hydrophilic group formation and cell culturing on polystyrene petri-dish modified by ion-assisted...

6
Hydrophilic group formation and cell culturing on polystyrene Petri-dish modi®ed by ion-assisted reaction Ki-Hwan Kim a, * , Jun-Sik Cho a , Doo-Jin Choi b , Seok-Keun Koh a a Thin Film Technology Research Center, Korea Institute of Science and Technology, P.O. Box 131, Cheongryang, Seoul 130-650, South Korea b Department of Ceramic Engineering, Yonsei University, Sudaemoon-Gu, Shincheon-Dong, Seoul 120-749, South Korea Abstract Polystyrene PS) Petri-dishes were modi®ed by an ion-assisted reaction IAR) to improve wettability and to supply a suitable surface for cell culturing. Low energy Ar ions with 1000 eV were irradiated on the surface of PS in oxygen gas environment. Water contact angles of PS were not reduced much by ion irradiation without oxygen gas and had a value of 40°. In the case of ion irradiation with ¯owing oxygen gas, however, the water contact angles were dropped signi®- cantly from 73° to 19°. X-ray photoelectron spectroscopy analysis showed that the hydrophilic groups were formed on the surface of PS by a chemical reaction between unstable chains induced by ion irradiation and the oxygen gas. Newly formed hydrophilic groups were identi®ed as ±C±O)±, ±C@O)± and ±C@O)±O± bonds. The in¯uence of the surface modi®cation on growth of the rat pheochromocytoma PC12) cells was investigated. The IAR-treated PS surfaces showed enhanced attachment and growth in PC12 cell culture test. Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PACS: 81.65; 79.60; 68.35.G; 87.50 Keywords: IAR; Hydrophilicity; Hydrophilic group; Cell culture; Polystyrene 1. Introduction Polystyrene PS) is popularly used as a dispos- able culture dish in biomedical application due to non-toxicity, high transmittance in the visible range, low production cost, easy shapability. However, cellular adhesion on PS surfaces is rel- atively poor because PS surfaces are hydrophobic and do not provide a suitable environment for cell growth. Many researchers have investigated the relationship between cell growth and surface hy- drophilicity [1±3]. They found that tissue cells grow more easily on hydrophilic surface than on hydrophobic surface, because tissue cells adhere more easily to hydrophilic surface than to hydro- phobic surface. Therefore, various methods have been developed to modify hydrophobic surface to hydrophilic one, and to promote the cell adhesion on PS. These include bulk modi®cation of the chemical structure, surface modi®cation by me- dium energy hundreds of keV) or high energy Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 175±177 2001) 542±547 www.elsevier.nl/locate/nimb * Corresponding author. Tel.: +82-2-958-5568; fax: +82-2- 958-6851. E-mail address: [email protected] K.-H. Kim). 0168-583X/01/$ - see front matter Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII: S 0 1 6 8 - 5 8 3 X 0 0 ) 0 0 6 5 0 - 9

Upload: ki-hwan-kim

Post on 15-Sep-2016

212 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

��������� ����� �������� ��� � ������� �� �������������������� ������� �� ������������ �������

������� ��� ���� ������� ��� �� ������ ���� �� ��������� ��� �

� ���� ���� ������� ������ ������� ���� ��������� � ����� ��� �������� ���� �� � �� ����������� ���� � !"#$!�

���� ����� %�&������� � ������ '����������� (���� )��*������� �������"+�� �������"%��� ���� �,!"-./� ���� ����

��������

���������� !��" ������������ ���� ������� �� �� ������������ ������� !#$%" �� �����&� ���������� ��� �� ����� �

������� ��� �� �� � �������' (�� ������ $�� ���� ���� )*** �+ ���� ���������� �� ��� ��� �� � �� �� �,���� �����&��������' -���� ����� ����� � �� ���� ��� ������ ��� �� ��� ����������� ������� �,���� ��� ��� ��� � &���

� .*�' #� ��� ��� � ��� ����������� ���� /����� �,���� ���� ����&��� ��� ����� ����� ����� ���� ������� ����������� ��� 01� �� )2�' 3���� ����������� ���������� ������� ������ ���� ��� ��������� ������ ���� ����� ����� ��� �� � �� �� � ����� ������� ������� ������� ����� ������ �� ��� ����������� ��� ��� �,���� ���' 4���

����� ��������� ������ ���� ��������� �� 5!�56"5� 5!��6"5 ��� 5!��6"565 �����' 7�� ��/���� � ��� ��� ������������ �� ������ � ��� ��� �������������� !��)8" �� ��� ��&���������' 7�� #$%�������� �� ��� ���

������ ������� ��������� ��� ������ �� ��)8 � ����� ����' � 8**) 9��&��� ����� :'+' $ ������ �����&��'

�0��1 ;)'<=> 02'<*> <;'1='?> ;0'=*

���2���1 #$%> ������������> ��������� �����> �� �����> ����������

� ���� ������

���������� !��" �� ������� ���� �� � ���������� ����� ���� �� �������� ��������� ��� ��������,����� ���� ������������ �� ��� &����������� �� ��������� ���� ���� ����������'����&��� ���� �������� �� �� ��� ��� �� ������&�� ���� ������ �� ��� ��� ��� ����������

��� �� ��� ���&��� � ������� ��&�������� �� �������' @��� ���������� ��&� ��&��������� �������������� ������� � ������ ��� ��� �� ������������� A)51B' 7��� ���� ���� ������ ������ ���� ����� �� ��������� ��� �� ���� ������������ ��� ��� ������ ������ �� ���������� ����� �� ��������� ��� �� ���� �� ����������� ��� ��' 7���� ���� &������ ������� ��&����� ��&����� �� ���� � ���������� ��� �� ����������� ���� ��� �� ������� ��� � ���������� ��' 7���� ����� ��� ���������� � �������� ��������� ��� �� ���������� �� ������� ������ !�������� � ��+" �� ���� ������

4���� #���������� ��� @������ �� ������ %������ : )0=5)00 !8**)" =.85=.0

���'���&���'�C����C����

�������������� ������' 7�'D E;8�8�2=;�==<;> �,D E;8�8�

2=;�<;=)'

'"���� �������1 ����F����'��'�� !�'��' ���"'

*)<;�=;13C*)CG � ��� ���� ������ � 8**) 9��&��� ����� :'+' $ ������ �����&��'�##D � * ) < ; � = ; 1 3 ! * * " * * < = * � 2

!� �� @�+" ��� ���� ������������ ����� ���������� �� ����� �������H������ ��� ������ ����� ���� ������&� ������� ���� ������� ���� ���������� A.52B' $���� ����� �������� ������������ ��� ���� �������H����� ��� ���� ��������� �� � �������' ����&��� ��� ������ � ������������ ��� ���� �������H����� �� &�������, ��� �� ��� ������� �� ���� ���������'%������ ��� �� �' A)*5).B ��&����� �������

������ ������� !#$%" ������ �� ���� )*** �+���� ���� ���������� �� ��� ������ ��� �� ����/����� �,���� ���' #� ��� ���� ���� ��� ������&�� ���������� � ������ ��� �� �� ��� #$%�� ������ ��������� ��� �� ����� � ��� ����������� ��� �� �������� �� �������� � ��������� ������ ��� �� ������ ���C�� �����,� �� ��� ������ ��� ��' 7�� #$% ������ ����� ������� ������ �� ��������� ��������������� � ���� ���� ��������� �� �&����� ������� ��I����� �� ��������� �� �����&�� �����'#� ���� ������ ��� #$% ������ ��� ������� ��

��� ��������� ������ �� �� ��� ��' 7�� �J���� ��� #$% ��������� �� ��� �� ���������� ���� ������ ��� ��&���������' #� ����� �� �,�������� ������� ������� ��� ������������ � �� ���� �� ��� ������ � ������� ��)8 �� ���� ������� �� ��� #$%�������� �� ������������ ��� �������� ��� ������'

� ������������

7�� ������H�� ���� �� ������������ != � �� ���������" ���� ���� �� ��������� �� ��� #$% ���������� ������� ������ ������ ��� ��������������� �� ����������� �� ��� ������ ���������� ��� �J�� ��� ������ � � �������' K����� ��� �� ����������� � = � �� ���������� ��� ��� ��� ���� �� �������� $�� ����'$�� ���� ���� ���������� ���� ��� �� ��� �� ������ ����������� ���� ��� ������� /����� �,����� ��� ��� �,���� /�� ���� ��� ������ ��� *�� ; �� !�C���"' +���� ������ ��� �&������� �� � ���� �������� � �����,������ )� )*�=7���' 7�� ������ � $�� ���� ��� ������ ���=** �� )8** �+' 7�� ���� � $�� ���� ��� �������� ��� =� )*). �� )� )*)0 ������8 �� �,������� ���� �� �,�� ��� ���� ������'

7�� ����� ���� �� ������ ���� ������ ����������� �� � ����� ��������� !��� @����7����" �������� ����� � ����� ������� �����'3�� ��� ��� ����� �� ����� ��� ����� �������� ��� ������� ������ ��� ��� �� ����� � ���� �� ����� #��������� 8;*1�� �����������' %���������������� !��)8" �� ���� ���� �� ���&�������� ��� �J�� � ��� #$% ��������� �� ��������' #� �� ����� ���� ��)8 �� ����������� �� ��� ������ ��� ���� ������� ��L������ ������� �� �� ������������ ������� ������������' 7� �������� � ������� ������ � ���#$%�������� �� ������������� ��� ��)8 �� ���������� �� ��� ������� ������������ ��� ���������� �� ��� ���&����������� ������'

� ������� �� ���������

K��' ) ����� ��� ����� � ��� ����� ��������� �� �� �� � ������ � !�" ����������� �������� !�" ��� ���� ������� ��� !" �,���� ��� /������� �������&��' $� ����� �� K��' )� ��� ���������� ����� �� �� ������ ���������� �������/����� �,���� ��� ��� ������ ��� 01� �� .*������ ����� � �� ������ ���������� ���� /������,���� ��� ������� �� )2� �� ������� ��������'7�� ����� ����� ����� � �� ���������� �������/����� �,���� ��� ��� ������ �� ����� � ���&���������� �������� �� ����� ������� ��� �� ���������� ��� ������������ ������ ����� �����������' A)=5)0B' #� ��� #$% ������� ��� ������ � ����� ���� ������ �� ��� ������� ��� ���� ����,���� /�� ����' $� ����� �� K��' )!"� ��� �,����� ��� ���� ���� ��� ����� ��� �� ���� ����������� ��� �� ������� ��� ����� ����' #� ���� ���� ���� ��� ����������� � �,���� ��� �������� ����� ���� ���������� �������� ��� ������� � ����� ������� ������� ��� ���� �,����� ��� ��� ��� ���������� �� ��� ��� ������������� ���� ������ ��������� �,����' 7����� ���� ��� ��������� ������� �� ����� ���� ������� �� ��� ���� ����� ���� ������'3�� ��� ��� ����� �� ��&�������� ��� �����

������� ������� ��� �,���� ��� ��� ��� ������������� �� � ��' K��' 8 ����� ��� �)� ��� �&������� � !�" ��������� �� ��� !�" ������� ������ ��� ���������� �� $�� ��� ���� �

��"3� ��� �� ��� 4 5��� ������ ��� 6���� �� ����� ��� � �-$7�-- 8,!!�9 $.,7$.- =.1

=� )*)< ������8 ���� ��� �,���� /�� ���� � ; �C��� ��� �� ������ ��� ���� ������ � )*** �+' 9�� 3�� ������� ��� ������H�� ������������ ��� ���������' #� ��� ��� � ���������� ��� ��� �5� ���� ���C�� ��� �5� ��������� �� 8;.'< �+ ��������� ��� ����� ����� ����� � � �� ���������� ��� �����&�� �� 82)'* �+' #�

��� ��� � ����� ������� �� $�� ��� ����������� ���,���� ��&��������� ��� ��������� � �5� ����!8;.'< �+" �������� ��� ���� � 5!�56"5 ����!8;<'* �+"� 5!��6"5 ���� !8;0'. �+" ���5!��6"565 ���� !8;;'; �+" ��������� ��������&��� �� ����� �� K��' 8!�"' -���� ��� ���� ��������� �� � � �� ���������� !82)'* �+" �����������

K��' 8' �)� ��� �&� ������ � ��� ��������� �� !�" ��� ��� #$%�������� �� !�" ���� ��� ���������� �� )*** �+ $�� ��� ���� � ���� � =� )*)< ������8 ��� �� �,���� ��� /�� ���� � ; ��'

K��' )' -���� ����� ����� �� �� �� � ������ � !�" ��� ����� !�" ��� ���� �������� ��� !" �,���� ��� /�� ����'

=.. ��"3� ��� �� ��� 4 5��� ������ ��� 6���� �� ����� ��� � �-$7�-- 8,!!�9 $.,7$.-

�'�'� ��� ����� ���� �������� �� ��������� �� ������� �����������' K��� ���� ������ �� ��� ���,������ ���� ��� �5� �� �5� ����� �� ��������� ������ �� �������� ��� ����������� ��� ��������� ������� ����� ���� ���� ��� ���� �,�����' #� ��� �� ��������� ���� ��� ����� � ����� ���� �� ��� �� ��� �������� � ��� ������������� 5�565� 5!��6"5 ��� 5!��6"565 ������ � ����� ������� � ������� ����� ��� ������� �,����' ��������� ������� � 6)� �������� ��� �����&�� �� ��� �� ���������� �� 68 ��&���������' 7���������� ��� �� ���� ��� �������,����� ���� �� ��� ������ ��� ���� )M �,���� ��������� �� � ���� ����� ������ � ������&� ������������ ��� ��� ��' $ ��� #$% ���������� �������������� � �,���� �������� �� �� 80M' 7���������� �,���� ����������� �������� ���� ������� �,���� ����������� � ��� ����� ��������� ��� ��������� ����� �� ��� ��� �� � �������' K��� ���� ������ �� �� �� �������

���� ��� #$% �� ��� �J���&� ������ �� ��� ��������� ������ �� ������ ��� ��'K��' 1 ����� ��� ����� � 3�� ������ �� ���������� �� ������ �� ��� ��� � ��� ������������' $� ����� �� K��' 1� �)� ��� 6)� ��������� ����� ������ � ��� �������� ������� ���� ������� ������ ����� �� ��� #$% ��� ��� ������'@��� ������� ������ �� ��� ��� ���� ������ �������� ��� �� ��&� ���� ��������' #� ��������� ��� ����������� � ��� ����� ���������� �������� � ��� ������� ��� �� ��� ��������� � ��������' 9������� ���� ��� ����� ������� ������� ������ ���� ������ �� ������� ������� �����' 7�� ��� ����� ��������������� �����&�� ���� �����' ����&��� ��� ���������� ����� �� ��� #$% �� ��� �����&� �������� ���� ����� ���� ��� ������ ��� ��������� �� ��� #$% �� ��� ��&���� �������'K��' . ����� ��� ������ ��&�� � ��)8 ��

������ �� �� ������������ ������� �� #$%'

K��' 1' �)� ��� 6)� ��� �&� ������ �� ��� #$%�������� �� �� ��� ��� � ��� �������'

��"3� ��� �� ��� 4 5��� ������ ��� 6���� �� ����� ��� � �-$7�-- 8,!!�9 $.,7$.- =.=

#������ 8�=� )*= �� ���� ������ �� ��� ������������ != � �� ��������"' K�� ��� ����� � ������������ ������������� � ��� ��� ��� � ������������ � ��� �� ��� ��� ������� �� ��� ��� �� � ��� ������ ��� ��� � �� �� ���&�&�' -���� ������ ������ � ��� #$%�������� ������������� ����� ��� �� ��� ��� �� ����� �� ��� ������ ������&�&�' 7�� �������� � � ������ � ��� ������ ����� ������ ��� ������ � �� �� ��� * ���&�� ���������� �� ��� �&��� � �� ������ �� ������ �� ��� ��� �� � ��� ������' 7���� ������������ ����� �� ������� ����� ��' 7�� ������� � ��)8 �� �� ��� ������������ ������� �� #$%���� ��� ����� � =� )*)< ��� )� )*)= ������8�������� �� �� 8�*� )*= ��� )�.� )*= � ��� ������� ��� �� �� )�<� )*= ��� )�2� )*= ����8� ��� ����� ����� �������&��'K��' = ����� ��� �������� ������ � ��)8

�� ����� �� ��� #$%�������� ���������� ��� ���������� ������������' $� ����� �� K��' =� �������� ��J����� �� � ������ �� �����&��� ��������� �� ��������� �� ��� ��� �� ������������'�� ���������� ������� �� ��� #$% ����� � ��� �������� ������� ������ � ��)8 �� ������������ ������� ������������ ���� ��� �����&���� ������� ������'

K��' =' 6���� �������� ������ � ��)8 �� � ��� 1 ����D !�" #$%�������� ���������� �� )*** �+ $�� ��� ���� � ���� � =� )*)< ������8 ��� �� �,���� /�� ���� � ; ��� !�" ������� ���������� )� !" ������� ���������� 8 ��� !�" ����������������� 1'

K��' .' ?����� ��&�� � ��)8 �� ������ �� ��� ���������

�� ���������� ��� ��� #$%�������� �� ������������ ���� � ����

� )� )*)= ��� =� )*)< ������8' 7�� #$% ��������� ���

��� ����� ���� �� �,���� /�� ���� � ; �� ��� ��� ����

������ � )*** �+'

=.< ��"3� ��� �� ��� 4 5��� ������ ��� 6���� �� ����� ��� � �-$7�-- 8,!!�9 $.,7$.-

� ����������

�� ������������ ���� ������� �� ��� #$% �������&� ��� ������������ � ��� ��' 7�� ���������� � �� ������ �������� ���������� � ������ #$% ��������� ��� ��� ������� ����� ����� �� ��� )2�' 7�� ��������� ������ ����� �� ������ ������� ������� ������� ����� �������� ��� ��� ����������� ��� ��� �,���� ��� ������������� �� 5!�56"5� 5!��6"5 ��� 5!��6"565�����' $ ��� ������� � ������ ��� �����&�� ����� #$%�������� �� ������������� ���� ��� ���������� �� ��� �����&�� ������������ � ��� ���� ��' 7���� ���� ��� #$% ��������� ��� �� ������� �� ���� � ��� �� ������������ �� �������������'

����������

A)B �'�' ���� -'�' ����� :���������� 8) !8***" 1=2'

A8B 9'$' +���� %'-' :������� �' :�����' @����' %��' 8)

!)2;0" ))20'

A1B -'�' %������ -' ����� 4'�' :��������� #� +���� ��

�&' :��' 8* !)2;*" ;*8'

A.B N' #��� N' #�������� ����' %�&' :�������' = !)2;2" .='

A=B $' 4����� @' �������� @' #����� N' ��H���� @' ������

���� ��� ' #���� �� $��' 8. !)22<" 8=8'

A<B :' ���������� 9' ������ $' ��������� ?' @�������

:���������� ); !)220" ).<)'

A0B (' �O��� �' P���� $��' ��� ' ��' 0; !)22." )2='

A;B 9' 6H���� 7' @������� $�$#6 7����' 1< !)22*" 82.'

A2B �' (��� �' ?����� �' $������� -' ���� 'K' @������

�'(' ������� :���������� )1 !)228" 2*='

A)*B �'�' ���� �'�' ����� -'�' ����� �'4' ���� �'�' �����

�' @����' %��' )* !)22=" 812*'

A))B �'�' ���� -'�' ����� �'�' ���� N'@' ���� �'�' �����

�' @����' %��' )) !))" !)22<" 8211'

A)8B �'�' ���� -'�' ����� �'�' N���� �'�' ���� �' +�' ��'

7����' : )< !1" !)22;" )))*'

A)1B �' ���� �'�' ���� �'�' N���� �' 9�������' ��' ).<

!))" !)222" .180'

A).B �'�' ����� -'�' ����� �'�' ����� �'?' ����� :'�' ������

N'�' N��� �'�' ���� �' $��' ����' ��' 01 !)222" .)'

A)=B %'�' (�&�� 4�' #����' ��� @���' : )*5)) !)2;=" =.='

A)<B �' �������� :' ��������� :' ����I&���� 7��� ���� K���

)*0 !)2;1" ;2'

A)0B %' K����� 'N' ���� �' +�' ��' 7����' $ ; !1" !)22*"

810<'

��"3� ��� �� ��� 4 5��� ������ ��� 6���� �� ����� ��� � �-$7�-- 8,!!�9 $.,7$.- =.0