Summary
تم تحضير مركبات نانوية جديدة من شرائط الجرافين النانوية وجسيمات الهيدروكسيباتيت النانوية باستخدام توليف مرحلة المحلول. هذه الهجينة عند استخدامها في السقالات النشطة بيولوجيا يمكن أن تظهر تطبيقات محتملة في هندسة الأنسجة وتجديد العظام.
Abstract
يعد تطوير مواد جديدة لهندسة الأنسجة العظمية أحد أهم مجالات الدفع في الطب النانوي. تم تصنيع العديد من المركبات النانوية باستخدام الهيدروكسيباتيت لتسهيل التصاق الخلايا وانتشارها وتكوين العظام. في هذه الدراسة ، تم تطوير المركبات النانوية الهجينة بنجاح باستخدام شرائط الجرافين النانوية (GNRs) والجسيمات النانوية من الهيدروكسيباتيت (nHAPs) ، والتي عند استخدامها في السقالات النشطة بيولوجيا قد تحسن تجديد أنسجة العظام. يمكن أن تكون هذه الهياكل النانوية متوافقة حيويا. هنا ، تم استخدام نهجين لإعداد المواد الجديدة. وفي أحد النهج، استخدمت استراتيجية للتشغيل المشترك حيث تم توليف nHAP واقترانه ب GNRs في وقت واحد، مما أدى إلى هجين نانوي من nHAP على أسطح GNR (يشار إليها باسم nHAP/GNR). أكد المجهر الإلكتروني الناقل عالي الدقة (HRTEM) أن مركب nHAP/GNR يتكون من هياكل رفيعة ورقيقة من GNRs (أقصى طول 1.8 ميكرومتر) مع بقع منفصلة (150-250 نانومتر) من nHAP الشبيه بالإبرة (40-50 نانومتر في الطول). وفي النهج الآخر، اقترن nHAP المتاح تجاريا ب GNRs التي تشكل nHAP المغلفة ب GNR (يشار إليها باسم GNR/nHAP) (أي ذات اتجاه معاكس بالنسبة إلى الهجين النانوي nHAP/GNR). عرض الهجين النانوي الذي تم تشكيله باستخدام الطريقة الأخيرة أغلفة نانوية nHAP يتراوح قطرها من 50 نانومتر إلى 70 نانومتر مغطاة بشبكة من GNRs على السطح. أكدت أطياف تشتت الطاقة ، ورسم الخرائط الأولية ، وأطياف الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR) التكامل الناجح ل nHAP و GNRs في كل من الهجينة النانوية. وأشار التحليل الحراري الوزني (TGA) إلى أن الخسارة في درجات حرارة التسخين المرتفعة بسبب وجود GNRs كانت 0.5٪ و 0.98٪ ل GNR / nHAP و nHAP / GNR ، على التوالي. تمثل الهجينة النانوية nHAP-GNR ذات الاتجاهات المعاكسة مواد مهمة للاستخدام في السقالات النشطة بيولوجيا لتعزيز الوظائف الخلوية لتحسين تطبيقات هندسة الأنسجة العظمية.
Introduction
يحتوي الجرافين على هياكل ثنائية الأبعاد تشبه الألواح تتكون من الكربون الهجين sp. يمكن أن تعزى العديد من allotropes الأخرى إلى شبكة قرص العسل الموسعة من الجرافين (على سبيل المثال ، يشكل تكديس صفائح الجرافين الجرافيت 3D أثناء تدحرج نفس المادة يؤدي إلى تكوين أنابيب نانوية 1D1). وبالمثل ، يتم تشكيل الفوليرين 0D بسبب التفاف2. يتميز الجرافين بخصائص فيزيائية كيميائية وإلكترونية بصرية جذابة تشمل تأثير المجال القطبي المحيط وتأثير هول الكمومي في درجة حرارة الغرفة 3,4. يضيف اكتشاف أحداث الامتزاز أحادية الجزيء والتنقل العالي للغاية للناقل إلى السمات الجذابة للجرافين 5,6. علاوة على ذلك ، تعتبر شرائط الجرافين النانوية (GNRs) ذات العروض الضيقة والمسار الحر المتوسط الكبير ، والمقاومة المنخفضة ذات كثافة التيار العالية ، وحركة الإلكترونات العالية مواد ربط واعدة7. ومن ثم، يجري استكشاف GNRs للتطبيقات في عدد لا يحصى من الأجهزة، ومؤخرا في الطب النانوي، وخاصة هندسة الأنسجة وتوصيل الأدوية8.
من بين الأمراض المؤلمة المختلفة ، تعتبر إصابات العظام واحدة من أكثر الإصابات تحديا بسبب الصعوبات في تثبيت الكسر ، والتجديد والاستبدال بعظام جديدة ، ومقاومة العدوى ، وإعادة محاذاة العظام غير النقابية 9,10. تظل الإجراءات الجراحية هي البديل الوحيد لكسور العمود الفخذي. تجدر الإشارة إلى أنه يتم إنفاق ما يقرب من 52 مليون دولار كل عام على علاج إصابات العظام في أمريكا الوسطى وأوروبا11.
يمكن أن تكون السقالات النشطة بيولوجيا لتطبيقات هندسة أنسجة العظام أكثر فعالية من خلال دمج نانو هيدروكسيباتيت (nHAP) ، لأنها تشبه الخصائص المعمارية الدقيقة والنانوية للعظم نفسه12. HAP ، الممثلة كيميائيا باسم Ca 10 (PO4) 6 (OH) 2 مع نسبة Ca / P المولية من 1.67 ، هي الأكثر تفضيلا للتطبيقات الطبية الحيوية ، وخاصة لعلاج عيوب اللثة ، واستبدال الأنسجة الصلبة ، وتصنيع الغرسات لجراحات العظام13,14. وبالتالي ، فإن تصنيع المواد الحيوية القائمة على nHAP المعززة ب GNRs يمكن أن يمتلك توافقا حيويا متفوقا وقد يكون مفيدا بسبب قدرته على تعزيز التكامل العظمي وأن يكون موصلا للعظام15,16. يمكن لهذه السقالات المركبة الهجينة الحفاظ على الخصائص البيولوجية مثل التصاق الخلايا وانتشارها وانتشارها وتمايزها17. هنا ، نبلغ عن تصنيع مركبين نانويين جديدين لهندسة أنسجة العظام عن طريق تغيير الترتيب المكاني ل nHAP و GNRs بشكل عقلاني كما هو موضح في الشكل 1. تم تقييم الخصائص الكيميائية والهيكلية للترتيبين المختلفين ل nHAP-GNRs هنا.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. توليف nHAP عن طريق هطول الأمطار
- توليف nHAP البكر باستخدام 50 مل من خليط التفاعل الذي يحتوي على 1 M Ca(NO3)2∙4H 2 O و 0.67 M (NH 4)H2PO 4 متبوعا بإضافة قطرة NH 4OH (25٪) للحفاظ على درجة الحموضة حول 1018.
- بعد ذلك ، قم بتحريك خليط التفاعل عن طريق التشعيع بالموجات فوق الصوتية (UI) لمدة 30 دقيقة (طاقة 500 واط وتردد الموجات فوق الصوتية 20 كيلو هرتز).
- اترك المحلول الناتج ينضج لمدة 120 ساعة في درجة حرارة الغرفة حتى يستقر الراسب الأبيض ل nHAP. استرجع nHAP عن طريق الطرد المركزي عند 1398 × g لمدة 5 دقائق في درجة حرارة الغرفة.
- اغسل الراسب بالماء منزوع الأيونات (DI) 3x وقم بتجميده لمدة 48 ساعة. يخزن المسحوق الجاف على درجة حرارة 4 درجات مئوية.
2. تحضير المركبات النانوية nHAP/GNR
ملاحظة: يصف ما يلي نهجين لتصنيع nHAP/GNR (أي nHAP على أسطح GNR) و GNR/nHAP (nHAP المغلفة ب GNR) النانوية التي تمثل ترتيبين مكانيين مختلفين ل nHAP و GNRs (الشكل 1).
- توليف nHAP/GNR
- لإعداد المركب النانوي nHAP/GNRs ، استخدم استراتيجية التشغيل المشترك حيث يمكن توليف nHAP واقترانه ب GNRs في وقت واحد ، على النحو التالي.
- قم بإذابة 5 ملغ من GNRs (جدول المواد) في خليط من 1 M نترات الكالسيوم رباعي الهيدرات [Ca(NO3)2·4H 2 O] و 0.67 M ثنائي الأمونيوم فوسفات الهيدروجين [(NH 4)2 HPO4] إلى حجم نهائي 50 مل19.
- خلال هذا التفاعل ، أضف 25٪ من NH4OH dropwise للحفاظ على الرقم الهيدروجيني عند ~ 10. حرك الخليط الناتج بواسطة واجهة المستخدم لمدة 30 دقيقة.
- بعد الانتهاء من التفاعل ، اترك المحلول دون إزعاج لمدة 120 ساعة في درجة حرارة الغرفة حتى النضج.
- راقب تكوين راسب جيلاتيني من nHAP الذي يغطي GNRs ، وبعد ذلك يستقر راسب أبيض من nHAP / GNRs.
- اغسل الراسب 3x بواسطة الطرد المركزي عند 1398 × g لمدة 5 دقائق في درجة حرارة الغرفة تليها إعادة التشتت في ماء DI.
- Lyophilize الرواسب المغسولة المستردة لمدة 48 ساعة. يخزن المسحوق الجاف على درجة حرارة 4 درجات مئوية.
- استخدم nHAP البكر و GNRs كعينات تحكم.
- توليف المركب النانوي GNR/nHAP
- تعليق nHAP المتاح تجاريا بتركيز 5 ملغ / مل في 50 مل من ماء DI المكمل ب 5 ملغ من GNRs.
- حرك الخليط الناتج بواسطة واجهة المستخدم لمدة 30 دقيقة ثم اترك الخليط دون إزعاج لمدة 120 ساعة في درجة حرارة الغرفة.
- بعد النضج ، استرجع الراسب الأبيض ل GNR / nHAP الناتج عن طريق الطرد المركزي عند 1398 × g لمدة 5 دقائق في درجة حرارة الغرفة.
- اغسل العينة 3x باستخدام ماء DI ، وقم بتجميدها لمدة 48 ساعة ، وخزن المسحوق الجاف عند 4 درجات مئوية لمزيد من الاستخدام.
3. توصيف nHAP و nHAP / GNR و GNR / nHAP
- استخدم المجهر الإلكتروني الناقل عالي الدقة (HRTEM) (انظر جدول المواد) لتوصيف مورفولوجيا وحجم المركبات النانوية11.
- تحليل التركيب الأولي للمركبات النانوية باستخدام التحليل الطيفي المشتت للطاقة (EDS) وإجراء رسم الخرائط الأولية باستخدام المجهر الإلكتروني للإرسال الماسح (STEM)11.
- قم بإجراء التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء المحولة من فورييه (FTIR) للعينات الأنيقة عند أرقام موجية تبلغ 500-4000 سم −1 لتحليل المجموعات الكيميائية في المركب النانوي16.
- قم بإجراء تحليل حيود الأشعة السينية المسحوقة (XRD) ل nHAP كما تم تصنيعه باستخدام طول موجي للأشعة السينية يبلغ 1.5406 Å ، وإعدادات التيار والجهد من 40 mA و 40 kV ، على التوالي ، و 2θ تتراوح من 20 درجة إلى 90 درجة.
- تقييم النسبة المئوية لتحميل GNR في المركب النانوي باستخدام التحليل الحراري الوزني (TGA) عن طريق تسخين العينات من درجة حرارة الغرفة إلى 1000 درجة مئوية بمعدل 10 درجات مئوية / دقيقة تحت تدفق النيتروجين.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تحليل HRTEM
وعلى المستوى الفردي، كانت الشبكات العالمية للإيرادات العالمية عبارة عن هياكل نحيلة تشبه الخيزران مع بعض الانحناءات على مسافة ما كما لوحظ في الشكل 2. كان أطول GNR 1.841 ميكرومتر في حين أن أصغر GNR عازمة كان 497 نانومتر. غالبا ما أظهرت الشرائط النانوية تباينا مرئيا في العرض يمكن أن يعزى إلى الالتواء لتشكيل تكوينات حلزونية في العديد من الأماكن. قد تساعد هذه المحاذاة أحادية الاتجاه ل GNRs في الحصول على ميزات جذابة مثل الخصائص المغناطيسية أو الموصلية أو نقل الحرارة7.
وكانت النواتج التي تم تصنيعها باستخدام رباعي هيدرات نترات الكالسيوم وفوسفات الهيدروجين ثنائي الأمونيوم في درجة حرارة الغرفة (الخطوة 1) على شكل قضيب أو تشبه الإبرة بحجم يتراوح بين 40 نانومتر و50 نانومتر (الشكل 3). تم العثور على المواد النانوية المركبة في كتل بسبب التجميع والنمو البلوري. ومن ناحية أخرى، كانت المحطات غير الصحية الوطنية المتاحة تجاريا المستخدمة كروية (الشكل 4)؛ كانت هذه الكرات النانوية قطرها 50-70 نانومتر وموجودة في مجموعات منفصلة من 15-20 كرة.
وقد أودعت الشبكة في الموقع على الشبكات العالمية للإنتاج النووي (ممثلة في الاستراتيجية الوطنية للإنتاج الكيميائي/الناتج القومي الإجمالي) في استراتيجية التشغيل المشترك (الخطوة 2-1). وتألفت المركبات النانوية الناتجة عن ذلك من GNRs و nHAP من هياكل نانوية مترابطة للغاية يسهل اختراقها. وتعزى غلبة nHAPs الشبيهة بالإبرة التي تغطي سطح GNR في بقع (الشكل 5) إلى GNRs التي تعمل كسقالة نانوية مميزة لنواة nHAP. ووجد أن بقع nHAP يتراوح طولها وعرضها بين 150 نانومتر و250 نانومتر (الشكل 5A,B). وأكد رسم الخرائط الأولية أن البقع العقدية الوسيطة في تقارير الدخل القومي الإجمالي كانت في الواقع غير طبيعية بسبب وجود الكالسيوم الأولي والفوسفور (الشكل 5C).
وفي الطريقة الأخرى (الخطوة 2-2)، اقترن ال nHAP المشكل مسبقا ب GNRs مما أدى إلى تكوين nHAP المغلفة ب GNR (ممثلة في GNR/nHAP، أي بتوجيه عكسي مقارنة بمركب nHAP/GNR). وفي هذه الحالة، شكلت الشبكات العالمية للغازات الطبيعية أغشية رقيقة على سطح الجسيمات النانوية الكروية nHAP (الشكل 6).
ومن المثير للاهتمام أن الانحناءات والالتواءات التي لوحظت في محيط GNRs كما هو واضح في الشكل 2A تعزى في الغالب إلى خصائص الاستقرار المنخفضة التي ربما تكون قد عززت بشكل كبير التفاعل الميكانيكي والتعلق مع nHAP كما هو موضح في الشكل 5 والشكل 6. علاوة على ذلك ، فإن المساحة السطحية الكبيرة ل GNRs البكر تساعد أيضا في المزيد من تحميل nHAP. أيضا ، أدى تقادم المحاليل المركبة لمدة 120 ساعة إلى التحويل الكامل للأباتيت إلى هيدروكسيباتيت عالي البلورة (الشكل 3 والشكل 5). تتفاعل المجموعات الوظيفية القائمة على الأكسجين لسطح GNR كهروستاتيكيا مع Ca2+ ، وتعمل كموقع للمستقبلات. يمكن الحصول على هياكل الأباتيت النانوية بشكل أكبر بسبب التفاعل في الموقع بين هذه الكاتيونات المثبتة وأيونات الفوسفات (الخطوة 2.1). يتم التحكم في اتجاه nHAP المجهري على سطح GNR من خلال عدة عوامل تشمل كمية ونوع مجموعات الأكسجين على القوالب القائمة على الجرافين ، والتركيز النسبي للسلائف (Ca2+ و HPO42-) ، والرقم الهيدروجيني لخليط التفاعل ، ووقت النضج. أدى التأثير التراكمي لظروف التفاعل إلى التفاف GNRs الشفافة على سطح الأغلفة النانوية nHAP ربما بسبب الامتزاز الفيزيائي غير التساهمي.
تحليل أطياف تشتت الطاقة (EDS)
ولتأكيد المكونات الرئيسية والتركيب الأولي للمركبات النانوية، أجري تحليل طيفي مشتت للطاقة. في الشكل 7 أ ، أظهرت أطياف EDS من GNRs البكر ذروة الكربون التي تتوافق مع GNRs في حين لم يتم ملاحظة أي قمم أخرى باستثناء النحاس الذي نسب إلى الشبكة المستخدمة لتركيب العينات أثناء تحليل HRTEM. ويبين الشكل 7B طيف EDS من الأغلفة النانوية nHAP المشكلة مسبقا والمتاحة تجاريا حيث تعزى قمم الكربون والنحاس إلى الشبكات النحاسية المطلية بالكربون المستخدمة في تركيب العينات أثناء تحليل HRTEM. وفي الشكل 7 جيم، تعزى الزيادة الواضحة في محتوى الكربون إلى الناتج القومي الإجمالي، في حين أن القمم الأخرى الخاصة بالكالسيوم والفوسفور تعزى إلى nHAP في المركبات النانوية GNR/nHAP. ويبين الشكل 8 أطياف EDS للمركب nHAP (الخطوة 1) (الشكل 8A) ومركب nHAP/GNR (الشكل 8B). وتعزى الزيادة الملحوظة في محتوى الكربون في طيف nHAP/GNR إلى غالبية ال GNR التي لم تلاحظ عليها سوى بقع صغيرة من nHAP الطازجة.
تحليل FTIR
وتم تأكيد اقتران nHAP ب GNRs من خلال أطياف FTIR. ويبين الشكل 9 أطياف FTIR ل nHAP و GNR و nHAP/GNR و GNR/nHAP. ينظر إلى OH خارج ذروة الانحناء الطائرة عند 600 cm-1 في FTIR من GNR12. لوحظت الذروة عند 1030 سم - 1 ، والتي تعزى إلى تمدد P-O في nHAP ، مما يؤكد تركيبها الكيميائي15. ومن الجدير بالذكر أن ذروة التمدد P-O المميزة ل nHAP وجدت أيضا في nHAP / GNR و GNR / nHAP ، مما يشير إلى وجود nHAP في كل من المركبات. وتعزى الذروتان الأخريان، 1413 و1447 سم-1 الموجودتان فقط في المركبات إلى اهتزازات δCH 2 ومجموعة الكربونات (CO32−)، على التوالي، والتي تؤكد اقتران GNR و nHAP16.
تحليل حيود الأشعة السينية (XRD)
يظهر نمط XRD ل HAP (الخطوة 2.1) في الشكل 10. أشارت القمم القوية إلى بلورة جيدة للمادة. كانت مراكز الذروة متفقة بشكل جيد مع تلك الموجودة في البيانات القياسية للتصنيف الدولي للدراجات (بطاقة PDF2: 00-009-0432). ويؤكد هذا أيضا البنية البلورية السداسية (المجموعة الفضائية P63/m) ل nHAP، التي لها قيم بارامترات شبكية تبلغ a = b = 0.940 nm و c = 0.615 nm. أكدت بعض القمم البارزة والقوية عند قيم 2θ من 25.8 ° و 28.2 ° و 31.8 ° و 32.9 ° و 34.1 ° و 39.7 ° و 43.9 ° و 46.6 ° و 49.4 ° المقابلة ل (002) و (102) و (211) و (300) و (202) و (310) و (113) و (222) و (213) ، على التوالي ، نقاء nHAP 16،20،21 المركب.
التحليل الحراري الوزني (TGA)
تم استخدام التحليل الحراري الوزني (TGA) لتقدير نسبة التحميل في المترافقات (الشكل 11). كانت ثلاث خسائر بارزة في الكتلة واضحة خلال تحليل TGA. يرجع الفقدان الأولي في الكتلة عند درجات حرارة تصل إلى 100 درجة مئوية إلى المياه المادية المحاصرة. الخسارة الثانية بين 100 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية ترجع إلى تحلل GNR إلى سخام الكربون. كان الانخفاض المطرد في الكتلة بعد ذلك حتى 500 درجة مئوية بسبب تبلور nHAP. مزيد من التدفئة أدى إلى تحلل المجمعات. وتبين أن الخسارة الناجمة عن وجود الموارد المالية العالمية تتراوح بين 0.5 في المائة و 0.98 في المائة في الناتج القومي الإجمالي و nHAP و nHAP/GNR على التوالي. ومن ثم، فإنه يتفق اتفاقا جيدا مع تحليلنا السابق حيث وجد أن HAP هو المكون الرئيسي وكانت GNRs موجهة نحو السطح داخل GNR/nHAP. ومن ناحية أخرى، كانت الشبكات العالمية للبحوث النووية وفيرة في الشبكة الوطنية للنهوض بالحيوان/الشبكة العالمية للبحوث الزراعية حيث شكلت الشبكة رقعا منفصلة على الامتداد الطويل للشبكات العالمية للبحوث الزراعية.
الشكل 1: التمثيل التخطيطي لتوليف مركبات الجرافين النانوية الهجينة ذات التوجه العكسي - الهيدروكسيباتيت: (A) nHAP/GNR و (B) GNR/nHAP. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: التحليل الهيكلي للتقارير العالمية للوائح الوطنية: (أ) تحليل الموارد البشرية للوائح الوطنية العارية من هذه الظاهرات؛ (ب) تحليل الموارد البشرية للتقارير العالمية الشاملة؛ (ج) تحليل الموارد البشرية والموارد الطبيعية للتقارير العالمية العارية للإحصاءات الوطنية؛ (ج) تحليل الموارد البشرية والموارد البشرية للتقارير المالية العالمية المجردة؛ (ج) تحليل الموارد البشرية (ب) مسح صور وضع الإلكترون الإرسال (STEM) للشبكات العالمية للإحصاءات العالمية؛ و (ج) رسم الخرائط الأولية للتقارير العالمية للموارد، حيث تشير الألوان الأحمر والأخضر والأصفر والأزرق إلى الكربون والأكسجين والفوسفور والكالسيوم، على التوالي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: التحليل الهيكلي ل nHAP المركب: (أ) تحليل HRTEM ل nHAP. (ب) مسح صور وضع الإلكترون الإرسال (STEM) ل nHAP مع شريط مقياس مضمن يمثل 100 نانومتر؛ و (ج) رسم الخرائط الأولية ل nHAP حيث تشير الألوان الأحمر والأخضر والأصفر والأزرق إلى الكربون والأكسجين والفوسفور والكالسيوم ، على التوالي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: التحليل الهيكلي ل nHAP المتاح تجاريا مسبقا: (أ) تحليل HRTEM ل nHAP ؛ (ب) تحليل الموارد البشرية ل nHAP ؛ (ج) تحليل الموارد البشرية ل nHAP ؛ (ج) تحليل الموارد البشرية ل nHAP ؛ (ج) تحليل الموارد البشرية ل nHAP ؛ (ج) تحليل الموارد البشرية ل nHAP ؛ (ج) تحليل الموارد البشرية (ب) مسح صور وضع الإلكترون الإرسال (STEM) ل nHAP؛ و (ج) رسم الخرائط الأولية ل nHAP حيث تشير الألوان الأحمر والأخضر والأصفر والأزرق إلى الكربون والأكسجين والفوسفور والكالسيوم ، على التوالي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: التحليل الهيكلي ل nHAP/GNR الذي تم تجميعه بواسطة استراتيجية التشغيل المشترك: (أ) تحليل إدارة الموارد البشرية ل nHAP/GNR؛ (ب) تحليل الموارد البشرية ل nHAP/GNR؛ (ج) تحليل الموارد البشرية ل nHAP/GNR؛ (ج) تحليل الموارد البشرية والموارد البشرية ل nHAP/GNR؛ (ج) تحليل الموارد البشرية والموارد البشرية ل nHAP/GNR؛ (ج) تحليل الموارد البشرية والموارد البشرية ل nHAP/GNR؛ (ج) تحليل الموارد البشرية والموارد البشرية ل nHAP (ب) مسح صور وضع الإلكترون الإرسال (STEM) ل nHAP/GNR؛ و (ج) رسم الخرائط الأولية ل nHAP / GNR حيث تشير الألوان الحمراء والخضراء والصفراء والزرقاء إلى الكربون والأكسجين والفوسفور والكالسيوم ، على التوالي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: التحليل الهيكلي ل GNR/nHAP: (أ) تحليل إدارة الموارد البشرية ل GNR/nHAP؛ (ب) تحليل الموارد البشرية لشبكة GNR/nHAP؛ (ب) تحليل الموارد البشرية والموارد البشرية ل GNR/nHAP؛ (ج) تحليل الموارد البشرية والموارد البشرية ل GNR/nHAP؛ (ج) تحليل الموارد البشرية والموارد البشرية ل GNR/nHAP؛ (ب) مسح صور وضع الإلكترون الإرسال (STEM) ل GNR/nHAP مع شريط مقياس مضمن يمثل 50 نانومتر؛ و (ج) رسم الخرائط الأولية ل GNR / nHAP حيث تشير الألوان الحمراء والخضراء والصفراء والزرقاء إلى الكربون والأكسجين والفوسفور والكالسيوم ، على التوالي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: تحليل EDS للمركب النانوي GNR/nHAP: (A) GNRs، (B) nHAP المتوفر تجاريا مسبقا، و (C) المركب النانوي GNR/nHAP. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 8: تحليل EDS للمركب النانوي nHAP/GNR: (A) nHAP المركب و (B) nHAP/GNR. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 9: تحليل FTIR للمركبات النانوية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 10: تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) ل nHAP. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 11: التحليل الحراري الوزني للمركبات النانوية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
على الرغم من أن العديد من المعادن والبوليمرات والسيراميك ومجموعاتها قد تم بحثها كغرسات لتقويم العظام وملحقات التثبيت ، إلا أن HAP تعتبر واحدة من أكثر المواد المفضلة بسبب تشابهها الكيميائي مع العظام نفسها وما يترتب عليها من توافق خلوي عال 20،21،22. في هذه الدراسة ، كان اتجاه HAP متنوعا ، والذي يمكن أن يكون له تأثير كبير على خصائصه الفريدة ، مثل تعزيز تكوين العظام ، والتكامل العظمي ، والموصلية العظمية. علاوة على ذلك ، يمكن أن يؤثر تغيير اتجاه HAP على الخصائص الميكانيكية للمركبات النانوية لزيادة محاكاة العظام الطبيعية ، حيث تمتلك العظام الطويلة في الجسم محاذاة متباينة التباين ل HA مع الكولاجين ، في حين أن العظام المكعبة تمتلك ترتيبا عشوائيا ل HA مع الكولاجين. تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن HAP الطبيعي هو المكون الرئيسي لأسنان الإنسان وعظامه ، إلا أن خصائصه الفيزيائية تعتمد إلى حد كبير على ظروف التفاعل مثل وقت التفاعل ودرجة الحموضة وتركيز الفوسفات والطبيعة الكيميائية للمرحلة23 من CaP. وبالتالي ، في هذه الدراسة ، تم استخدام طريقة كيميائية رطبة لتوليف nHAP عند درجة حموضة 10 تحت الإشعاع بالموجات فوق الصوتية (UI). أفاد Barbosa et al. (2013) أيضا أن واجهة المستخدم بالاقتران مع هطول الأمطار المائية دون تكلس هي طريقة بسيطة وسريعة وفعالة تولد nHAP مع بلورة وخصوصية عالية18.
من المهم ملاحظة أن المواد الحيوية المرتبطة ب HAP المصنعة صناعيا غالبا ما تظهر خصائص ميكانيكية ضعيفة تشمل الهشاشة الجوهرية ، وانخفاض صلابة الكسر ، وارتداء22. وبالتالي ، يتم تعزيز nHAP هنا ب GNRs لتيسير: (i) تشغيل السطح المرتبط بالجسيمات النانوية ، (ii) التفاعلات الكهروستاتيكية في الواجهة في المجمع ، و (iii) نقل الإجهاد إلى الحشوات النانوية من مصفوفة السقالات 24،25،26. أدى التوليف الكيميائي الرطب المتبع هنا إلى nHAP البكر في الغالب في جزيئات أكيوكولوجية صغيرة متكتلة في جزيئات أكبر (~ 40 نانومتر). تتفق هذه النتيجة تماما مع تقرير Barbosa et al. (2013) ، حيث تم التكهن بأن واجهة المستخدم لعبت دورا حاسما في تحفيز التنوي عن طريق تشكيل جدران فقاعية على مقربة ، يشار إليها باسم "النقاط الساخنة"18,27.
من المثير للاهتمام ملاحظة أن انخفاض حجم الجسيمات لكل من جزيئات المضيف والضيف يمكن أن يعزز قابلية التدفق فقط حتى حد معين. بعد ذلك ، قد يؤدي المزيد من الانخفاض في بعد الجسيم المضيف إلى تكتل يؤثر سلبا على قابلية التدفق28. بصرف النظر عن تحفيز النوى الأولية في محلول خال من الجسيمات تقريبا ، تمنع واجهة المستخدم مستويات التشبع الفائق العالية. وعلاوة على ذلك، فإن التخفيض بوساطة واجهة المستخدم في الوقت المنقضي بين إنشاء التشبع الفائق وبداية النوى والتبلور قد يكون عاملا رئيسيا في تطور شكل nHAP ونمط التشغيل على GNRs. يمكن أن يعزى هيكل nHAP / GNR إلى التأثير التراكمي لدرجة حرارة التفاعل ، والضغط المرتبط بانهيار الفقاعة ، وموجات الصدمة بالإضافة إلى الإثارة النشطة للغاية التي تم إنشاؤها في المناطق المركزة مكانيا. وبالمثل، يمكن أن يعزى هيكل GNR/nHAP الذي تم توليفه عن طريق الإضافة المتزامنة ل GNRs البكر و nHAP في وجود واجهة المستخدم إلى معدلات التبريد المحلية السريعة اللاحقة التي تعزز التشبع الفائق. يمكن أن تؤدي الزيادة الموضعية في الضغط أيضا إلى تقليل درجة حرارة التبلور ، في حين يمكن التغلب على الحاجز الناتج عن طاقة التنشيط بشكل كبير عن طريق نقل الطاقة بسبب التجويف أثناء التشغيل السطحي ل GNRs18,27.
يظهر أحد التقارير أن التطبيق المفرط لواجهة المستخدم (~ 30-120 دقيقة) أثناء التوليف يقلل من بلورة و / أو حجم بلورات nHAP29. هذا قد يحدد أيضا اتجاه الوظيفية كما لوحظ في دراستنا. حتى في هذه الدراسة ، أظهرت النتائج أن واجهة المستخدم لفترة تعرض طويلة نسبيا (30 دقيقة) أثناء تخليق nHAP أدت إلى ترسب nHAP على GNRs. من ناحية أخرى ، أدت واجهة المستخدم لمدة 30 دقيقة مع nHAP و GNRs المشكلة مسبقا إلى ترسب GNRs على nHAPs الكروية. وبالتالي ، فإن هذه الطريقة مثالية للإنتاج الواسع النطاق ل nHAP للحصول على مركبات مدمجة في GNR لتصنيع السقالات30,31. مثل هذه المركبات الجديدة ذات التوجه العكسي ذات الخصائص الميكانيكية الفائقة يمكن أن تكون مهمة لهندسة الأنسجة العظمية. على وجه الخصوص ، أفاد Fan et al. (2014) أن إدخال الجرافين يمكن أن يحسن بشكل كبير من صلابة ومعامل يونغ ل nHAP الذي بدوره يظهر تكاملا عظميا أعلى مع العظام المحيطة (أي التوافق الحيوي الفائق) ، مقارنة بالجرافين البكر و nHAP ، بشكل فردي32. وبالتالي ، يمكن أن تكون المركبات النانوية المكونة من GNRs و nHAP ذات الخصائص الميكانيكية الفائقة والتوافق الحيوي مواد حيوية واعدة للعديد من تطبيقات تقويم العظام33،34،35.
ومع ذلك ، فإن التحدي الرئيسي في تصنيع nanohybrids مع اتجاهات معاكسة هو أنه ينبغي اتباع معلمات التفاعل بدقة للحصول على الاتجاه المطلوب للمركبات النانوية36,37. علاوة على ذلك ، في استراتيجية التشغيل المشترك ، تم إيداع كميات أقل من nHAP على شكل إبرة على GNRs ، مما يمكن أن يقلل من إمكاناتها لتجديد أنسجة العظام والقوة الميكانيكية. تختلف أشكال nHAP في كلتا الطريقتين ، والتي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على كمية تكوين العظام وبالتالي تسبب خصائص مختلفة ذات صلة بالتطبيقات الطبية الحيوية.
في الختام ، هنا ، قمنا بتوليف المركبات النانوية المكونة من GNRs و nHAP مع ترتيبات مكانية متناقضة قد يكون لها تطبيقات محتملة في جراحة العظام. أظهرت النتائج أن مورفولوجيا nHAP ووقت التشغيل (أي ما إذا كان التشغيل يحدث بعد التوليف أو في نفس الوقت الذي يتم فيه تخليق nHAP) يحدد اتجاه nHAP و GNRs في المركبات النانوية. وأدى التشغيل المشترك أثناء التوليف إلى تحقيق نتائج غير هابية/GNRs، في حين أدى التشغيل مع nHAP المشكل مسبقا إلى GNRs/nHAP. قد تكون هذه المركبات النانوية قابلة للتطبيق لتطوير سقالات لتعزيز تكوين العظام ، وبالتالي ، لديها وعد كبير في الطب النانوي التجديدي مما يبرر إجراء مزيد من التحقيق.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
يعترف الدكتور سوغاتا غوش بقسم العلوم والتكنولوجيا (DST) ، وزارة العلوم والتكنولوجيا ، حكومة الهند ، ومركز جواهر لال نهرو للبحث العلمي المتقدم ، الهند للتمويل في إطار زمالة ما بعد الدكتوراه في الخارج في علوم وتكنولوجيا النانو (المرجع JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 بتاريخ 19 أغسطس 2019). تعترف الدكتورة سوغاتا غوش بجامعة كاسيتسارت ، بانكوك ، تايلاند للحصول على زمالة ما بعد الدكتوراه ، والتمويل في إطار برنامج إعادة اختراع الجامعة (المرجع رقم 6501.0207/10870 بتاريخ 9 نوفمبر 2021). يود المؤلفون أن يشكروا مرفق كوستاس المتقدم للتوصيف النانوي (KANCF) على المساعدة في تجارب التوصيف. KANCF هي منشأة بحثية وتعليمية مشتركة متعددة التخصصات داخل معهد كوستاس للأبحاث (KRI) في جامعة نورث إيسترن.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ammonium phosphate monobasic | Sigma-Aldrich | 216003-100G | Synthesis |
| Calcium nitrate tetrahydrate | Sigma-Aldrich | 237124 | Synthesis |
| Centrifuge | Hettich | EBA 200S | Recovery |
| Fourier transform infrared spectrometer | Brucker | Vertex 70 | Characterization |
| Graphene nanoribbon | Sigma-Aldrich | 922714 | Synthesis |
| High resolution transmission electron microscope | Thermo Fisher Scientific | Themis Titan 300 | Characterization |
| Magnetic stirrer | IKA | C-MAG HS7 S68 | Functionalization |
| Micropipettes | TreffLab | 06H35687 | Reagent preparation |
| pH meter | Eutech pH5+ | ECPH503PLUSK | Reagent preparation |
| Thermogravimetric analyzer | TA Instruments | SDT Q600 | Characterization |
| Ultrasonic bath | Bandelin | DT100 | Functionalization |
| Universal Oven | Memmert | UF55 | Functionalization |
| Weighing balance | Precisa | XB220A | Reagent preparation |
| X-ray diffractometer | Brucker | D8-Advanced | Characterization |
References
- Novoselov, K. S., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
- Novoselov, K. S., et al. Unconventional quantum Hall effect and Berry's phase of 2π in bilayer graphene. Nature Physics. 2 (3), 177-180 (2006).
- Zhang, Y. B., Tan, Y. W., Stormer, H. L., Kim, P. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene. Nature. 438 (7065), 201-204 (2005).
- Ozyilmaz, B., et al. Electronic transport and quantum hall effect in bipolar Graphene p−n−p junctions. Physical Review Letters. 99 (16-19), 166804 (2007).
- Morozov, S. V., et al. Giant intrinsic carrier mobilities in graphene and its bilayer. Physical Review Letters. 100 (1-11), 016602 (2008).
- Han, M., Ozyilmaz, B., Zhang, Y., Jarillo-Herero, P., Kim, P. Electronic transport measurements in graphene nanoribbons. Physica Status Solidi B: Basic Solid State Physics. 244 (11), 4134-4137 (2007).
- Talyzin, A. V., et al. Synthesis of graphene nanoribbons encapsulated in single-walled carbon nanotubes. Nano Letters. 11 (10), 4352-4356 (2011).
- Allen, M. J., Tung, V. C., Kaner, R. B. Honeycomb carbon: A review of graphene. Chemical Reviews. 110 (1), 132-145 (2010).
- Ghosh, S., Webster, T. J. Metallic nanoscaffolds as osteogenic promoters: Advances, challenges and scope. Metals. 11 (9), 1356 (2021).
- Ghosh, S., Webster, T. J. Mesoporous silica based nanostructures for bone tissue regeneration. Frontiers in Materials. 8, 213 (2021).
- Medeiros, J. S., et al. Nanohydroxyapatite/graphene nanoribbons nanocomposites induce in vitro osteogenesis and promote in vivo bone neoformation. ACS Biomaterials Science and Engineering. 4 (5), 1580-1590 (2018).
- Faniyi, I. O., et al. The comparative analyses of reduced graphene oxide (RGO) prepared via green, mild and chemical approaches. SN Applied Sciences. 1 (10), 1-7 (2019).
- Neelgund, G. M., Oki, A., Luo, Z. In situ deposition of hydroxyapatite on graphene nanosheets. Materials Research Bulletin. 48 (2), 175-179 (2013).
- Rajkumar, M., Sundaram, N. M., Rajendran, V. Preparation of size controlled, stoichiometric and bioresorbable hydroxyapatite nanorod by varying initial pH, Ca/P ratio and sintering temperature. Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures. 6 (1), 169-179 (2011).
- Mondal, S., et al. Hydroxyapatite coated iron oxide nanoparticles: A promising nanomaterial for magnetic hyperthermia cancer treatment. Nanomaterials. 7 (12), 426 (2017).
- Oliveira, F. C., et al. High loads of nano-hydroxyapatite/graphene nanoribbon composites guided bone regeneration using an osteoporotic animal model. International Journal of Nanomedicine. 14, 865-874 (2019).
- Murugan, N., Sundaramurthy, A., Chen, S. -M., Sundramoorthy, A. K. Graphene oxide/oxidized carbon nanofiber/mineralized hydroxyapatite based hybrid composite for biomedical applications. Materials Research Express. 4 (12), 124005 (2017).
- Barbosa, M. C., Messmer, N. R., Brazil, T. R., Marciano, F. R., Lobo, A. O. The effect of ultrasonic irradiation on the crystallinity of nano-hydroxyapatite produced via the wet chemical method. Materials Science and Engineering C. 33 (5), 2620-2625 (2013).
- Rodrigues, B. V. M., et al. Graphene oxide/multi-walled carbon nanotubes as nanofeatured scaffolds for the assisted deposition of nanohydroxyapatite: characterization and biological evaluation. International Journal of Nanomedicine. 11, 2569-2585 (2016).
- Sharma, M., Nagar, R., Meena, V. K., Singh, S. Electro-deposition of bactericidal and corrosion-resistant hydroxyapatite nanoslabs. RSC Advances. 9 (20), 11170-11178 (2019).
- Kamrujjaman, M., Khandaker, J. I., Haque, M. M., Rahman, M. O., Rahman, M. M. Study of the dependency of pH values on HAp synthesis. Journal of Nanomaterials & Molecular Nanotechnology. 7, 4 (2019).
- Baradaran, S., et al. Mechanical properties and biomedical applications of a nanotube hydroxyapatite-reduced graphene oxide composite. Carbon. 69, 32-45 (2014).
- Sassoni, E. Hydroxyapatite and other calcium phosphates for the conservation of cultural heritage: A review. Materials. 11 (4), 557 (2018).
- Tang, H., Ehlert, G. J., Lin, Y., Sodano, H. A. Highly efficient synthesis of graphene nanocomposites. Nano Letters. 12 (1), 84-90 (2012).
- Walker, L. S., Marotto, V. R., Rafiee, M. A., Koratkar, N., Corral, E. L.
- Rafiee, M. A., et al. Enhanced mechanical properties of nanocomposites at low graphene content. ACS Nano. 3 (12), 3884-3890 (2009).
- Luque de Castro, M. D., Priego-Capote, F.
- Azhari, A., Toyserkani, E. Additive manufacturing of graphene-hydroxyapatite nanocomposite structures. International Journal of Applied Ceramic Technology. 12 (1), 8-17 (2015).
- Li, H., Wang, J., Bao, Y., Guo, Z., Zhang, M.
- Zou, Z., Lin, K., Chen, L., Chang, J. Ultrafast synthesis and characterization of carbonated hydroxyapatite nanopowders via sonochemistry-assisted microwave process. Ultrasonics Sonochemistry. 19 (6), 1174-1179 (2012).
- Rouhani, P., Taghavinia, N., Rouhani, S. Rapid growth of hydroxyapatite nanoparticles using ultrasonic irradiation. Ultrasonics Sonochemistry. 17 (5), 853-856 (2010).
- Fan, Z., et al. One-pot synthesis of graphene/hydroxyapatite nanorod composite for tissue engineering. Carbon. 66, 407-416 (2014).
- Ghosh, S., Mostafavi, E., Thorat, N., Webster, T. J. Nanobiomaterials for three- dimensional bioprinting. Nanotechnology in Medicine and Biology. Liu, H., Shokuhfar, T., Ghosh, S. , Elsevier. 1-24 (2021).
- Ghosh, S., Sanghavi, S., Sancheti, P. Metallic biomaterial for bone support and replacement. Fundamental Biomaterials: Metals. Vol 2. Woodhead Publishing Series in Biomaterials. Balakrishnan, P., Sreekala, P., Thomas, S. , Woodhead Publishing. 139-165 (2018).
- Hazra, A., Basu, S. Graphene nanoribbon as potential on-chip interconnect material-A Review. C Journal of Carbon Research. 4 (3), 49 (2018).
- Zanin, H., et al. Fast preparation of nano-hydroxyapatite/superhydrophilic reduced graphene oxide composites for bioactive applications. Journal of Materials Chemistry B. 1 (38), 4947-4955 (2013).
- Lobo, A. O., et al. Fast preparation of hydroxyapatite/superhydrophilic vertically aligned multiwalled carbon nanotube composites for bioactive application. Langmuir. 26 (23), 18308-18314 (2010).
