Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Syntese av grafen-hydroksyapatitt nanokompositter for potensiell bruk i beinvevsteknikk

Published: July 27, 2022 doi: 10.3791/63985
Automatic Translation
1,2,3, 3, 4, 1, 3,5,6,7
1Department of Physics, Faculty of Science, Kasetsart University, 2Department of Microbiology, School of Science, RK. University, 3Department of Chemical Engineering, Northeastern University, 4Defence Institute of Advanced Technology Campus, Navyukti Innovations Pvt. Ltd., 5Department of Biomedical Engineering, Hebei University of Technology, 6Department of Chemistry, Saveetha School of Engineering, Institute of Medical and Technical Science, Saveetha University, 7UFPI - Universidade Federal do Piauí

Summary

Nye nanokompositter av grafen nanoribbons og hydroksyapatitt nanopartikler ble utarbeidet ved hjelp av løsningsfasesyntese. Disse hybrider når de brukes i bioaktive stillaser kan vise potensielle anvendelser i vevsteknikk og beinregenerering.

Abstract

Utvikling av nye materialer for beinvevsteknikk er et av de viktigste trykkområdene av nanomedisin. Flere nanokompositter har blitt fremstilt med hydroksyapatitt for å lette celletilhørighet, spredning og osteogenese. I denne studien ble hybrid nanokompositter vellykket utviklet ved hjelp av grafen nanoribboner (GNRs) og nanopartikler av hydroksyapatitt (nHAPer), som når de brukes i bioaktive stillaser, potensielt kan forbedre beinvevregenerering. Disse nanostrukturene kan være biokompatible. Her ble to tilnærminger brukt til å forberede de nye materialene. I en tilnærming ble det brukt en kofunksjonaliseringsstrategi der nHAP ble syntetisert og konjugert til GNRs samtidig, noe som resulterte i nanohybrider av nHAP på GNR-overflater (betegnet som nHAP /GNR). Høyoppløselig transmisjonselektronmikroskopi (HRTEM) bekreftet at nHAP/GNR-kompositten består av slanke, tynne strukturer av GNRs (maksimal lengde på 1,8 μm) med diskrete flekker (150-250 nm) nållignende nHAP (40-50 nm i lengde). I den andre tilnærmingen ble kommersielt tilgjengelig nHAP konjugert med GNRs som dannet GNR-belagt nHAP (betegnet som GNR/nHAP) (dvs. med motsatt orientering i forhold til nHAP/GNR nanohybrid). Nanohybriden dannet ved hjelp av sistnevnte metode viste nHAP nanosfærer med en diameter fra 50 nm til 70 nm dekket med et nettverk av GNRs på overflaten. Energidispergeringsspektra, elementær kartlegging og Fouriertransformasjon av infrarødt (FTIR) spektra bekreftet vellykket integrasjon av nHAP og GNRs i begge nanohybridene. Termogravimetrisk analyse (TGA) indikerte at tapet ved forhøyede oppvarmingstemperaturer på grunn av tilstedeværelsen av GNRs var henholdsvis 0,5% og 0,98% for henholdsvis GNR / nHAP og nHAP / GNR. nHAP-GNR nanohybrids med motsatte orienteringer representerer betydelige materialer for bruk i bioaktive stillaser for potensielt å fremme cellulære funksjoner for å forbedre beinvevsteknikk.

Introduction

Graphene har arklignende todimensjonale strukturer som består av sp-hybridisert karbon. Flere andre allotroper kan tilskrives det utvidede honeycomb-nettverket av grafen (f.eks. stabling av grafenplater danner 3D-grafitt mens du ruller av samme materiale resulterer i dannelsen av 1D nanorør1). På samme måte dannes 0D-fullerener på grunn av innpakning2. Graphene har attraktive fysisk-kjemiske og optoelektroniske egenskaper som inkluderer en ambipolar felteffekt og en kvantehalleffekt ved romtemperatur 3,4. Påvisning av enkeltmolekyl adsorpsjonshendelser og ekstremt høy bærermobilitet legger til de attraktive egenskapene til grafen 5,6. Videre anses grafen nanoribbons (GNRs) med smale bredder og en stor gjennomsnittlig fri bane, lav resistivitet med høy strømtetthet og høy elektronmobilitet som lovende sammenkoblede materialer7. Derfor blir GNRs utforsket for applikasjoner i et utall enheter, og mer nylig i nanomedisin, spesielt vevsteknikk og legemiddellevering8.

Blant ulike traumatiske plager regnes beinskader som en av de mest utfordrende på grunn av vanskeligheter med å stabilisere brudd, regenerering og erstatning med nytt bein, motstå infeksjon og justere bein ikke-fagforeninger 9,10. Kirurgiske prosedyrer er fortsatt det eneste alternativet for lårskaftbrudd. Det skal bemerkes at nesten $ 52 millioner brukes hvert år på behandling av beinskader i Mellom-Amerika og Europa11.

Bioaktive stillaser for beinvevsteknikk kan være mer effektive ved å inkorporere nanohydroksyapatitt (nHAP), da de ligner selve beinets mikro- og nanoarkitekturegenskaper12. HAP, kjemisk representert som Ca10(PO4)6(OH)2 med et Ca/P molar-forhold på 1,67, er det mest foretrukne for biomedisinske anvendelser, spesielt for behandling av periodontale defekter, substitusjon av harde vev og fabrikasjon av implantater for ortopediske operasjoner13,14. Dermed kan fabrikasjonen av nHAP-baserte biomaterialer forsterket med GNRs ha overlegen biokompatibilitet og kan være fordelaktig på grunn av deres evne til å fremme osseointegrasjon og være osteoledende15,16. Slike hybridkompositt stillaser kan bevare biologiske egenskaper som celletilslutning, spredning, spredning og differensiering17. Heri rapporterer vi fabrikasjonen av to nye nanokompositter for beinvevsteknikk ved å rasjonelt endre det romlige arrangementet av nHAP og GNRs som illustrert i figur 1. De kjemiske og strukturelle egenskapene til de to forskjellige nHAP-GNRs-arrangementene ble evaluert her.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Syntese av nHAP ved nedbør

  1. Syntetiser den uberørte nHAP ved hjelp av 50 ml av reaksjonsblandingen som inneholder 1 M Ca(NO3)2∙4H2O og 0,67 M (NH4)H2PO4 etterfulgt av dropwise addisjon av NH4OH (25%) for å opprettholde en pH rundt 1018.
  2. Deretter kan du omgi reaksjonsblandingen ved ultralydbestråling (UI) i 30 min (500 W effekt og 20 kHz ultralydfrekvens).
  3. La den resulterende løsningen modnes i 120 timer ved romtemperatur til det hvite bunnfallet av nHAP legger seg ut. Gjenopprett nHAP ved sentrifugering ved 1398 x g i 5 minutter ved romtemperatur.
  4. Vask bunnfallet med deionisert (DI) vann 3x og lyofilisere i 48 timer. Oppbevar det tørre pulveret ved 4 °C.

2. Fremstilling av nHAP/GNR nanokompositter

MERK: Følgende beskriver to tilnærminger for fabrikasjon av nHAP/GNR (dvs. nHAP på GNR-overflater) og GNR/nHAP (GNR-belagte nHAP)-nanokompositter som representerer to forskjellige romlige ordninger av nHAP- og GNR-er (figur 1).

  1. Syntese av nHAP/GNR
    1. For å forberede nanokompositten nHAP/GNRs, bruk en kofunksjonaliseringsstrategi der nHAP kan syntetiseres og konjugeres til GNRs samtidig, som følger.
    2. Løs opp 5 mg GNRs (Materialtabell) i en blanding av 1 M kalsiumnitrattetrahydrat [Ca(NO3)2·4H2O] og 0,67 M diammonium hydrogenfosfat [(NH4)2HPO4] til et 50 ml endelig volum19.
    3. Under denne reaksjonen, tilsett 25% av NH4OH dropwise for å opprettholde pH ved ~ 10. Agitate den resulterende blandingen av UI i 30 min.
    4. Etter ferdigstillelse av reaksjonen, la løsningen være uforstyrret i 120 timer ved romtemperatur til modning.
    5. Vær oppmerksom på dannelsen av et gelatinøst bunnfall av nHAP som dekker GNRs, hvoretter et hvitt bunnfall av nHAP / GNRs bosetter seg.
    6. Vask bunnfallet 3x ved sentrifugering ved 1398 x g i 5 minutter ved romtemperatur etterfulgt av respredning i DI-vann.
    7. Lyophilize den gjenvunne vasket utfelling i 48 timer. Oppbevar det tørre pulveret ved 4 °C.
    8. Bruk uberørte nHAP- ogGNR-er som kontrollprøver.
  2. Syntese av GNR/nHAP nanokompositt
    1. Suspender kommersielt tilgjengelig nHAP i en konsentrasjon på 5 mg/ml i 50 ml DI-vann supplert med 5 mg GNRs.
    2. Agitate den resulterende blandingen ved UI i 30 min og deretter la blandingen være uforstyrret i 120 timer ved romtemperatur.
    3. Etter modning, gjenopprette det hvite bunnfallet av den resulterende GNR / nHAP ved sentrifugering ved 1398 x g i 5 minutter ved romtemperatur.
    4. Vask prøven 3x med DI-vann, lyofiliser den i 48 timer, og oppbevar det tørre pulveret ved 4 °C for videre bruk.

3. Karakterisering av nHAP, nHAP/GNR og GNR/nHAP

  1. Bruk et høyoppløselig transmisjonselektronmikroskop (HRTEM) (se Materialfortegnelse) for å karakterisere morfologien og størrelsen på nanokomposittene11.
  2. Analyser nanokomposittenes elementære sammensetning ved hjelp av energidispergeringsspektroskopi (EDS) og utfør elementær kartlegging ved hjelp av skanningsoverføringselektronmikroskopet (STEM)11.
  3. Utfør Fouriertransformer infrarød (FTIR) spektroskopi for de pene prøvene ved bølgetall på 500-4000 cm−1 for å analysere de kjemiske gruppene i nanokompositt16.
  4. Utfør røntgendiffraksjonsanalyse (XRD) av den assyntetiserte nHAP ved hjelp av en røntgenbølgelengde på 1,5406 Å, strøm- og spenningsinnstillinger på henholdsvis 40 mA og 40 kV og 20° til 90°.
  5. Evaluer prosentbelastningen av GNR i nanokompositten ved hjelp av termogravimetrisk analyse (TGA) ved å varme opp prøvene fra romtemperatur til 1000 °C med en hastighet på 10 °C/min under nitrogenstrøm.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

HRTEM-analyse
Individuelt var GNRs slanke bambuslignende strukturer med noen bøyninger på en viss avstand som observert i figur 2. Den lengste GNR var 1.841 μm mens den minste bøyde GNR var 497 nm. Nanoribbonene viste ofte en synlig variasjon i bredde som kan tilskrives vridning for å danne spiralformede konfigurasjoner mange steder. Slik enveis justering av GNRs kan bidra til å oppnå attraktive funksjoner som magnetiske egenskaper, ledningsevne eller varmetransport7.

nHAPs syntetisert ved hjelp av kalsiumnitrattetrahydrat og diammonium hydrogenfosfat ved romtemperatur (trinn 1) var stangformede eller nållignende med en størrelse fra 40 nm til 50 nm (figur 3). De assyntetiserte nanomaterialene ble funnet i klumper på grunn av aggregering og krystallinsk vekst. På den annen side var de kommersielt tilgjengelige nHAPene som ble brukt sfæriske (figur 4); disse nanosfærene var 50-70 nm i diameter og tilstede i diskrete klynger på 15-20 sfærer.

nHAP ble deponert in situ på GNR-ene (representert som nHAP/GNR) i kofunksjonaliseringsstrategien (trinn 2.1). De resulterende nanokomposittene av GNRs og nHAP besto av svært porøse sammenkoblede nanostrukturer. Overvekten av nållignende nHAPer som dekker GNR-overflaten i flekker (figur 5) tilskrives GNR-ene som fungerer som et nano-kjennetegnet stillas for nHAP-kjernedannelse. nHAP-flekkene ble funnet å være mellom 150 nm og 250 nm i lengde og bredde (figur 5A,B). Elemental kartlegging bekreftet at de mellomliggende nodal patcher på GNRs var faktisk nHAP på grunn av tilstedeværelsen av elementær kalsium og fosfor (figur 5C).

I den andre metoden (trinn 2.2) ble forhåndsformet nHAP konjugert til GNRs som førte til dannelsen av GNR-belagt nHAP (representert som GNR/nHAP, dvs. med omvendt orientering sammenlignet med nHAP/GNR-kompositt). I dette tilfellet dannet GNRs tynne filmer på overflaten av de sfæriske nHAP nanopartiklene (figur 6).

Interessant nok er bøyningene og konvolusjonene som ble lagt merke til i periferien av GNRene som tydelig i figur 2A , for det meste tilskrevet lave stabilitetsegenskaper som kan ha forbedret den mekaniske interaksjonen og vedlegget med nHAP betydelig sett i figur 5 og figur 6. Videre hjelper det store overflatearealet til de uberørte GNRs også i mer nHAP-lasting. Aldring av komposittløsningene i 120 h resulterte også i fullstendig konvertering av apatitt til svært krystallinsk hydroksyapatitt (figur 3 og figur 5). De oksygenbaserte funksjonelle gruppene på GNR-overflaten samhandler elektrostatisk med Ca2+, som fungerer som reseptorstedet. Apatitt nanostrukturer kan oppnås videre på grunn av in situ-reaksjonen mellom disse forankrede kasjonene og fosfationene (trinn 2.1). Orienteringen av den mikrostrukturerte nHAP på GNR-overflaten styres av flere faktorer som inkluderer mengden og typen oksygengrupper på de grafenbaserte malene, den relative konsentrasjonen av forløperne (Ca. 2+ og HPO42-), pH i reaksjonsblandingen og modningstiden. Den kumulative effekten av reaksjonsforholdene resulterte i innpakning av gjennomsiktige GNRs på overflaten av nHAP nanosfærene muligens på grunn av ikke-kovalente fysiske adsorpsjon.

Analyse av energidispergeringsspektra (EDS)
For å bekrefte hovedkomponentene og nanokomposittenes elementære sammensetning ble det utført en energidispergerende spektralanalyse. I figur 7A viste EDS-spektraet av uberørte GNR-er en karbontopp som tilsvarer GNR-ene, mens ingen andre topper ble observert bortsett fra kobberet som ble tilskrevet nettet som ble brukt til monteringsprøver under HRTEM-analyse. Figur 7B viser EDS-spekteret av kommersielt tilgjengelige pre-formede nHAP nanosfærer der karbon- og kobbertoppene tilskrives de karbonbelagte kobbergitterene som brukes til montering av prøvene under HRTEM-analyse. I figur 7C ble en klar økning i karboninnholdet tilskrevet GNR-ene, mens de andre toppene som var spesifikke for kalsium og fosfor skyldtes nHAP i GNR/nHAP nanokompositter. Figur 8 viser EDS-spektraet til den assyntetiserte nHAP (trinn 1) (figur 8A) og nHAP/GNR-sammensetningen (figur 8B). Den markerte økningen i karboninnholdet i nHAP/GNR-spekteret skyldes de flestegnrene som bare små flekker av fersksyntetisert nHAP ble observert på.

FTIR-analyse

Konjugering av nHAP med GNR-ene ble bekreftet gjennom FTIR-spektra. Figur 9 viser FTIR-spektraet til nHAP, GNR, nHAP/GNR og GNR/nHAP. OH ut av flyet bøye toppen på 600 cm-1 er sett i FTIR av GNR12. Toppen på 1030 cm-1, tilskrevet P-O-strekking ble observert i nHAP, og bekreftet den kjemiske sammensetningen15. Spesielt ble den karakteristiske P-O-strekktoppen til nHAP også funnet i nHAP / GNR og GNR / nHAP, noe som indikerer tilstedeværelsen av nHAP i begge komposittene. De to andre toppene, 1413 og 1447 cm-1 som bare finnes i komposittene, tilskrives henholdsvis δCH2 vibrasjoner og karbonatgruppe (CO32−), som bekrefter konjugering av henholdsvis GNR og nHAP16.

Røntgendiffraksjonsanalyse (XRD)
XRD-mønsteret til HAP (trinn 2.1) vises i figur 10. De sterke toppene indikerte god krystallitet av materialet. Toppposisjonene var i god samsvar med de i ICDD-standarddataene (PDF2-kort: 00-009-0432). Dette bekreftet videre den sekskantede krystallstrukturen (P63/ m romgruppe) til nHAP, med gitterparameterverdier på a = b = 0,940 nm og c = 0,615 nm. Noen av de viktigste, sterke toppene ved 2θ-verdier på 25,8°, 28,2°, 31,8°, 32,9°, 34,1°, 39,7°, 43,9°, 46,6° og 49,4° tilsvarende (002), (102), (211), (300), (202), (310), (113), (222) og (213) fly, henholdsvis, bekreftet renheten til de assyntetiserte nHAP 16,20,21.

Termogravimetrisk analyse (TGA)
Termogravimetrisk analyse (TGA) ble brukt til å estimere lastprosenten i konjugatene (figur 11). Tre fremtredende tap i masse var tydelige under TGA-analyse. Det første tapet i masse ved temperaturer opp til 100 °C skyldes det innfangede fysiske vannet. Det andre tapet mellom 100 °C og 200 °C skyldes dekomponering av GNR i karbonsot. Den stadige reduksjonen i massen deretter opp til 500 °C skyldtes krystallisering av nHAP. Videre oppvarming førte til nedbrytning av kompleksene. Tap på grunn av tilstedeværelsen av GNRs ble funnet å være mellom 0,5% og 0,98% i henholdsvis GNR / nHAP og nHAP / GNR. Det er derfor i god enighet med vår tidligere analyse der HAP ble funnet som hovedkomponent oggnrene var overflateorienterte innenfor GNR/nHAP. På den annen side var GNR-ene rikelig i nHAP / GNR der nHAP dannet diskrete flekker på de lange strekningene av GNRs.

Figure 1
Figur 1: Skjematisk representasjon for syntetisering av omvendt orientert grafen nanoribbon-hydroksyapatitthybridekompositter: (A) nHAP/GNR og (B) GNR/nHAP. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Strukturell analyse avGNRs: (A) HRTEM-analyse av nakne GNRs; (B) Skanning overføring elektron modus (STEM) bilder av GNRs; og (C) Elemental kartlegging avGNRs, hvor røde, grønne, gule og blå farger betegner henholdsvis karbon, oksygen, fosfor og kalsium. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Strukturell analyse av assyntetisert nHAP: (A) HRTEM-analyse av nHAP; (B) Skanning overføring elektron modus (STEM) bilder av nHAP med innfelt skala bar representerer 100 nm; og (C) Elemental kartlegging av nHAP der røde, grønne, gule og blå farger betegner henholdsvis karbon, oksygen, fosfor og kalsium. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Strukturell analyse av den kommersielt tilgjengelige forhåndsutformede nHAP: (A) HRTEM-analysen av nHAP; (B) Skanning overføring elektron modus (STEM) bilder av nHAP; og (C) Elemental kartlegging av nHAP der røde, grønne, gule og blå farger betegner henholdsvis karbon, oksygen, fosfor og kalsium. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Strukturell analyse av nHAP/GNR syntetisert av medfunksjonaliseringsstrategien: (A) HRTEM-analyse av nHAP/GNR; (B) Skanning overføring elektron modus (STEM) bilder av nHAP / GNR; og (C) Elemental kartlegging av nHAP/GNR der røde, grønne, gule og blå farger betegner henholdsvis karbon, oksygen, fosfor og kalsium. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Strukturell analyse av GNR/nHAP: (A) HRTEM-analyse av GNR/nHAP; (B) Skanning overføring elektron modus (STEM) bilder av GNR / nHAP med innfelt skala bar representerer 50 nm; og (C) Elemental kartlegging av GNR/nHAP der røde, grønne, gule og blå farger betegner henholdsvis karbon, oksygen, fosfor og kalsium. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: EDS-analyse av GNR/nHAP nanokompositt: (A) GNRs, (B) kommersielt tilgjengelige pre-formede nHAP, og (C) GNR/nHAP nanokompositt. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 8
Figur 8: EDS-analyse av nanokompositten nHAP/GNR: (A) Assyntetisert nHAP og (B) nHAP/GNR. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 9
Figur 9: FTIR-analyse av nanokomposittene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 10
Figur 10: Røntgendiffraksjon (XRD) analyse av nHAP. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 11
Figur 11: Termogravimetrisk analyse av nanokomposittene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Selv om ulike metaller, polymerer, keramikk og deres kombinasjoner har blitt forsket på som ortopediske implantater og fikseringstilbehør, anses HAP å være et av de mest foretrukne materialene på grunn av sin kjemiske likhet med selve beinet og følgelig høy cytokompatibilitet 20,21,22. I denne studien var orienteringen av HAP variert, noe som kan ha en betydelig innvirkning på dens unike egenskaper, for eksempel fremme av osteogenese, osseointegrasjon og osteoledningsevne. Videre kan endring av orienteringen av HAP påvirke nanokomposittenes mekaniske egenskaper for å etterligne det naturlige beinet ytterligere, siden lange bein i kroppen har en anisotrop justering av HA med kollagen, mens cuboidal bein har et tilfeldig arrangement av HA med kollagen. Det skal bemerkes at selv om naturlig HAP er hovedbestanddelen av menneskelige tenner og bein, er dens fysiske egenskaper i stor grad avhengige av reaksjonsforhold som reaksjonstid, pH, fosfatkonsentrasjon og kjemisk natur i CaP fase23. Derfor ble det i denne studien brukt en våt kjemisk metode for å syntetisere nHAP ved en pH på 10 under ultralydbestråling (UI). Barbosa et al. (2013) rapporterte også at UI i forbindelse med vandig nedbør uten kalsinering er en enkel, rask og effektiv metode som genererer nHAP med høy krystallitet og spesifisitet18.

Det er viktig å merke seg at kunstig fremstilte HAP-assosierte biomaterialer ofte viser dårlige mekaniske egenskaper som inkluderer iboende sprøhet, lav brudd seighet og slitasje22. Derfor er nHAP forsterket her med GNRs for å lette: (i) overflatefunksjonalisering forbundet med nanopartikler, (ii) elektrostatiske interaksjoner ved grensesnittet i komplekset, og (iii) overføring av stress til nanofyllerne fra stillasmatrisen 24,25,26. Den våte kjemiske syntesen som fulgte her resulterte hovedsakelig i uberørt nHAP i små akrokulære partikler som ble agglomerert i større partikler (~40 nm). Dette resultatet er godt enig i rapporten fra Barbosa et al. (2013), der det ble spekulert i at UI spilte en kritisk rolle i å indusere kjernedannelse ved å danne boblevegger i umiddelbar nærhet, referert til som "hot-spots"18,27.

Det er interessant å merke seg at en reduksjon i partikkelstørrelsen til både verts- og gjestepartiklene kan forbedre flyten bare opp til en viss grense. Deretter kan ytterligere reduksjon i dimensjonen til vertspartikkelen føre til agglomerering som negativt påvirker flyten28. Bortsett fra å indusere primærkjernedannelse i en praktisk talt partikkelfri løsning, forhindrer brukergrensesnittet høye overmetningsnivå. Videre kan UI-mediert reduksjon i den forløpte tiden mellom etablering av overmetning og utbruddet av kjernedannelse og krystallisering være nøkkelen i formutviklingen av nHAP og mønsteret for funksjonalisering på GNR-ene. nHAP/GNR-strukturen kan tilskrives den kumulative effekten av reaksjonstemperaturen, trykket forbundet på grunn av boblekollaps og sjokkbølger i tillegg til svært energisk agitasjon skapt i romlig konsentrerte regioner. På samme måte kan GNR/nHAP-strukturen syntetisert ved samtidig tilsetning av uberørte GNR-er og nHAP i nærvær av brukergrensesnitt tilskrives de påfølgende raske lokale kjølehastighetene som forbedrer overmetningen. En lokalisert økning i trykket kan også redusere temperaturen på krystallisering, mens barrieren skapt av aktiveringsenergi kan overberegnes betydelig ved overføring av energi på grunn av kavitasjon under overflatefunksjonalisering av GNRs18,27.

En rapport viser at overdreven bruk av brukergrensesnitt (~30-120 min) under syntese reduserer krystalliteten og/eller størrelsen på nHAP-krystallene29. Dette kan ytterligere bestemme orienteringen av funksjonaliseringen som observert i studien vår. Selv i denne studien viste resultatene at UI i relativt lang eksponeringstid (30 min) under syntesen av nHAP førte til nHAP-avsetning på GNRs. På den annen side førte UI i 30 min med forhåndsformet nHAP og GNRs til avsetning av GNRs på sfæriske nHAPer. Derfor er denne metoden ideell for storskala produksjon av nHAP for å oppnå GNR-innlemmede kompositter for stillasproduksjon30,31. Slike nye omvendt orienterte kompositter med overlegne mekaniske egenskaper kan ha betydning for beinvevsteknikk. Spesielt rapporterte Fan et al. (2014) at innføring av grafen kan forbedre hardheten og Youngs modulus av nHAP som igjen viser høyere osseointegrasjon med omkringliggende bein (dvs. overlegen biokompatibilitet), sammenlignet med uberørt grafen og nHAP, individuelt32. Dermed kan nanokompositter som består av GNRs og nHAP med overlegne mekaniske egenskaper og biokompatibilitet være lovende biomaterialer for mange ortopediske applikasjoner 33,34,35.

Den største utfordringen i fabrikasjonen av nanohybrider med motsatte orienteringer er imidlertid at reaksjonsparametrene bør følges nøye for å oppnå ønsket orientering av nanokompositter36,37. Videre, i kofunksjonaliseringsstrategien, ble færre mengder av nålformet nHAP avsatt på GNRs, noe som kan redusere deres potensial for beinvevregenerering og mekanisk styrke. Formene til nHAP i begge metodene er forskjellige, noe som kan påvirke mengden osteogenese betydelig og dermed forårsake ulike egenskaper som er relevante for biomedisinske applikasjoner.

Til slutt, her, syntetiserte vi nanokompositter som består av GNRs og nHAP med kontrasterende romlige ordninger som kan ha potensielle applikasjoner i ortopedi. Resultatene viste at nHAP morfologi og funksjonaliseringstid (dvs. om funksjonalisering foregår etter syntese eller samtidig med nHAP-syntese) bestemte retningen til nHAP og GNRs i nanokomposittene. Samtidig funksjonalisering under syntese resulterte i nHAP/GNRs, mens funksjonalisering med forhåndsformet nHAP resulterte i GNRs/nHAP. Disse nanokomposittene kan være anvendelige for å utvikle stillaser for å fremme osteogenese og dermed ha betydelige løfter i regenerativ nanomedisin som garanterer deres videre undersøkelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

Dr. Sougata Ghosh anerkjenner Institutt for vitenskap og teknologi (DST), Ministry of Science and Technology, Government of India og Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research, India for finansiering under Post-Doctoral Overseas Fellowship in Nano Science and Technology (Ref. JNC/AO/A.0610.1(4) 2019-2260 datert 19. august 2019). Dr. Sougata Ghosh anerkjenner Kasetsart University, Bangkok, Thailand for et postdoktorstipend og finansiering under Reinventing University Program (ref. nr. 6501.0207/10870 datert 9. november 2021). Forfatterne vil takke Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) for hjelp med karakteriseringseksperimentene. KANCF er et felles tverrfaglig forsknings- og utdanningsanlegg ved Kostas Research Institute (KRI) ved 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Novoselov, K. S., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Morozov, S. V., et al. Giant intrinsic carrier mobilities in graphene and its bilayer. Physical Review Letters. 100 (1-11), 016602 (2008).
  6. 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).
  7. Talyzin, A. V., et al. Synthesis of graphene nanoribbons encapsulated in single-walled carbon nanotubes. Nano Letters. 11 (10), 4352-4356 (2011).
  8. Allen, M. J., Tung, V. C., Kaner, R. B. Honeycomb carbon: A review of graphene. Chemical Reviews. 110 (1), 132-145 (2010).
  9. Ghosh, S., Webster, T. J. Metallic nanoscaffolds as osteogenic promoters: Advances, challenges and scope. Metals. 11 (9), 1356 (2021).
  10. Ghosh, S., Webster, T. J. Mesoporous silica based nanostructures for bone tissue regeneration. Frontiers in Materials. 8, 213 (2021).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Neelgund, G. M., Oki, A., Luo, Z. In situ deposition of hydroxyapatite on graphene nanosheets. Materials Research Bulletin. 48 (2), 175-179 (2013).
  14. 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).
  15. Mondal, S., et al. Hydroxyapatite coated iron oxide nanoparticles: A promising nanomaterial for magnetic hyperthermia cancer treatment. Nanomaterials. 7 (12), 426 (2017).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Baradaran, S., et al. Mechanical properties and biomedical applications of a nanotube hydroxyapatite-reduced graphene oxide composite. Carbon. 69, 32-45 (2014).
  23. Sassoni, E. Hydroxyapatite and other calcium phosphates for the conservation of cultural heritage: A review. Materials. 11 (4), 557 (2018).
  24. Tang, H., Ehlert, G. J., Lin, Y., Sodano, H. A. Highly efficient synthesis of graphene nanocomposites. Nano Letters. 12 (1), 84-90 (2012).
  25. Walker, L. S., Marotto, V. R., Rafiee, M. A., Koratkar, N., Corral, E. L. Toughening in graphene ceramic composites. ACS Nano. 5 (4), 3182-3190 (2011).
  26. Rafiee, M. A., et al. Enhanced mechanical properties of nanocomposites at low graphene content. ACS Nano. 3 (12), 3884-3890 (2009).
  27. Luque de Castro, M. D., Priego-Capote, F. Ultrasound-assisted crystallization (sonocrystallization). Ultrasonics Sonochemistry. 14 (6), 717-724 (2007).
  28. Azhari, A., Toyserkani, E. Additive manufacturing of graphene-hydroxyapatite nanocomposite structures. International Journal of Applied Ceramic Technology. 12 (1), 8-17 (2015).
  29. Li, H., Wang, J., Bao, Y., Guo, Z., Zhang, M. Rapid sonocrystallization in the salting-out process. Journal of Crystal Growth. 247 (1-2), 192-198 (2003).
  30. 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).
  31. Rouhani, P., Taghavinia, N., Rouhani, S. Rapid growth of hydroxyapatite nanoparticles using ultrasonic irradiation. Ultrasonics Sonochemistry. 17 (5), 853-856 (2010).
  32. Fan, Z., et al. One-pot synthesis of graphene/hydroxyapatite nanorod composite for tissue engineering. Carbon. 66, 407-416 (2014).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Hazra, A., Basu, S. Graphene nanoribbon as potential on-chip interconnect material-A Review. C Journal of Carbon Research. 4 (3), 49 (2018).
  36. 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).
  37. 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).

Tags

Bioingeniør Utgave 185 Nanomedisin grafen nanoribbons hydroksyapatitt omvendt orientering stillaser
Syntese av grafen-hydroksyapatitt nanokompositter for potensiell bruk i beinvevsteknikk
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ghosh, S., Bhagwat, T., Kitture, R., … More

Ghosh, S., Bhagwat, T., Kitture, R., Thongmee, S., Webster, T. J. Synthesis of Graphene-Hydroxyapatite Nanocomposites for Potential Use in Bone Tissue Engineering. J. Vis. Exp. (185), e63985, doi:10.3791/63985 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter