Summary
Новые нанокомпозиты графеновых нанолент и наночастиц гидроксиапатита были получены с использованием растворно-фазового синтеза. Эти гибриды при использовании в биологически активных каркасах могут демонстрировать потенциальное применение в тканевой инженерии и регенерации костей.
Abstract
Разработка новых материалов для инженерии костной ткани является одной из наиболее важных областей наномедицины. Несколько нанокомпозитов были изготовлены с гидроксиапатитом для облегчения клеточной адгезии, пролиферации и остеогенеза. В этом исследовании гибридные нанокомпозиты были успешно разработаны с использованием графеновых нанолент (GNR) и наночастиц гидроксиапатита (nHAPs), которые при использовании в биологически активных каркасах могут потенциально улучшить регенерацию костной ткани. Эти наноструктуры могут быть биосовместимыми. Здесь для подготовки новых материалов использовались два подхода. В одном подходе использовалась стратегия кофункционализации, при которой nHAP синтезировался и сопрягался с GNR одновременно, что приводило к наногибридам nHAP на поверхностях GNR (обозначаемым как nHAP/GNR). Просвечивающая электронная микроскопия с высоким разрешением (HRTEM) подтвердила, что композит nHAP/GNR состоит из тонких, тонких структур GNR (максимальная длина 1,8 мкм) с дискретными пятнами (150-250 нм) игольчатого nHAP (40-50 нм в длину). В другом подходе коммерчески доступный nHAP был сопряжен с ГНРс, образующими nHAP с покрытием GNR (обозначаемым как GNR/nHAP) (т.е. с противоположной ориентацией относительно наногибрида nHAP/GNR). Наногибриды, сформированные с помощью последнего метода, выставляли nHAP-наносферы диаметром от 50 нм до 70 нм, покрытые сетью ГНР на поверхности. Спектры дисперсии энергии, элементарное отображение и инфракрасные спектры преобразования Фурье (FTIR) подтвердили успешную интеграцию nHAP и GNR в обоих наногибридах. Термогравиметрический анализ (TGA) показал, что потери при повышенных температурах нагрева из-за присутствия ГНРс составляли соответственно 0,5% и 0,98% для GNR/nHAP и nHAP/GNR. Наногибриды nHAP-GNR с противоположными ориентациями представляют собой значимые материалы для использования в биологически активных каркасах для потенциального стимулирования клеточных функций для улучшения инженерных приложений костной ткани.
Introduction
Графен имеет листовидные двумерные структуры, состоящие из sp-гибридизированного углерода. Несколько других аллотропов могут быть отнесены к расширенной сотовой сети графена (например, укладка графеновых листов образует 3D-графит при скатывании с того же материала, что приводит к образованию 1D-нанотрубок1). Аналогично, 0D фуллерены образуются из-за обертывания2. Графен обладает привлекательными физико-химическими и оптоэлектронными свойствами, которые включают амбиполярный полевой эффект и квантовый эффект Холла при комнатной температуре 3,4. Обнаружение одномолекулярных адсорбционных событий и чрезвычайно высокая подвижность носителей добавляют к привлекательным свойствам графена 5,6. Кроме того, графеновые наноленты (GNR) с узкой шириной и большим средним свободным путем, низким удельным сопротивлением с высокой плотностью тока и высокой подвижностью электронов считаются перспективными взаимосвязанными материалами7. Следовательно, ГНР изучаются для применения во множестве устройств, а в последнее время и в наномедицине, особенно в тканевой инженерии и доставке лекарств8.
Среди различных травматических заболеваний травмы костей считаются одними из самых сложных из-за трудностей в стабилизации перелома, регенерации и замене новой костью, сопротивления инфекции и повторного выравнивания костных несоединений 9,10. Хирургические процедуры остаются единственной альтернативой переломам бедренного мозга. Следует отметить, что почти 52 миллиона долларов ежегодно тратится на лечение травм костей в Центральной Америке и Европе11.
Биоактивные каркасы для инженерных применений костной ткани могут быть более эффективными путем включения наногидроксиапатита (nHAP), поскольку они напоминают микро- и наноархитектурные свойства самой кости12. HAP, химически представленный как Ca10(PO4)6(OH)2 с молярным соотношением Ca/P 1,67, является наиболее предпочтительным для биомедицинских применений, особенно для лечения пародонтальных дефектов, замещения твердых тканей и изготовления имплантатов для ортопедических операций13,14. Таким образом, изготовление биоматериалов на основе nHAP, усиленных ГНР, может обладать превосходной биосовместимостью и может быть выгодным из-за их способности способствовать остеоинтеграции и быть остеокондуктивным15,16. Такие гибридные композитные каркасы могут сохранять биологические свойства, такие как сцепление клеток, распространение, пролиферация и дифференцировка17. Здесь мы сообщаем о создании двух новых нанокомпозитов для инженерии костной ткани путем рационального изменения пространственного расположения nHAP и GNR, как показано на рисунке 1. Здесь были оценены химические и структурные свойства двух различных механизмов nHAP-GNR.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Синтез nHAP по осадкам
- Синтезируют нетронутый nHAP, используя 50 мл реакционной смеси, содержащей 1 M Ca(NO3)2∙4H2O и 0,67 M (NH4)H2PO4 с последующим добавлением по каплям NH4OH (25%) для поддержания рН около 1018.
- После этого перемешивают реакционную смесь ультразвуковым облучением (UI) в течение 30 мин (мощность 500 Вт и ультразвуковая частота 20 кГц).
- Дайте полученному раствору созреть в течение 120 ч при комнатной температуре, пока белый осадок nHAP не осядет. Восстанавливают nHAP центрифугированием при 1398 х г в течение 5 мин при комнатной температуре.
- Промыть осадок деионизированной (DI) водой 3x и лиофилизировать в течение 48 ч. Хранить сухой порошок при температуре 4 °C.
2. Подготовка нанокомпозитов nHAP/GNR
ПРИМЕЧАНИЕ: Ниже описываются два подхода к изготовлению нанокомпозитов nHAP/GNR (т.е. nHAP на поверхностях GNR) и GNR/nHAP (nHAP с покрытием GNR), которые представляют собой два различных пространственных расположения nHAP и GNR (рисунок 1).
- Синтез нХАП/НРГ
- Чтобы подготовить нанокомпозит nHAP/GNRs, используйте стратегию кофункционализации, где nHAP может быть синтезирован и сопряжен с GNR одновременно, следующим образом.
- Растворить 5 мг ГНР (Таблица материалов) в смеси тетрагидрата 1 М нитрата кальция [Ca(NO3)2·4H2O] и 0,67 М диаммоний-гидрофосфата [(NH4)2HPO4] до конечного объема19 50 мл.
- Во время этой реакции добавляют 25% NH4OH по каплям, чтобы поддерживать рН на уровне ~ 10. Перемешайте полученную смесь с помощью пользовательского интерфейса в течение 30 мин.
- После завершения реакции оставьте раствор нетронутым в течение 120 ч при комнатной температуре до созревания.
- Наблюдайте за образованием желатинового осадка nHAP, который покрывает GNR, после чего оседает белый осадок nHAP/GNR.
- Промыть осадок в 3 раза центрифугированием при 1398 х г в течение 5 мин при комнатной температуре с последующей повторной диспергированием в воде DI.
- Лиофилизируют восстановленный промытый осадок в течение 48 ч. Хранить сухой порошок при температуре 4 °C.
- Используйте нетронутые nHAP и GNR в качестве контрольных образцов.
- Синтез нанокомпозита GNR/nHAP
- Суспендировать коммерчески доступный nHAP в концентрации 5 мг/мл в 50 мл воды DI, дополненной 5 мг ГНРС.
- Полученное смесь перемешивают UI в течение 30 мин, а затем оставляют смесь ненарушенной в течение 120 ч при комнатной температуре.
- После созревания восстанавливают белый осадок полученного GNR/nHAP центрифугированием при 1398 х г в течение 5 мин при комнатной температуре.
- Промыть образец 3 раза водой DI, лиофилизировать его в течение 48 ч и хранить сухой порошок при 4 °C для дальнейшего использования.
3. Характеристика nHAP, nHAP/GNR и GNR/nHAP
- Используйте просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения (HRTEM) (см. Таблицу материалов) для характеристики морфологии и размера нанокомпозитов11.
- Проанализировать элементный состав нанокомпозитов с использованием энергодисперсионной спектроскопии (ЭЦП) и выполнить элементное картирование с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (STEM)11.
- Выполнить инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье (FTIR) для аккуратных образцов с волновыми числами 500-4000 см−1 для анализа химических групп в нанокомпозите16.
- Выполняют порошковый рентгеновский дифракционный (XRD) анализ ас-синтезированного nHAP с использованием длины волны рентгеновского излучения 1,5406 Å, значений тока и напряжения 40 мА и 40 кВ соответственно и 2θ в диапазоне от 20° до 90°.
- Оценить процент загрузки GNR в нанокомпозите с помощью термогравиметрического анализа (TGA) путем нагрева образцов от комнатной температуры до 1000 °C со скоростью 10 °C / мин при потоке азота.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Анализ HRTEM
По отдельности ГНР представляли собой тонкие бамбуковые структуры с некоторыми изгибами на некотором расстоянии, как показано на рисунке 2. Самый длинный GNR составлял 1,841 мкм, в то время как самый маленький изогнутый GNR составлял 497 нм. Наноленты часто показывали видимое изменение ширины, которое может быть связано с скручиванием для формирования спиральных конфигураций во многих местах. Такое однонаправленное выравнивание ГНР может помочь получить привлекательные свойства, такие как магнитные свойства, проводимость или перенос тепла7.
nHAPs, синтезированные с использованием тетрагидрата нитрата кальция и гидрофосфата диаммония при комнатной температуре (стадия 1), были палочковидными или игольчатыми с размером от 40 нм до 50 нм (рисунок 3). Ас-синтезированные наноматериалы были обнаружены в скоплениях из-за агрегации и роста кристаллов. С другой стороны, используемые коммерчески доступные нХАП были сферическими (рисунок 4); эти наносферы имели диаметр 50-70 нм и присутствовали в дискретных кластерах по 15-20 сфер.
nHAP был депонирован in situ на ГНЗ (представленных как nHAP/GNR) в стратегии совместной функционализации (этап 2.1). Полученные нанокомпозиты GNR и nHAP состояли из высокопористых взаимосвязанных наноструктур. Преобладание игольчатых nHAP, покрывающих поверхность GNR в пятнах (рисунок 5), приписывается GNR, которые служат нано-показанным каркасом для нуклеации nHAP. Было обнаружено, что пятна nHAP имеют длину и ширину от 150 нм до 250 нм (рисунок 5A, B). Элементарное картирование подтвердило, что опосредованные узловые пятна на ГНЗ действительно были nHAP из-за присутствия элементарного кальция и фосфора (рисунок 5C).
В другом способе (этап 2.2) предварительно сформированный nHAP сопрягали с ГНР, что приводило к образованию nHAP с покрытием GNR (представленного как GNR/nHAP, т.е. с обратной ориентацией по сравнению с композитом nHAP/GNR). При этом в ГНРах образуются тонкие пленки на поверхности сферических наночастиц nHAP (рисунок 6).
Интересно, что изгибы и извилины, замеченные на периферии ГНЗ, как показано на рисунке 2А , в основном объясняются свойствами низкой стабильности, которые могли бы значительно улучшить механическое взаимодействие и прикрепление с nHAP, как показано на рисунке 5 и рисунке 6. Кроме того, большая площадь поверхности нетронутых GNR также помогает в большей нагрузке nHAP. Кроме того, старение композиционных растворов в течение 120 ч приводило к полному превращению апатита в высококристаллический гидроксиапатит (фиг.3 и фиг.5). Кислородные функциональные группы поверхности GNR электростатически взаимодействуют с Ca2+, выступая в качестве рецепторного сайта. Апатитовые наноструктуры могут быть получены дополнительно за счет реакции in situ между этими закрепленными катионами и фосфатными ионами (стадия 2.1). Ориентация микроструктурированного nHAP на поверхности GNR контролируется несколькими факторами, которые включают количество и тип кислородных групп на шаблонах на основе графена, относительную концентрацию предшественников (Ca2+ и HPO42-), pH реакционной смеси и время созревания. Кумулятивный эффект условий реакции привел к обертыванию прозрачных ГНР на поверхность наносфер nHAP, возможно, из-за нековалентной физической адсорбции.
Анализ энергодисперсионных спектров (ЭЦП)
Для подтверждения основных компонентов и элементного состава нанокомпозитов был проведен энергодисперсионный спектральный анализ. На рисунке 7А спектры EDS нетронутых ГНРа показали углеродный пик, соответствующий ГНР, в то время как никаких других пиков не наблюдалось, за исключением меди, которая была отнесена к сетке, используемой для монтажа образцов во время анализа HRTEM. На рисунке 7B показан спектр EDS коммерчески доступных предварительно сформированных наносфер nHAP, где углеродные и медные пики относятся к медным сеткам с углеродным покрытием, используемым для монтажа образцов во время анализа HRTEM. На рисунке 7C явное увеличение содержания углерода было отнесено к ГНР, в то время как другие пики, характерные для кальция и фосфора, были обусловлены nHAP в нанокомпозитах GNR/nHAP. На рисунке 8 показаны спектры ЭЦП ас-синтезированных nHAP (шаг 1) (рисунок 8A) и nHAP/GNR композита (рисунок 8B). Заметное увеличение содержания углерода в спектре nHAP/GNR обусловлено большинством ГНЗ, на которых наблюдались лишь небольшие участки свежесинтезированного nHAP.
FTIR-анализ
Сопряжение nHAP с ГНР было подтверждено с помощью FTIR-спектров. На рисунке 9 показаны спектры FTIR nHAP, GNR, nHAP/GNR и GNR/nHAP. Пик изгиба плоскости в 600 см-1 виден в FTIR GNR12. Пик в 1030 см-1, приписываемый растяжению P-O, наблюдался в nHAP, подтверждая его химический состав15. Примечательно, что характерный пик растяжения P-O nHAP был также обнаружен в nHAP/GNR и GNR/nHAP, что указывает на наличие nHAP в обоих композитах. Два других пика, 1413 и 1447 см-1 , найденные только в композитах, приписываются колебаниям δCH2 и карбонатной группе (CO32−), соответственно, которые подтверждают сопряжение GNR и nHAP16.
Рентгеноструктурный (XRD) анализ
Шаблон XRD HAP (шаг 2.1) показан на рисунке 10. Сильные пики свидетельствовали о хорошей кристалличности материала. Пиковые позиции были в хорошем согласии с данными стандарта ICDD (карта PDF2: 00-009-0432). Это дополнительно подтвердило гексагональную кристаллическую структуру (пространственная группа P63/m) nHAP, имеющую значения параметров решетки a = b = 0,940 нм и c = 0,615 нм. Некоторые из заметных, сильных пиков при значениях 2θ 25,8°, 28,2°, 31,8°, 32,9°, 34,1°, 39,7°, 43,9°, 46,6° и 49,4°, соответствующих (002), (102), (211), (300), (202), (310), (113), (222) и (213) плоскостям, соответственно, подтвердили чистоту синтезированного as-nHAP 16,20,21.
Термогравиметрический анализ (TGA)
Термогравиметрический анализ (TGA) использовался для оценки процента нагрузки в сопряжениях (рисунок 11). Три заметных потери в массе были очевидны в ходе анализа TGA. Первоначальная потеря массы при температуре до 100 °C происходит из-за захваченной физической воды. Вторая потеря от 100 °C до 200 °C обусловлена разложением GNR на углеродную сажу. Устойчивое снижение массы после этого до 500 °C было обусловлено кристаллизацией nHAP. Дальнейший нагрев привел к разложению комплексов. Было установлено, что потери из-за наличия ГНЗ составляют от 0,5% до 0,98% в GNR/nHAP и nHAP/GNR, соответственно. Таким образом, это хорошо согласуется с нашим предыдущим анализом, в котором HAP был обнаружен в качестве основного компонента, а GNR были ориентированы на поверхность в рамках GNR/nHAP. С другой стороны, ГНР были в изобилии в nHAP/GNR, где nHAP образовывали дискретные пятна на длинных участках GNR.
Рисунок 1: Схематическое изображение синтеза обратноориентированных графеновых нанолентно-гидроксиапатитовых гибридных композитов: (A) nHAP/GNR и (B) GNR/nHAP. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Структурный анализ ГНЗ: а) анализ ГНДК ПОПЧ; (B) Сканирующие изображения ГНЗ в режиме просвечивания электронов (STEM); и (C) Элементарное отображение ГНЗ, где красный, зеленый, желтый и синий цвета обозначают углерод, кислород, фосфор и кальций, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Структурный анализ ас-синтезированного nHAP: (A) HRTEM-анализ nHAP; (B) Сканирующие изображения в режиме просвечивания электронов (STEM) nHAP со вставкой шкалы, представляющей 100 нм; и (C) Элементарное отображение nHAP, где красный, зеленый, желтый и синий цвета обозначают углерод, кислород, фосфор и кальций, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Структурный анализ коммерчески доступного предварительно сформированного nHAP: (A) HRTEM-анализ nHAP; B) сканирующие изображения nHAP в режиме просвечивания электронов (STEM); и (C) Элементарное отображение nHAP, где красный, зеленый, желтый и синий цвета обозначают углерод, кислород, фосфор и кальций, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Структурный анализ nHAP/GNR, синтезированный стратегией кофункционализации: (A) HRTEM анализ nHAP/GNR; (B) Сканирующие изображения в режиме передачи электронов (STEM) nHAP/GNR; и (C) Элементарное картирование nHAP/GNR, где красный, зеленый, желтый и синий цвета обозначают углерод, кислород, фосфор и кальций, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Структурный анализ GNR/nHAP: (A) HRTEM анализ GNR/nHAP; (B) Сканирующие изображения В электронном режиме пропускания (STEM) GNR/nHAP со вставкой шкалы, представляющей 50 нм; и (C) Элементарное отображение GNR/nHAP, где красный, зеленый, желтый и синий цвета обозначают углерод, кислород, фосфор и кальций, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: EDS-анализ нанокомпозита GNR/nHAP: (A) GNR, (B) коммерчески доступный предварительно сформированный nHAP и (C) GNR/nHAP нанокомпозит. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 8: ЭЦП-анализ нанокомпозита nHAP/GNR: (A) As-синтезированный nHAP и (B) nHAP/GNR. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 9: FTIR-анализ нанокомпозитов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 10: Рентгеноструктурный (XRD) анализ nHAP. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 11: Термогравиметрический анализ нанокомпозитов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Хотя различные металлы, полимеры, керамика и их комбинации были исследованы в качестве ортопедических имплантатов и фиксирующих аксессуаров, HAP считается одним из наиболее предпочтительных материалов из-за его химического сходства с самой костью и, как следствие, высокой цитосовместимости 20,21,22. В этом исследовании ориентация HAP была разнообразной, что может оказать значительное влияние на его уникальные свойства, такие как стимулирование остеогенеза, остеоинтеграции и остеопроводимости. Кроме того, изменение ориентации HAP может повлиять на механические свойства нанокомпозитов, чтобы еще больше имитировать свойства естественной кости, поскольку длинные кости в организме обладают анизотропным выравниванием HA с коллагеном, в то время как кубоидальные кости обладают случайным расположением HA с коллагеном. Следует отметить, что, хотя природный HAP является основным компонентом зубов и костей человека, его физические свойства в значительной степени зависят от условий реакции, таких как время реакции, рН, концентрация фосфатов и химическая природа фазы CaP23. Следовательно, в этом исследовании был использован влажный химический метод синтеза nHAP при рН 10 при ультразвуковом облучении (UI). Barbosa et al. (2013) также сообщили, что UI в сочетании с водным осаждением без прокаливания является простым, быстрым и эффективным методом, который генерирует nHAP с высокой кристалличностью и специфичностью18.
Важно отметить, что искусственно изготовленные биоматериалы, связанные с HAP, часто проявляют плохие механические свойства, которые включают внутреннюю хрупкость, низкую ударную вязкость и износ22. Следовательно, nHAP усилен здесь ГНР для облегчения: (i) функционализации поверхности, связанной с наночастицами, (ii) электростатических взаимодействий на границе раздела в комплексе и (iii) переноса напряжений на нанополнителям из матрицы каркасов 24,25,26. Последовавший здесь влажный химический синтез привел к нетронутому nHAP преимущественно в мелких ацикулярных частицах, агломерированных в более крупные частицы (~ 40 нм). Этот результат вполне согласуется с докладом Barbosa et al. (2013), где было высказано предположение, что UI играет решающую роль в индуцировании зарождения, образуя пузырьковые стенки в непосредственной близости, называемые «горячими точками»18,27.
Интересно отметить, что уменьшение размера частиц как хозяина, так и гостевых частиц может повысить текучесть только до определенного предела. После этого дальнейшее уменьшение размера частицы-хозяина может привести к агломерации, которая отрицательно влияет на текучесть28. Помимо индуцирования первичного зарождения в практически без частиц растворе, пользовательский интерфейс предотвращает высокие уровни перенасыщения. Кроме того, Опосредованное пользовательским интерфейсом сокращение времени, прошедшего между установлением супернасыщения и началом нуклеации и кристаллизации, может быть ключевым в эволюции формы nHAP и модели функционализации на ГНР. Структура nHAP/GNR может быть объяснена кумулятивным эффектом температуры реакции, давления, связанного с коллапсом пузыря, и ударных волн в дополнение к высокоэнергетическому перемешиванию, создаваемому в пространственно концентрированных областях. Аналогичным образом, структура GNR/nHAP, синтезированная одновременным добавлением нетронутых GNR и nHAP в присутствии пользовательского интерфейса, может быть отнесена к последующим быстрым локальным скоростям охлаждения, усиливающим перенасыщение. Локализованное приращение давления может также снизить температуру кристаллизации, в то время как барьер, создаваемый энергией активации, может быть значительно преодолен передачей энергии за счет кавитации при функционализации поверхности GNRs 18,27.
В одном отчете показано, что чрезмерное применение пользовательского интерфейса (~30-120 мин) во время синтеза уменьшает кристалличность и/или размер кристаллов nHAP29. Это может дополнительно определить ориентацию функционализации, наблюдаемую в нашем исследовании. Даже в этом исследовании результаты показали, что UI в течение относительно длительного времени воздействия (30 мин) во время синтеза nHAP приводил к осаждению nHAP на GNR. С другой стороны, UI в течение 30 мин с предварительно сформированными nHAP и GNR приводил к осаждению GNR на сферические nHAP. Следовательно, этот метод идеально подходит для крупномасштабного производства nHAP для получения композитов, включенных в GNR, для изготовления строительныхлесов 30,31. Такие новые реверс-ориентированные композиты с превосходными механическими свойствами могут иметь важное значение для инженерии костной ткани. В частности, Fan et al. (2014) сообщили, что введение графена может значительно улучшить твердость и модуль Янга nHAP, которые, в свою очередь, демонстрируют более высокую остеоинтеграцию с окружающей костью (то есть превосходную биосовместимость) по сравнению с нетронутым графеном и nHAP, по отдельности32. Таким образом, нанокомпозиты, состоящие из GNR и nHAP с превосходными механическими свойствами и биосовместимостью, могут быть перспективными биоматериалами для многочисленных ортопедических применений 33,34,35.
Однако основная проблема в изготовлении наногибрид с противоположными ориентациями заключается в том, что параметры реакции должны строго соблюдаться для получения желаемой ориентации нанокомпозитов36,37. Более того, в стратегии кофункционализации на ГНП было нанесено меньшее количество игольчатого nHAP, что может снизить их потенциал для регенерации костной ткани и механической прочности. Формы nHAP в обоих методах различны, что может значительно влиять на количество остеогенеза и, следовательно, вызывать различные свойства, относящиеся к биомедицинским применениям.
В заключение, здесь мы синтезировали нанокомпозиты, состоящие из GNR и nHAP с контрастными пространственными структурами, которые могут иметь потенциальное применение в ортопедии. Результаты показали, что морфология и время функционализации nHAP (т.е. происходит ли функционализация после синтеза или одновременно с синтезом nHAP) определяли ориентацию nHAP и GNR в нанокомпозитах. Кофункционализация во время синтеза приводила к nHAP/GNR, в то время как функционализация с предварительно сформированным nHAP приводила к GNRs/nHAP. Эти нанокомпозиты могут быть применимы для разработки каркасов для стимулирования остеогенеза и, таким образом, имеют значительные перспективы в регенеративной наномедицине, что оправдывает их дальнейшее исследование.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
У авторов нет конфликта интересов.
Acknowledgments
Д-р Сугата Гош выражает признательность Департаменту науки и техники (DST), Министерству науки и технологий, правительству Индии и Центру перспективных научных исследований имени Джавахарлала Неру, Индия, за финансирование в рамках постдокторской зарубежной стипендии в области нанонауки и техники (Ref. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 от 19 августа 2019 года). Д-р Сугата Гош благодарит Университет Касецарт, Бангкок, Таиланд, за постдокторскую стипендию и финансирование в рамках программы «Переосмысление университета» (No 6501.0207/10870 от 9 ноября 2021 года). Авторы хотели бы поблагодарить Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) за помощь в экспериментах по определению характеристик. KANCF является общим междисциплинарным научно-исследовательским и образовательным учреждением в рамках Научно-исследовательского института Костаса (KRI) в Северо-Восточном университете.
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).
