray powder diffraction (XRD) and a vibrating magnetometer (VSM). The morpho-mechanical properties of the nanocomposites were investigated before and after plasma treatment using atomic force microscopy (AFM). The nanocomposites were additionally tested on human mesenchymal stem cell culture (assessment of cell viability and adhesion).

In this study, helium plasma modification was demonstrated to improve the wettability and surface roughness of PVDF-based magnetoelectric substrates (longer treatment leads to a more pronounced effect) without altering the magnetic and structural properties of the samples. In addition, plasma treatment was found to improve the adhesive properties of PVDF-based nanocomposites, which makes them interesting for use in various biomedical applications, such as bone tissue engineering.

The research was financially supported by Immanuel Kant Baltic Federal University as part of scientific project No. 122041300142-6.