Summary
그래핀 나노리본 및 하이드록시아파타이트 나노입자의 신규한 나노복합체는 용액상 합성을 사용하여 제조하였다. 이들 하이브리드는 생체활성 스캐폴드에 사용될 때 조직 공학 및 뼈 재생에 잠재적인 응용을 나타낼 수 있다.
Abstract
뼈 조직 공학을위한 새로운 재료를 개발하는 것은 나노 의학의 가장 중요한 추진 분야 중 하나입니다. 몇몇 나노복합체는 세포 부착, 증식 및 골형성을 촉진하기 위해 하이드록시아파타이트로 제작되었다. 이 연구에서, 하이브리드 나노복합체는 그래핀 나노리본(GNR)과 하이드록시아파타이트(nHAPs)의 나노입자를 사용하여 성공적으로 개발되었으며, 이는 생리활성 스캐폴드에 사용될 때 잠재적으로 골 조직 재생을 향상시킬 수 있다. 이들 나노구조체는 생체적합성일 수 있다. 여기에서는 새로운 재료를 준비하는 데 두 가지 접근법이 사용되었습니다. 한 접근법에서, nHAP가 합성되고 GNR에 동시에 접합되는 공동 기능화 전략이 사용되었고, GNR 표면 (nHAP / GNR로 표시됨)에서 nHAP의 나노 하이브리드가 발생했습니다. 고분해능 투과 전자 현미경 (HRTEM)은 nHAP / GNR 복합체가 바늘 모양의 nHAP (길이 40-50 nm)의 개별 패치 (150-250 nm)가있는 GNR (최대 길이 1.8 μm)의 가늘고 얇은 구조로 구성되어 있음을 확인했습니다. 다른 접근법에서, 상업적으로 이용가능한 nHAP는 GNR-코팅된 nHAP (GNR/nHAP로 표시됨)를 형성하는 GNR들과 접합되었다(즉, nHAP/GNR 나노하이브리드에 비해 반대 배향을 가짐). 후자의 방법을 사용하여 형성된 나노하이브리드는 표면에 GNR의 네트워크로 덮인 50 nm 내지 70 nm 범위의 직경을 갖는 nHAP 나노구를 나타내었다. 에너지 분산 스펙트럼, 원소 매핑 및 푸리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼은 두 나노하이브리드 모두에서 nHAP 및 GNR의 성공적인 통합을 확인하였다. 열 중량 분석 (TGA)은 GNR의 존재로 인한 상승 된 가열 온도에서의 손실이 GNR / nHAP 및 nHAP / GNR의 경우 각각 0.5 % 및 0.98 %임을 나타냅니다. 반대 방향을 가진 nHAP-GNR 나노하이브리드는 골 조직 공학 응용을 개선하기 위한 세포 기능을 잠재적으로 촉진하기 위해 생리활성 스캐폴드에 사용하기 위한 중요한 물질을 나타낸다.
Introduction
그래핀은 sp-혼성화 탄소로 구성된 시트형 이차원 구조를 갖는다. 몇몇 다른 동소체는 그래핀의 확장된 벌집 네트워크에 기인할 수 있다(예를 들어, 그래핀 시트의 적층은 동일한 물질을 굴려내면서 3D 흑연을 형성하면서 1D 나노튜브(1)의 형성을 초래한다). 마찬가지로, 0D 풀러렌은 래핑2로 인해 형성됩니다. 그래 핀은 실온에서 양극성 전계 효과와 양자 홀 효과를 포함하는 매력적인 물리 화학적 및 광전자 특성을 가지고 있습니다 3,4. 단일 분자 흡착 이벤트의 검출과 매우 높은 운반체 이동성은 그래핀 5,6의 매력적인 특성을 추가한다. 또한, 좁은 폭과 큰 평균 자유 경로, 높은 전류 밀도를 갖는 낮은 저항률 및 높은 전자 이동성을 갖는 그래핀 나노리본(GNR)은 유망한 상호 연결 물질7로 간주된다. 따라서 GNR은 무수한 장치에서의 응용 분야, 그리고 최근에는 나노 의학, 특히 조직 공학 및 약물 전달8에서 탐구되고 있습니다.
다양한 외상성 질환 중에서 뼈 부상은 골절을 안정화하고, 새로운 뼈로 재생 및 교체하고, 감염에 저항하고, 뼈 비 연합(9,10)을 재정렬하는 데 어려움이 있기 때문에 가장 어려운 것 중 하나로 간주됩니다. 외과 적 절차는 대퇴골 샤프트 골절의 유일한 대안으로 남아 있습니다. 거의 $ 52 백만은 중앙 아메리카와 유럽11에서 뼈 부상을 치료하는 데 매년 지출된다는 점에 유의해야합니다.
뼈 조직 공학 응용을 위한 생리활성 스캐폴드는 뼈 자체의 마이크로와 나노 건축 특성(12)과 유사하기 때문에 나노하이드록시아파타이트(nHAP)를 통합함으로써 보다 효과적일 수 있다. Ca/P 몰비가 1.67인Ca10(PO4)6(OH)2로 화학적으로 표현되는 HAP는 생물 의학 응용, 특히 치주 결함 치료, 경질 조직의 치환 및 정형외과 수술용 임플란트 제작에 가장 적합합니다(13,14). 따라서, GNRs로 강화된 nHAP 기반 생체 재료의 제조는 우수한 생체적합성을 보유할 수 있고, 골유착을 촉진하고 골전도성(15,16)이 될 수 있는 그들의 능력으로 인해 유리할 수 있다. 이러한 하이브리드 복합 스캐폴드는 세포 부착, 확산, 증식 및 분화(17)와 같은 생물학적 특성을 보존할 수 있다. 본원에서, 우리는 도 1에 예시된 바와 같이 nHAP 및 GNRs의 공간적 배열을 합리적으로 변경함으로써 골 조직 공학을 위한 두 개의 새로운 나노복합체의 제조를 보고한다. 두 개의 상이한 nHAP-GNR 배열의 화학적 및 구조적 특성이 여기에서 평가되었다.
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Protocol
1. 침전에 의한 nHAP의 합성
- 1 M Ca(NO3)2∙4H2O 및 0.67 M(NH4)H2PO4를 함유하는 반응 혼합물 50 mL를 사용하여 깨끗한 nHAP를 합성한 다음,NH4OH(25%)를 적가하여 pH를 1018 전후로 유지한다.
- 그 후, 반응 혼합물을 30분 동안 초음파 조사(UI)에 의해 교반시킨다(500 W 전력 및 20 kHz 초음파 주파수).
- 생성된 용액을 nHAP의 백색 침전물이 침전될 때까지 실온에서 120 h 동안 성숙시키십시오. 실온에서 5 분 동안 1398 x g에서 원심분리하여 nHAP를 회수하였다.
- 침전물을 탈이온화(DI) 물 3x로 세척하고 48시간 동안 동결건조시킨다. 건조 분말을 4°C에서 보관한다.
2. nHAP/GNR 나노복합체의 제조
참고: 다음은 nHAP와 GNR의 두 가지 서로 다른 공간 배열을 나타내는 nHAP/GNR(즉, GNR 표면의 nHAP) 및 GNR/nHAP(GNR 코팅 nHAP) 나노복합체를 제조하기 위한 두 가지 접근 방식을 설명합니다(그림 1).
- nHAP/GNR의 합성
- nHAP / GNR 나노 복합체를 제조하려면 다음과 같이 nHAP를 합성하고 GNR에 동시에 접합 할 수있는 공동 기능화 전략을 사용하십시오.
- 5 mg의 GNR (물질표)을 1 M 질산 칼슘 사수화물 [Ca(NO3)2·4H2O] 및 0.67 M 디암모늄 수소 포스페이트 [(NH4)2HPO4]의 혼합물에 용해시켜 최종 부피19 mL 50 mL로 한다.
- 이 반응 동안,NH4OH의 25%를 적가하여 pH를 ∼10으로 유지한다. 생성된 혼합물을 UI로 30분 동안 교반한다.
- 반응 종료 후, 용액을 성숙될 때까지 실온에서 120 h 동안 방해받지 않고 방치한다.
- GNR을 코팅하는 nHAP의 젤라틴 침전물의 형성을 관찰하고, 그 다음에 nHAP / GNR의 백색 침전물이 침전됩니다.
- 실온에서 5분 동안 1398 x g 에서 원심분리하여 침전물을 3x 세척한 다음, DI 물에 재분산시켰다.
- 회수된 세척된 침전물을 48시간 동안 동결건조시킨다. 건조 분말을 4°C에서 보관한다.
- 원시 nHAP 및 GNR을 대조군 샘플로 사용하십시오.
- GNR/nHAP 나노복합체의 합성
- 시판되는 nHAP를 GNR 5mg으로 보충된 DI 물 50mL에 5mg/mL의 농도로 현탁시킨다.
- 생성된 혼합물을 UI에 의해 30분 동안 교반하고, 그 후 혼합물을 실온에서 120 h 동안 방해받지 않고 방치한다.
- 성숙 후, 실온에서 5 분 동안 1398 x g에서 원심분리하여 생성된 GNR/nHAP의 백색 침전물을 회수하였다.
- DI 물을 사용하여 샘플을 3x 세척하고, 이를 48시간 동안 동결건조하고, 추가 사용을 위해 건조 분말을 4°C에서 저장한다.
3. nHAP, nHAP / GNR 및 GNR / nHAP의 특성 분석
- 고분해능 투과 전자 현미경 (HRTEM) ( 재료 표 참조)을 사용하여 나노 복합체11의 형태와 크기를 특성화하십시오.
- 에너지 분산 분광법 (EDS)을 사용하는 나노 복합체의 원소 조성을 분석하고 주사 투과 전자 현미경 (STEM)11을 사용하여 원소 매핑을 수행하십시오.
- 500-4000 cm-1의 파장에서 깔끔한 샘플에 대한 푸리에 변환 적외선 (FTIR) 분광법을 수행하여 나노 복합체 (16)의 화학 그룹을 분석하십시오.
- 합성된 nHAP의 분말 X선 회절(XRD) 분석을 1.5406 Å의 X선 파장, 각각 40 mA 및 40 kV의 전류 및 전압 설정, 및 2θ 범위의 20° 내지 90°를 사용하여 수행한다.
- 질소 흐름 하에서 샘플을 실온에서 10°C/분의 속도로 1000°C로 가열하여 열중량 분석(TGA)을 사용하여 나노복합체에서 GNR의 로딩 퍼센트를 평가한다.
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Representative Results
HRTEM 분석
개별적으로, GNRs는 그림 2에서 관찰된 바와 같이 어느 정도 거리에서 약간의 굴곡을 갖는 가느다란 대나무와 같은 구조였다. 가장 긴 GNR은 1.841 μm이고 가장 작은 구부러진 GNR은 497 nm였다. 나노 리본은 종종 많은 곳에서 나선형 구성을 형성하기 위해 비틀림에 기인 할 수있는 너비의 가시적 인 변화를 나타 냈습니다. GNR의 이러한 단방향 정렬은 자기 특성, 전도성, 또는 열 수송(7)과 같은 매력적인 특징을 얻는 것을 도울 수 있다.
실온에서 질산칼슘 사수화물 및 인산이암모늄을 사용하여 합성된 nHAPs(단계 1)는 40nm 내지 50nm 범위의 크기를 갖는 막대 모양 또는 바늘 형상이었다(도 3). 합성된 나노물질은 응집 및 결정질 성장으로 인한 덩어리에서 발견되었다. 한편, 상업적으로 이용가능한 nHAPs는 구형이었다(도 4); 이들 나노구는 직경이 50-70 nm이고 15-20 구체의 개별 클러스터에 존재하였다.
nHAP는 공동 기능화 전략에서 GNRs(nHAP/GNR로 나타냄) 상에 계내에서 증착되었다(단계 2.1). GNR 및 nHAP의 생성된 나노복합체는 고도로 다공성 상호연결된 나노구조체로 구성되었다. 패치에서 GNR 표면을 덮는 바늘형 nHAPs의 우세(그림 5)는 nHAP 핵화를 위한 나노-특징적인 스캐폴드로서 기능하는 GNRs에 기인한다. nHAP 패치는 길이 및 폭이 150 nm 내지 250 nm 사이인 것으로 확인되었다(도 5A,B). 원소 매핑은 GNRs 상의 중간된 결절 패치가 원소 칼슘 및 인의 존재로 인해 실제로 nHAP임을 확인하였다 (도 5C).
다른 방법(단계 2.2)에서, 미리 형성된 nHAP는 GNR에 컨쥬게이트되어 GNR 코팅된 nHAP의 형성을 유도하였다(GNR/nHAP로 표시됨, 즉, nHAP/GNR 복합체와 비교하여 역배향을 가짐). 이 경우, GNRs는 구형 nHAP 나노입자의 표면에 박막을 형성하였다(도 6).
흥미롭게도, 도 2A 에서 명백하게 볼 수 있는 바와 같이 GNR의 주변에서 발견된 굴곡 및 컨볼루션은 대부분 도 5 및 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이 nHAP와의 기계적 상호작용 및 부착을 상당히 향상시켰을 수 있는 낮은 안정성 특성에 기인한다. 또한, 원시 GNR의 넓은 표면적은 또한 더 많은 nHAP 로딩에 도움이됩니다. 또한, 복합 용액을 120시간 동안 숙성시킨 결과, 아파타이트가 고결정질 히드록시아파타이트로 완전히 전환되었다(도 3 및 도 5). GNR 표면의 산소계 작용기는 정전기적으로Ca2+와 상호작용하여 수용체 부위로서 작용한다. 아파타이트 나노구조체는 이들 앵커링된 양이온과 포스페이트 이온 사이의 인 시츄 반응으로 인해 추가로 수득될 수 있다(단계 2.1). GNR 표면 상의 미세구조화된 nHAP의 배향은 그래핀 기반 주형 상의 산소기의 양 및 유형, 전구체의 상대적 농도 (Ca2+ 및HPO42-), 반응 혼합물의 pH, 및 성숙 시간을 포함하는 몇몇 인자에 의해 조절된다. 반응 조건의 누적 효과는 아마도 비공유 물리적 흡착으로 인해 nHAP 나노구의 표면 상으로의 투명한 GNRs의 래핑을 초래하였다.
에너지 분산 스펙트럼(EDS) 분석
나노복합체의 주요 성분과 원소 조성을 확인하기 위해, 에너지 분산 스펙트럼 분석을 수행하였다. 도 7A에서, 원시 GNRs의 EDS 스펙트럼은 GNRs에 상응하는 탄소 피크를 보였지만, HRTEM 분석 동안 장착 샘플에 사용된 그리드에 기인했던 구리를 제외하고는 다른 피크가 관찰되지 않았다. 도 7B 는 상업적으로 이용가능한 미리 형성된 nHAP 나노구들의 EDS 스펙트럼을 보여주는데, 여기서 탄소 및 구리 피크는 HRTEM 분석 동안 샘플을 장착하는데 사용되는 탄소 코팅된 구리 그리드에 기인한다. 도 7C에서, 탄소 함량의 뚜렷한 증가는 GNRs에 기인하는 반면, 칼슘 및 인에 특유한 다른 피크는 GNR/nHAP 나노복합체의 nHAP 때문이었다. 도 8은 합성된 nHAP(단계 1)(도 8A) 및 nHAP/GNR 복합체(도 8B)의 EDS 스펙트럼을 도시한다. nHAP / GNR 스펙트럼에서 탄소 함량의 현저한 증가는 새로 합성 된 nHAP의 작은 패치 만 관찰 된 GNR의 대다수 때문입니다.
FTIR 분석
nHAP와 GNRs의 컨쥬게이션은 FTIR 스펙트럼을 통해 확인하였다. 그림 9는 nHAP, GNR, nHAP/GNR 및 GNR/nHAP의 FTIR 스펙트럼을 보여준다. 600 cm-1에서의 평면 밖 굽힘 피크의 OH는 GNR12의 FTIR에서 볼 수 있다. P-O 스트레칭에 기인하는 1030 cm-1에서의 피크가 nHAP에서 관찰되었고, 그의 화학적 조성15를 확인하였다. 주목할 만하게, nHAP의 특징적인 P-O 스트레칭 피크는 nHAP/GNR 및 GNR/nHAP에서도 발견되었으며, 이는 두 복합체 모두에서 nHAP의 존재를 나타낸다. 복합체에서만 발견되는 다른 두 개의 피크, 1413 및 1447 cm-1은 각각δCH2 진동 및 탄산염 그룹 (CO32-)에 기인하며, 이는 GNR 및 nHAP16의 접합을 확인한다.
X선 회절(XRD) 분석
HAP의 XRD 패턴(단계 2.1)을 도 10에 나타내었다. 강한 피크는 재료의 양호한 결정성을 나타냈다. 피크 위치는 ICDD 표준 데이터 (PDF2 카드 : 00-009-0432)의 위치와 잘 일치했습니다. 이것은 a=b = 0.940 nm 및 c = 0.615 nm의 격자 파라미터 값을 갖는 nHAP의 육각형 결정 구조 (P63/m 공간 그룹)를 추가로 확인하였다. (002), (102), (211), (211), (300), (202), (211), (202), (310), (210), (202), (210), (213), (213) 및 (213) 평면에 각각 대응하여 25.8°, 28.2°, 31.8°, 31.9°, 32.9°, 34.9°, 39.7°, 43.9°, 46.6°, 및 49.4°의 2θ값에서의 염분, 강한 피크들 중 일부는 각각 합성된 nHAP 16,20,21의 순도를 확인하였다.
열 중량 분석 (TGA)
접합체에서의 로딩 백분율을 추정하기 위해 열중량 분석(TGA)을 이용하였다(도 11). TGA 분석 중에 질량에서 세 가지 두드러진 손실이 분명했습니다. 최대 100°C의 온도에서 질량의 초기 손실은 포획된 물리적 물 때문입니다. 100°C 내지 200°C 사이의 두 번째 손실은 GNR을 탄소 그을음으로 분해하기 때문이다. 그 후 500°C까지의 질량의 꾸준한 감소는 nHAP의 결정화에 기인하였다. 추가 가열은 복합체의 분해로 이어졌다. GNR의 존재로 인한 손실은 GNR/nHAP 및 nHAP/GNR에서 각각 0.5%와 0.98% 사이인 것으로 나타났다. 따라서 HAP가 주요 구성 요소로 발견되고 GNR이 GNR / nHAP 내에서 표면 지향적 인 이전 분석과 잘 일치합니다. 한편, GNR은 nHAP/GNR에 풍부하였고, 여기서 nHAP는 GNR의 긴 스트레치에 개별 패치를 형성하였다.
그림 1 : 역방향 그래핀 나노리본-하이드록시아파타이트 하이브리드 복합체를 합성하기 위한 개략적 표현: (A) nHAP/GNR 및 (B) GNR/nHAP. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 2: GNR의 구조 분석: (A) 베어 GNR의 HRTEM 분석; (b) GNR의 주사 투과 전자 모드(STEM) 이미지; (C) GNR의 원소 매핑, 여기서 적색, 녹색, 황색 및 청색 색상은 각각 탄소, 산소, 인 및 칼슘을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 3: 합성된 nHAP의 구조 분석: (A) nHAP의 HRTEM 분석; (b) 100 nm를 나타내는 인셋 스케일 바를 갖는 nHAP의 주사 투과 전자 모드(STEM) 이미지; 및 (C) nHAP의 원소 매핑 여기서 적색, 녹색, 황색 및 청색 색상은 각각 탄소, 산소, 인 및 칼슘을 나타낸다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 4: 상업적으로 입수가능한 미리 형성된 nHAP의 구조 분석: (A) nHAP의 HRTEM 분석; (b) nHAP의 주사 투과 전자 모드(STEM) 이미지; 및 (C) nHAP의 원소 매핑 여기서 적색, 녹색, 황색 및 청색 색상은 각각 탄소, 산소, 인 및 칼슘을 나타낸다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 공기능화 전략에 의해 합성된 nHAP/GNR의 구조 분석: (A) nHAP/GNR의 HRTEM 분석; (B) nHAP / GNR의 주사 전송 전자 모드 (STEM) 이미지; (C) nHAP / GNR의 원소 매핑 여기서 빨간색, 녹색, 노란색 및 파란색 색상은 각각 탄소, 산소, 인 및 칼슘을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: GNR/nHAP의 구조 분석: (A) GNR/nHAP의 HRTEM 분석; (b) 50 nm를 나타내는 인셋 스케일 바를 갖는 GNR/nHAP의 주사 투과 전자 모드(STEM) 이미지; (C) GNR/nHAP의 원소 매핑으로, 적색, 녹색, 황색 및 청색 색상은 각각 탄소, 산소, 인 및 칼슘을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 7: GNR/nHAP 나노복합체의 EDS 분석: (A) GNR, (B) 상업적으로 이용가능한 사전 형성된 nHAP 및 (C) GNR/nHAP 나노복합체. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 8: nHAP/GNR 나노복합체의 EDS 분석: (A) 합성 nHAP 및 (B) nHAP/GNR. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9: 나노복합체의 FTIR 분석. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 10: nHAP의 X선 회절(XRD) 분석. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 11: 나노복합체의 열중량 분석. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
다양한 금속, 중합체, 세라믹 및 이들의 조합이 정형외과 임플란트 및 고정 액세서리로서 연구되었지만, HAP는 뼈 자체와의 화학적 유사성 및 결과적으로 높은 세포 적합성20,21,22로 인해 가장 바람직한 물질 중 하나로 간주됩니다. 본 연구에서, HAP의 배향은 다양하였으며, 이는 골형성의 촉진, 골유착 및 골전도성과 같은 그의 독특한 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 또한, HAP의 방향을 변경하면 신체의 긴 뼈가 HA와 콜라겐의 이방성 정렬을 가지고 있기 때문에 나노 복합체의 기계적 특성에 영향을 미쳐 자연 뼈의 기계적 특성에 영향을 줄 수 있으며 입방 뼈는 콜라겐과 HA의 무작위 배열을 가지고 있기 때문입니다. 천연 HAP가 인간의 치아와 뼈의 주요 구성 요소이지만, 그 물리적 특성은 CaP 상23의 반응 시간, pH, 인산염 농도 및 화학적 성질과 같은 반응 조건에 크게 의존한다는 점에 유의해야합니다. 따라서, 이 연구에서, 습식 화학적 방법이 초음파 조사(UI) 하에 pH 10에서 nHAP를 합성하기 위해 사용되었다. Barbosa et al. (2013) 또한 하소없이 수성 침전과 관련하여 UI가 높은 결정성 및 특이성을 가진 nHAP를 생성하는 간단하고 신속하며 효율적인 방법이라고보고했다18.
인위적으로 제작된 HAP 관련 생체재료는 종종 내재적 취성, 낮은 파괴 인성 및 마모(22)를 포함하는 열악한 기계적 특성을 나타낸다는 점에 유의해야 한다. 따라서, nHAP는 여기에서 GNRs로 강화되어 촉진된다: (i) 나노입자와 관련된 표면 기능화, (ii) 복합체 내의 계면에서의 정전기적 상호작용, 및 (iii) 스캐폴드24,25,26의 매트릭스로부터 나노충전제로의 응력의 전달. 여기에 뒤이은 습식 화학 합성은 주로 작은 침상 입자에서 원시 nHAP가 더 큰 입자 (~ 40nm)로 응집되었습니다. 이 결과는 Barbosa et al. (2013) 의 보고서와 잘 일치하며, UI가 "핫 스폿"18,27이라고하는 가까운 거리에서 버블 벽을 형성하여 핵을 유도하는 데 중요한 역할을했다고 추측되었습니다.
호스트 입자와 게스트 입자 모두의 입자 크기가 감소하면 특정 한계까지만 유동성을 향상시킬 수 있다는 점에 주목하는 것이 흥미 롭습니다. 그 후, 호스트 입자의 치수의 추가의 감소는 흐름성(28)에 부정적인 영향을 미치는 응집을 야기할 수 있다. 사실상 입자가 없는 솔루션에서 일차 핵화를 유도하는 것 외에도 UI는 높은 과포화 수준을 방지합니다. 또한, UI-매개된 과포화 확립과 핵형성 및 결정화의 개시 사이의 경과 시간의 감소는 nHAP의 형상 진화 및 GNR 상의 기능화 패턴에서 핵심이 될 수 있다. nHAP/GNR 구조는 반응 온도, 기포의 붕괴로 인한 압력 및 충격파의 누적 효과에 기인할 수 있으며, 공간적으로 집중된 영역에서 생성되는 매우 에너지 적인 교반에 기인할 수 있다. 유사하게, UI의 존재하에 원시 GNR과 nHAP의 동시 첨가에 의해 합성된 GNR/nHAP 구조는 과포화를 향상시키는 후속적인 빠른 국부적 냉각 속도에 기인할 수 있다. 압력의 국부적인 증가는 또한 결정화의 온도를 감소시킬 수 있는 반면, 활성화 에너지에 의해 생성된 장벽은 GNR(18,27)의 표면 기능화 동안 캐비테이션으로 인한 에너지의 전달에 의해 상당히 극복될 수 있다.
한 보고서는 합성 동안 UI (~ 30-120 분)의 과도한 적용이 nHAP 결정(29)의 결정성 및 / 또는 크기를 감소시킨다는 것을 보여줍니다. 이것은 우리의 연구에서 관찰 된 기능화의 방향을 더 결정할 수 있습니다. 이 연구에서조차도, 결과는 nHAP의 합성 동안 상대적으로 긴 노출 시간 (30 분) 동안 UI가 GNR 상의 nHAP 침착을 유도한다는 것을 보여주었다. 한편, 미리 형성된 nHAP 및 GNR을 사용한 30분 동안의 UI는 구형 nHAPs 상에 GNR의 증착을 유도하였다. 따라서, 이 방법은 스캐폴드 제조를 위한 GNR 혼입 복합재(30,31)를 얻기 위한 nHAP의 대규모 생산에 이상적이다. 우수한 기계적 특성을 갖는 이러한 신규한 역방향 복합체는 골 조직 공학에 중요할 수 있다. 특히, Fan et al. (2014)은 그래핀을 도입하면 nHAP의 경도 및 영 모듈러스를 상당히 향상시킬 수 있으며, 이는 원시 그래핀 및 nHAP에 비해 주변 뼈와의 더 높은 골 유착 (즉, 우수한 생체 적합성)을 나타낼 수 있다고보고했다(32). 따라서, 우수한 기계적 특성 및 생체적합성을 갖는 GNR 및 nHAP로 구성된 나노복합체는 수많은 정형외과 응용분야에 유망한 생체재료가 될 수 있다(33,34,35).
그러나, 반대 배향을 갖는 나노하이브리드의 제조에 있어서 주요한 도전과제는 나노복합체(36,37)의 원하는 배향을 얻기 위해 반응 파라미터가 엄격하게 뒤따라야 한다는 것이다. 더욱이, 공동-기능화 전략에서, 더 적은 양의 바늘형 nHAP가 GNRs에 침착되었고, 이는 골 조직 재생 및 기계적 강도에 대한 그들의 잠재력을 감소시킬 수 있다. 두 방법 모두에서 nHAP의 형상은 상이하며, 이는 골형성의 양에 유의하게 영향을 미칠 수 있고, 따라서 생의학 응용에 관련된 다양한 특성을 야기할 수 있다.
결론적으로, 여기서 우리는 GNR과 nHAP로 구성된 나노 복합체를 정형 외과에서 잠재적 인 응용을 가질 수있는 대조적 인 공간 배열로 합성했습니다. 결과는 nHAP 형태학 및 기능화 시간 (즉, 합성 후 또는 nHAP 합성과 동시에 기능화가 일어나는지 여부)이 나노복합체에서 nHAP 및 GNRs의 배향을 결정한다는 것을 보여주었다. 합성 동안의 공동 기능화는 nHAP / GNR을 초래했으며, 사전 형성된 nHAP를 사용한 기능화는 GNR / nHAP를 초래했습니다. 이 나노 복합체는 골 생성을 촉진하기위한 스캐폴드를 개발하는 데 적용 할 수 있으므로 추가 조사를 보증하는 재생 나노 의학에서 중요한 약속을 가지고 있습니다.
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Disclosures
저자는 이해 상충이 없습니다.
Acknowledgments
Sougata Ghosh 박사는 과학 기술부 (DST), 과학 기술부, 인도 정부 및 Jawaharlal Nehru 첨단 과학 연구 센터가 나노 과학 기술 박사 후 해외 펠로우십에 따라 자금을 지원했음을 인정합니다 (Ref. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 년 8 월 19 일자 2019-2260). Sougata Ghosh 박사는 태국 방콕의 Kasetsart University에서 박사 후 펠로우십을 수여하고 Reinventing University Program (Ref. No. 6501.0207/10870 일자 2021 년 11 월 9 일자)에 따라 자금을 지원합니다. 저자들은 특성화 실험에 도움을 주신 Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF)에 감사드립니다. KANCF는 노스이스턴 대학교의 코스타스 연구소(KRI) 내의 공동 종합 연구 및 교육 시설입니다.
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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