Summary
Neuartige Nanokomposite aus Graphen-Nanobändern und Hydroxylapatit-Nanopartikeln wurden mittels Lösungsphasensynthese hergestellt. Wenn diese Hybriden in bioaktiven Gerüsten eingesetzt werden, können sie potenzielle Anwendungen im Tissue Engineering und in der Knochenregeneration aufweisen.
Abstract
Die Entwicklung neuartiger Materialien für das Knochengewebe-Engineering ist einer der wichtigsten Schwerpunkte der Nanomedizin. Mehrere Nanokomposite wurden mit Hydroxylapatit hergestellt, um die Zelladhärenz, -proliferation und -osteogenese zu erleichtern. In dieser Studie wurden erfolgreich hybride Nanokomposite unter Verwendung von Graphen-Nanobändern (GNRs) und Nanopartikeln aus Hydroxylapatit (nHAPs) entwickelt, die, wenn sie in bioaktiven Gerüsten eingesetzt werden, möglicherweise die Knochengeweberegeneration verbessern können. Diese Nanostrukturen können biokompatibel sein. Hier wurden zwei Ansätze zur Herstellung der neuartigen Materialien verwendet. In einem Ansatz wurde eine Kofunktionalisierungsstrategie verwendet, bei der nHAP gleichzeitig synthetisiert und mit GNRs konjugiert wurde, was zu Nanohybriden von nHAP auf GNR-Oberflächen (als nHAP / GNR bezeichnet) führte. Die hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) bestätigte, dass der nHAP/GNR-Verbund aus schlanken, dünnen Strukturen von GNRs (maximale Länge von 1,8 μm) mit diskreten Patches (150-250 nm) nadelartigem nHAP (40-50 nm Länge) besteht. Im anderen Ansatz wurde kommerziell erhältliches nHAP mit GNRs konjugiert, die GNR-beschichtetes nHAP (bezeichnet als GNR/nHAP) bildeten (d. h. mit einer entgegengesetzten Orientierung relativ zum nHAP/GNR-Nanohybrid). Der mit der letzteren Methode gebildete Nanohybrid zeigte nHAP-Nanosphären mit einem Durchmesser von 50 nm bis 70 nm, die mit einem Netzwerk von GNRs auf der Oberfläche bedeckt waren. Energiedispersive Spektren, Elementabbildung und Fourier-Transformations-Infrarotspektren (FTIR) bestätigten die erfolgreiche Integration von nHAP und GNRs in beide Nanohybride. Die thermogravimetrische Analyse (TGA) ergab, dass der Verlust bei erhöhten Heiztemperaturen aufgrund des Vorhandenseins von GNRs 0,5% bzw. 0,98% für GNR/nHAP bzw. nHAP/GNR betrug. Die nHAP-GNR-Nanohybride mit entgegengesetzten Orientierungen stellen wichtige Materialien für den Einsatz in bioaktiven Gerüsten dar, um möglicherweise zelluläre Funktionen zur Verbesserung von Knochengewebe-Engineering-Anwendungen zu fördern.
Introduction
Graphen hat plattenartige zweidimensionale Strukturen, die aus sp-hybridisiertem Kohlenstoff bestehen. Mehrere andere Allotrope können dem ausgedehnten Wabennetzwerk von Graphen zugeschrieben werden (z. B. bildet das Stapeln von Graphenschichten 3D-Graphit, während das Abrollen desselben Materials zur Bildung von 1D-Nanoröhrchenführt 1). Ebenso werden 0D-Fullerene durch Umhüllung2 gebildet. Graphen hat attraktive physikalisch-chemische und optoelektronische Eigenschaften, zu denen ein ambipolarer Feldeffekt und ein Quanten-Hall-Effekt bei Raumtemperaturgehören 3,4. Der Nachweis von Einzelmolekül-Adsorptionsereignissen und eine extrem hohe Trägermobilität tragen zu den attraktiven Eigenschaften von Graphen 5,6 bei. Darüber hinaus gelten Graphen-Nanobänder (GNRs) mit schmalen Breiten und einem großen mittleren freien Weg, niedrigem spezifischen Widerstand mit hoher Stromdichte und hoher Elektronenbeweglichkeit als vielversprechende Verbindungsmaterialien7. Daher werden GNRs für Anwendungen in einer Vielzahl von Geräten und in jüngster Zeit in der Nanomedizin erforscht, insbesondere in der Gewebezüchtung und Arzneimittelabgabe8.
Unter verschiedenen traumatischen Beschwerden gelten Knochenverletzungen als eine der schwierigsten aufgrund von Schwierigkeiten bei der Stabilisierung der Fraktur, der Regeneration und dem Ersatz durch neuen Knochen, dem Widerstand gegen Infektionen und der Neuausrichtung von Knochennicht-Verbindungen 9,10. Chirurgische Eingriffe bleiben die einzige Alternative für Oberschenkelschaftfrakturen. Es sei darauf hingewiesen, dass in Mittelamerika und Europa jedes Jahr fast 52 Millionen US-Dollar für die Behandlung von Knochenverletzungen ausgegebenwerden 11.
Bioaktive Gerüste für Knochengewebe-Engineering-Anwendungen können durch die Integration von Nano-Hydroxylapatit (nHAP) effektiver sein, da sie den mikro- und nanoarchitektonischen Eigenschaften des Knochens selbst ähneln12. HAP, chemisch dargestellt als Ca 10(PO4)6(OH)2 mit einem Ca/P-Molverhältnis von 1,67, ist am meisten bevorzugt für biomedizinische Anwendungen, insbesondere für die Behandlung von Parodontaldefekten, die Substitution von Hartgewebe und die Herstellung von Implantaten für orthopädische Operationen13,14. Daher kann die Herstellung von nHAP-basierten Biomaterialien, die mit GNRs verstärkt sind, eine überlegene Biokompatibilität besitzen und aufgrund ihrer Fähigkeit, die Osseointegration zu fördern und osteokonduktiv zu sein, von Vorteil sein15,16. Solche hybriden Kompositgerüste können biologische Eigenschaften wie Zelladhärenz, Ausbreitung, Proliferation und Differenzierung erhalten17. Hierin berichten wir über die Herstellung von zwei neuen Nanokompositen für das Knochengewebe-Engineering, indem wir die räumliche Anordnung von nHAP und GNRs rational verändern, wie in Abbildung 1 dargestellt. Hier wurden die chemischen und strukturellen Eigenschaften der beiden unterschiedlichen nHAP-GNR-Anordnungen bewertet.
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Protocol
1. Synthese von nHAP durch Fällung
- Das makellose nHAP wird unter Verwendung von 50 ml des Reaktionsgemisches mit 1 M Ca(NO3)2∙4H2 Ound 0,67 M (NH4)H2PO4, gefolgt von der tropfenweisen Zugabe von NH4OH (25 %) synthetisiert, um einen pH-Wert um 1018 aufrechtzuerhalten.
- Danach das Reaktionsgemisch durch Ultraschallbestrahlung (UI) für 30 min (500 W Leistung und 20 kHz Ultraschallfrequenz) rühren.
- Lassen Sie die resultierende Lösung 120 h bei Raumtemperatur reifen, bis sich der weiße Niederschlag von nHAP absetzt. Gewinnen Sie das nHAP durch Zentrifugation bei 1398 x g für 5 min bei Raumtemperatur zurück.
- Waschen Sie den Niederschlag mit deionisiertem (DI) Wasser 3x und lyophilisieren Sie für 48 h. Lagern Sie das trockene Pulver bei 4 °C.
2. Herstellung von nHAP/GNR-Nanokompositen
HINWEIS: Im Folgenden werden zwei Ansätze zur Herstellung von nHAP/GNR (d. h. nHAP auf GNR-Oberflächen) und GNR/nHAP (GNR-beschichteten nHAP) Nanokompositen beschrieben, die zwei verschiedene räumliche Anordnungen von nHAP und GNRs darstellen (Abbildung 1).
- Synthese von nHAP/GNR
- Um das nHAP/GNRs-Nanokomposit herzustellen, verwenden Sie eine Kofunktionalisierungsstrategie, bei der nHAP wie folgt gleichzeitig synthetisiert und mit GNRs konjugiert werden kann.
- 5 mg GNR (Table of Materials) werden in einer Mischung aus 1 M Calciumnitrattetrahydrat [Ca(NO3)2·4H2O] und 0,67 M Diammoniumhydrogenphosphat [(NH 4)2 HPO4] zu einem 50 ml Endvolumen19 gelöst.
- Während dieser Reaktion fügen Sie 25% NH4OH tropfenweise hinzu, um den pH-Wert bei ~ 10 zu halten. Rühren Sie die resultierende Mischung durch UI für 30 min.
- Lassen Sie die Lösung nach Abschluss der Reaktion 120 h bei Raumtemperatur bis zur Reifung ungestört.
- Beobachten Sie die Bildung eines gallertartigen Niederschlags von nHAP, der die GNRs bedeckt, woraufhin sich ein weißer Niederschlag von nHAP / GNRs absetzt.
- Waschen Sie den Niederschlag 3x durch Zentrifugation bei 1398 x g für 5 min bei Raumtemperatur, gefolgt von einer Redispergierung in DI-Wasser.
- Lyophilisieren Sie den zurückgewonnenen gewaschenen Niederschlag für 48 h. Lagern Sie das trockene Pulver bei 4 °C.
- Verwenden Sie makellose nHAP- und GNRs als Kontrollproben.
- Synthese von GNR/nHAP Nanokomposit
- Suspendieren Sie handelsübliche nHAP in einer Konzentration von 5 mg/ml in 50 ml DI-Wasser, ergänzt durch 5 mg GNR.
- Das resultierende Gemisch 30 min mittels UI rühren und danach 120 h bei Raumtemperatur ungestört lassen.
- Nach der Reifung wird der weiße Niederschlag des resultierenden GNR/nHAP durch Zentrifugation bei 1398 x g für 5 min bei Raumtemperatur zurückgewonnen.
- Waschen Sie die Probe 3x mit DI-Wasser, lyophilisieren Sie sie für 48 h und lagern Sie das trockene Pulver bei 4 ° C zur weiteren Verwendung.
3. Charakterisierung von nHAP, nHAP/GNR und GNR/nHAP
- Verwenden Sie ein hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop (HRTEM) (siehe Tabelle der Materialien), um die Morphologie und Größe der Nanokomposite zu charakterisieren11.
- Analysieren Sie die Elementzusammensetzung der Nanokomposite mittels energiedispersiver Spektroskopie (EDS) und führen Sie eine Elementkartierung mit dem Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM)11 durch.
- Führen Sie eine Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) für die sauberen Proben mit Wellenzahlen von 500-4000 cm−1 durch, um die chemischen Gruppen im Nanokomposit16 zu analysieren.
- Führen Sie eine Pulverröntgenbeugungsanalyse (XRD) des as-synthetisierten nHAP mit einer Röntgenwellenlänge von 1,5406 Å, Strom- und Spannungseinstellungen von 40 mA bzw. 40 kV und 2θ im Bereich von 20 ° bis 90 ° durch.
- Bewerten Sie die prozentuale Belastung der GNR im Nanokomposit mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA), indem Sie die Proben von Raumtemperatur auf 1000 °C mit einer Rate von 10 °C/min unter Stickstofffluss erhitzen.
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Representative Results
HRTEM-Analyse
Einzeln waren GNRs schlanke, bambusähnliche Strukturen mit einigen Biegungen in einiger Entfernung, wie in Abbildung 2 beobachtet. Die längste GNR betrug 1,841 μm, während die kleinste gebogene GNR 497 nm betrug. Die Nanobänder zeigten oft eine sichtbare Variation der Breite, die an vielen Stellen auf Verdrehungen zurückzuführen ist, um spiralförmige Konfigurationen zu bilden. Eine solche unidirektionale Ausrichtung von GNRs kann dazu beitragen, attraktive Merkmale wie magnetische Eigenschaften, Leitfähigkeit oder Wärmetransport zu erhalten7.
Die unter Verwendung von Calciumnitrattetrahydrat und Diammoniumhydrogenphosphat bei Raumtemperatur (Schritt 1) synthetisierten nHAPs waren stäbchenförmig oder nadelartig mit einer Größe von 40 nm bis 50 nm (Abbildung 3). Die as-synthetisierten Nanomaterialien wurden aufgrund von Aggregation und kristallinem Wachstum in Klumpen gefunden. Auf der anderen Seite waren die im Handel erhältlichen nHAPs sphärisch (Abbildung 4); Diese Nanosphären hatten einen Durchmesser von 50-70 nm und waren in diskreten Clustern von 15-20 Kugeln vorhanden.
nHAP wurde in situ auf den GNRs (dargestellt als nHAP/GNR) in der Co-Funktionalisierungsstrategie (Schritt 2.1) hinterlegt. Die resultierenden Nanokomposite aus GNRs und nHAP bestanden aus hochporösen miteinander verbundenen Nanostrukturen. Die Vorherrschaft von nadelartigen nHAPs, die die GNR-Oberfläche in Patches bedecken (Abbildung 5), wird den GNRs zugeschrieben, die als Nano-Gerüst für die nHAP-Keimbildung dienen. Es wurde festgestellt, dass die nHAP-Patches zwischen 150 nm und 250 nm lang und breit sind (Abbildung 5A,B). Die Elementarkartierung bestätigte, dass die intermediären Knotenflecken auf den GNRs aufgrund des Vorhandenseins von elementarem Kalzium und Phosphor tatsächlich nHAP waren (Abbildung 5C).
In der anderen Methode (Schritt 2.2) wurde vorgeformtes nHAP an die GNRs konjugiert, was zur Bildung von GNR-beschichtetem nHAP führte (dargestellt als GNR/nHAP, d.h. mit einer umgekehrten Orientierung im Vergleich zu nHAP/GNR-Komposit). In diesem Fall bildeten die GNRs dünne Schichten auf der Oberfläche der sphärischen nHAP-Nanopartikel (Abbildung 6).
Interessanterweise werden die an der Peripherie der GNRs beobachteten Biegungen und Faltungen, wie in Abbildung 2A gezeigt, meist auf Eigenschaften mit geringer Stabilität zurückgeführt, die die mechanische Wechselwirkung und Befestigung mit dem nHAP erheblich verbessert haben könnten, wie in Abbildung 5 und Abbildung 6 zu sehen ist. Darüber hinaus hilft die große Oberfläche der makellosen GNRs auch bei mehr nHAP-Belastung. Auch die Alterung der Verbundlösungen für 120 h führte zur vollständigen Umwandlung des Apatits in hochkristallinen Hydroxylapatit (Abbildung 3 und Abbildung 5). Die sauerstoffbasierten funktionellen Gruppen der GNR-Oberfläche interagieren elektrostatisch mit Ca2+ und dienen als Rezeptorstelle. Apatit-Nanostrukturen können durch die in situ Reaktion zwischen diesen verankerten Kationen und den Phosphationen weiter erhalten werden (Schritt 2.1). Die Orientierung des mikrostrukturierten nHAP auf der GNR-Oberfläche wird durch mehrere Faktoren gesteuert, darunter die Menge und Art der sauerstoffhaltigen Gruppen auf den graphenbasierten Vorlagen, die relative Konzentration der Vorläufer (Ca 2 + und HPO42-), der pH-Wert der Reaktionsmischung und die Reifezeit. Der kumulative Effekt der Reaktionsbedingungen führte dazu, dass die transparenten GNRs auf die Oberfläche der nHAP-Nanosphären gewickelt wurden, möglicherweise aufgrund einer nicht-kovalenten physikalischen Adsorption.
Analyse energiedispersiver Spektren (EDS)
Um die Hauptkomponenten und die elementare Zusammensetzung der Nanokomposite zu bestätigen, wurde eine energiedispersive Spektralanalyse durchgeführt. In Abbildung 7A zeigten die EDS-Spektren der unberührten GNRs einen Kohlenstoffpeak, der den GNRs entspricht, während außer dem Kupfer, das dem Gitter zugeschrieben wurde, das für die Montage von Proben während der HRTEM-Analyse verwendet wurde, keine anderen Peaks beobachtet wurden. Abbildung 7B zeigt das EDS-Spektrum kommerziell erhältlicher vorgeformter nHAP-Nanosphären, wobei die Kohlenstoff- und Kupferpeaks den kohlenstoffbeschichteten Kupfergittern zugeschrieben werden, die für die Montage der Proben während der HRTEM-Analyse verwendet werden. In Abbildung 7C wurde ein deutlicher Anstieg des Kohlenstoffgehalts den GNRs zugeschrieben, während die anderen für Kalzium und Phosphor spezifischen Spitzen auf nHAP in den GNR/nHAP-Nanokompositen zurückzuführen waren. Abbildung 8 zeigt die EDS-Spektren des as-synthetisierten nHAP (Schritt 1) (Abbildung 8A) und des nHAP/GNR-Komposits (Abbildung 8B). Der deutliche Anstieg des Kohlenstoffgehalts im nHAP/GNR-Spektrum ist auf die Mehrzahl der GNRs zurückzuführen, auf denen nur kleine Flecken frisch synthetisierter nHAP beobachtet wurden.
FTIR-Analyse
Die Konjugation von nHAP mit den GNRs wurde durch FTIR-Spektren bestätigt. Abbildung 9 zeigt die FTIR-Spektren von nHAP, GNR, nHAP/GNR und GNR/nHAP. Der OH aus der Ebene, der die Spitze bei 600 cm-1 biegt, ist im FTIR von GNR12 zu sehen. Der Peak bei 1030 cm-1, der der P-O-Dehnung zugeschrieben wird, wurde in nHAP beobachtet und bestätigte seine chemische Zusammensetzung15. Insbesondere wurde der charakteristische P-O-Streckungspeak von nHAP auch in nHAP/GNR und GNR/nHAP gefunden, was auf das Vorhandensein von nHAP in beiden Kompositen hinweist. Die beiden anderen Peaks, 1413 und 1447 cm-1, die nur in den Kompositen vorkommen, werdenδCH2-Schwingungen bzw. der Karbonatgruppe (CO32−) zugeschrieben, die die Konjugation von GNR und nHAP16 bestätigen.
Röntgenbeugungsanalyse (XRD)
Das XRD-Muster des HAP (Schritt 2.1) ist in Abbildung 10 dargestellt. Die starken Peaks deuteten auf eine gute Kristallinität des Materials hin. Die Spitzenpositionen stimmten gut mit denen in den ICDD-Standarddaten überein (PDF2-Karte: 00-009-0432). Dies bestätigte die hexagonale Kristallstruktur (P63/m-Raumgruppe) der nHAP mit Gitterparameterwerten von a = b = 0,940 nm und c = 0,615 nm. Einige der markanten, starken Spitzen bei 2θ-Werten von 25,8°, 28,2°, 31,8°, 32,9°, 34,1°, 39,7°, 43,9°, 46,6° und 49,4° entsprechend (002), (102), (211), (300), (202), (310), (113), (222) bzw. (213) bestätigten die Reinheit der as-synthetisierten nHAP 16,20,21.
Thermogravimetrische Analyse (TGA)
Die thermogravimetrische Analyse (TGA) wurde verwendet, um den Belastungsprozentsatz in den Konjugaten zu schätzen (Abbildung 11). Drei prominente Massenverluste wurden während der TGA-Analyse deutlich. Der anfängliche Massenverlust bei Temperaturen bis zu 100 °C ist auf das eingeschlossene physikalische Wasser zurückzuführen. Der zweite Verlust zwischen 100 °C und 200 °C ist auf die Zersetzung des GNR in Ruß zurückzuführen. Die stetige Abnahme der Masse danach bis zu 500 °C war auf die Kristallisation von nHAP zurückzuführen. Eine weitere Erwärmung führte zum Zerfall der Komplexe. Es wurde festgestellt, dass der Verlust aufgrund des Vorhandenseins von GNRs zwischen 0,5% und 0,98% in GNR/nHAP bzw. nHAP/GNR lag. Daher steht es in guter Übereinstimmung mit unserer vorherigen Analyse, bei der HAP als Hauptkomponente gefunden wurde und die GNRs innerhalb der GNR/nHAP oberflächenorientiert waren. Auf der anderen Seite waren die GNRs in nHAP/GNR reichlich vorhanden, wobei die nHAP diskrete Flecken auf den langen Strecken der GNRs bildeten.
Abbildung 1: Schematische Darstellung zur Synthese von rückwärts orientierten Graphen-Nanoband-Hydroxylapatit-Hybridkompositen: (A) nHAP/GNR und (B) GNR/nHAP. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: Strukturanalyse der GNR: (A) HRTEM-Analyse der bloßen GNR; (B) STEM-Bilder (Scanning transmission electron mode) von GNRs; und (C) Elementarzuordnung der GNRs, wobei rote, grüne, gelbe und blaue Farben Kohlenstoff, Sauerstoff, Phosphor bzw. Kalzium bezeichnen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Strukturanalyse von as-synthetisiertem nHAP: (A) HRTEM-Analyse von nHAP; (B) STEM-Bilder (Scanning transmission electron mode) von nHAP mit der eingelassenen Skalenleiste, die 100 nm darstellt; und (C) Elementares Mapping des nHAP, wobei rote, grüne, gelbe und blaue Farben Kohlenstoff, Sauerstoff, Phosphor bzw. Kalzium bezeichnen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Strukturanalyse des kommerziell erhältlichen vorgeformten nHAP: (A) HRTEM-Analyse von nHAP; (B) STEM-Bilder (Scanning transmission electron mode) von nHAP; und (C) Elementares Mapping des nHAP, wobei rote, grüne, gelbe und blaue Farben Kohlenstoff, Sauerstoff, Phosphor bzw. Kalzium bezeichnen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 5: Strukturanalyse von nHAP/GNR, synthetisiert durch die Kofunktionalisierungsstrategie: (A) HRTEM-Analyse von nHAP/GNR; (B) Rastertransmissionselektronenmodus (STEM) Bilder von nHAP/GNR; und (C) Elementarzuordnung des nHAP/GNR, wobei rote, grüne, gelbe und blaue Farben Kohlenstoff, Sauerstoff, Phosphor bzw. Kalzium bezeichnen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 6: Strukturanalyse von GNR/nHAP: (A) HRTEM-Analyse von GNR/nHAP; (B) STEM-Bilder (Scanning transmission electron mode) von GNR/nHAP mit eingelegtem Skalenbalken, der 50 nm entspricht; und (C) Elementarzuordnung des GNR/nHAP, wobei rote, grüne, gelbe und blaue Farben Kohlenstoff, Sauerstoff, Phosphor und Kalzium bezeichnen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 7: EDS-Analyse des GNR/nHAP-Nanokomposits: (A) GNRs, (B) kommerziell erhältliche vorgeformte nHAP und (C) GNR/nHAP-Nanokomposit. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 8: EDS-Analyse des nHAP/GNR-Nanokomposits: (A) As-synthetisiertes nHAP und (B) nHAP/GNR. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 9: FTIR-Analyse der Nanokomposite. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 10: Röntgenbeugungsanalyse (XRD) von nHAP. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 11: Thermogravimetrische Analyse der Nanokomposite. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
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Discussion
Obwohl verschiedene Metalle, Polymere, Keramiken und ihre Kombinationen als orthopädische Implantate und Fixationszubehör erforscht wurden, gilt HAP aufgrund seiner chemischen Ähnlichkeit mit dem Knochen selbst und der daraus resultierenden hohen Zytokompatibilität als eines der am meisten bevorzugten Materialien20,21,22. In dieser Studie wurde die Orientierung von HAP variiert, was einen signifikanten Einfluss auf seine einzigartigen Eigenschaften wie Förderung der Osteogenese, Osseointegration und Osteokonduktivität haben kann. Darüber hinaus kann die Änderung der Ausrichtung von HAP die mechanischen Eigenschaften der Nanokomposite beeinflussen, um die des natürlichen Knochens weiter nachzuahmen, da lange Knochen im Körper eine anisotrope Ausrichtung von HA mit Kollagen besitzen, während Quaderknochen eine zufällige Anordnung von HA mit Kollagen besitzen. Es sollte beachtet werden, dass, obwohl natürliches HAP der Hauptbestandteil menschlicher Zähne und Knochen ist, seine physikalischen Eigenschaften weitgehend von Reaktionsbedingungen wie Reaktionszeit, pH-Wert, Phosphatkonzentration und chemischer Natur der CaP-Phase23 abhängen. Daher wurde in dieser Studie eine nasschemische Methode verwendet, um nHAP bei einem pH-Wert von 10 unter Ultraschallbestrahlung (UI) zu synthetisieren. Barbosa et al. (2013) berichteten auch, dass UI in Verbindung mit wässriger Ausfällung ohne Kalzinierung eine einfache, schnelle und effiziente Methode ist, die nHAP mit hoher Kristallinität und Spezifitäterzeugt 18.
Es ist wichtig zu beachten, dass künstlich hergestellte HAP-assoziierte Biomaterialien oft schlechte mechanische Eigenschaften aufweisen, zu denen intrinsische Sprödigkeit, geringe Bruchzähigkeit und Verschleißgehören 22. Daher wird nHAP hier mit GNRs verstärkt, um Folgendes zu erleichtern: (i) Oberflächenfunktionalisierung im Zusammenhang mit den Nanopartikeln, (ii) elektrostatische Wechselwirkungen an der Grenzfläche im Komplex und (iii) Übertragung von Spannung auf die Nanofüllstoffe aus der Matrix der Gerüste24,25,26. Die hier folgende nasse chemische Synthese führte zu makellosem nHAP vorwiegend in kleinen Aktikularpartikeln, die zu größeren Partikeln (~40 nm) agglomeriert wurden. Dieses Ergebnis stimmt gut mit dem Bericht von Barbosa et al. (2013) überein, in dem spekuliert wurde, dass UI eine entscheidende Rolle bei der Induktion der Keimbildung spielte, indem sie Blasenwände in unmittelbarer Nähe bildete, die als "Hot-Spots" bezeichnet werden18,27.
Es ist interessant festzustellen, dass eine Abnahme der Partikelgröße sowohl der Wirts- als auch der Gastpartikel die Fließfähigkeit nur bis zu einem bestimmten Grenzwert verbessern kann. Danach kann eine weitere Verringerung der Abmessungen des Wirtspartikels zu einer Agglomeration führen, die sich negativ auf die Fließfähigkeit auswirkt28. Abgesehen von der Induktion der primären Keimbildung in einer praktisch partikelfreien Lösung verhindert die Benutzeroberfläche hohe Übersättigungswerte. Darüber hinaus kann eine UI-vermittelte Verringerung der verstrichenen Zeit zwischen der Etablierung der Übersättigung und dem Beginn der Keimbildung und Kristallisation der Schlüssel zur Formentwicklung von nHAP und dem Muster der Funktionalisierung auf den GNRs sein. Die nHAP/GNR-Struktur könnte auf die kumulative Wirkung der Reaktionstemperatur, des Drucks aufgrund des Zusammenbruchs der Blase und der Stoßwellen zusätzlich zu der hochenergetischen Bewegung in räumlich konzentrierten Regionen zurückgeführt werden. In ähnlicher Weise könnte die GNR / nHAP-Struktur, die durch die gleichzeitige Zugabe von unberührten GNRs und nHAP in Gegenwart von UI synthetisiert wird, auf die nachfolgenden schnellen lokalen Abkühlraten zurückzuführen sein, die die Übersättigung verstärken. Ein lokalisierter Druckanstieg kann auch die Kristallisationstemperatur verringern, während die durch die Aktivierungsenergie erzeugte Barriere durch die Übertragung von Energie aufgrund von Kavitation während der Oberflächenfunktionalisierung der GNRs18,27 signifikant überwunden werden kann.
Ein Bericht zeigt, dass die übermäßige Anwendung von UI (~ 30-120 min) während der Synthese die Kristallinität und / oder die Größe der nHAP-Kristallereduziert 29. Dies kann die Orientierung der Funktionalisierung, wie in unserer Studie beobachtet, weiter bestimmen. Selbst in dieser Studie zeigten die Ergebnisse, dass UI für eine relativ lange Expositionszeit (30 min) während der Synthese von nHAP zu einer nHAP-Ablagerung auf GNRs führte. Auf der anderen Seite führte UI für 30 min mit vorgeformten nHAP und GNRs zur Ablagerung von GNRs auf den sphärischen nHAPs. Daher ist dieses Verfahren ideal für die Großserienproduktion von nHAP zur Gewinnung von GNR-eingearbeiteten Verbundwerkstoffen für die Gerüstherstellung30,31. Solche neuartigen umkehrorientierten Verbundwerkstoffe mit überlegenen mechanischen Eigenschaften können für das Knochengewebe-Engineering von Bedeutung sein. Insbesondere berichteten Fan et al. (2014), dass die Einführung von Graphen die Härte und den Young-Modul von nHAP signifikant verbessern kann, die wiederum eine höhere Osseointegration mit dem umgebenden Knochen aufweisen (dh eine überlegene Biokompatibilität) im Vergleich zu makellosem Graphen und nHAP, einzeln32. So können Nanokomposite aus GNRs und nHAP mit überlegenen mechanischen Eigenschaften und Biokompatibilität vielversprechende Biomaterialien für zahlreiche orthopädische Anwendungensein 33,34,35.
Die größte Herausforderung bei der Herstellung von Nanohybriden mit entgegengesetzten Orientierungen besteht jedoch darin, dass die Reaktionsparameter strikt befolgt werden sollten, um die gewünschte Orientierung der Nanokompositezu erhalten 36,37. Darüber hinaus wurden im Rahmen der Kofunktionalisierungsstrategie weniger Mengen des nadelförmigen nHAP auf den GNRs abgeschieden, was ihr Potenzial für die Regeneration des Knochengewebes und die mechanische Festigkeit verringern kann. Die Formen des nHAP in beiden Methoden sind unterschiedlich, was das Ausmaß der Osteogenese signifikant beeinflussen und somit verschiedene Eigenschaften verursachen kann, die für biomedizinische Anwendungen relevant sind.
Zusammenfassend haben wir hier Nanokomposite aus GNRs und nHAP mit kontrastierenden räumlichen Anordnungen synthetisiert, die potenzielle Anwendungen in der Orthopädie haben könnten. Die Ergebnisse zeigten, dass die nHAP-Morphologie und die Funktionalisierungszeit (d.h. ob die Funktionalisierung nach der Synthese oder gleichzeitig mit der nHAP-Synthese stattfindet) die Orientierung von nHAP und GNRs in den Nanokompositen bestimmten. Die Kofunktionalisierung während der Synthese führte zu nHAP/GNRs, während die Funktionalisierung mit vorgeformtem nHAP zu GNRs/nHAP führte. Diese Nanokomposite könnten anwendbar sein, um Gerüste zur Förderung der Osteogenese zu entwickeln, und sind daher in der regenerativen Nanomedizin vielversprechend, was ihre weitere Untersuchung rechtfertigt.
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Disclosures
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte.
Acknowledgments
Dr. Sougata Ghosh dankt dem Department of Science and Technology (DST), dem Ministerium für Wissenschaft und Technologie, der indischen Regierung und dem Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research, Indien, für die Finanzierung im Rahmen des Post-Doctoral Overseas Fellowship in Nano Science and Technology (Ref. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 vom 19. August 2019). Dr. Sougata Ghosh dankt der Kasetsart University, Bangkok, Thailand, für ein Postdoktorandenstipendium und die Finanzierung im Rahmen des Reinventing University Program (Ref. Nr. 6501.0207/10870 vom 9. November 2021). Die Autoren danken der Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) für die Unterstützung bei den Charakterisierungsexperimenten. KANCF ist eine gemeinsame multidisziplinäre Forschungs- und Bildungseinrichtung innerhalb des Kostas Research Institute (KRI) an der Northeastern University.
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
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