Summary
Nieuwe nanocomposieten van grafeen nanoribbons en hydroxyapatiet nanodeeltjes werden bereid met behulp van oplossingsfase synthese. Deze hybriden kunnen, wanneer ze worden gebruikt in bioactieve steigers, potentiële toepassingen vertonen in tissue engineering en botregeneratie.
Abstract
Het ontwikkelen van nieuwe materialen voor botweefseltechnologie is een van de belangrijkste stuwkrachtgebieden van nanogeneeskunde. Verschillende nanocomposieten zijn vervaardigd met hydroxyapatiet om celtrouw, proliferatie en osteogenese te vergemakkelijken. In deze studie werden hybride nanocomposieten met succes ontwikkeld met behulp van grafeen nanoribbons (GNR's) en nanodeeltjes van hydroxyapatiet (nHAPs), die bij gebruik in bioactieve steigers mogelijk de regeneratie van botweefsel kunnen verbeteren. Deze nanostructuren kunnen biocompatibel zijn. Hier werden twee benaderingen gebruikt voor het voorbereiden van de nieuwe materialen. In één benadering werd een co-functionalisatiestrategie gebruikt waarbij nHAP tegelijkertijd werd gesynthetiseerd en geconjugeerd tot GNR's, wat resulteerde in nanohybriden van nHAP op GNR-oppervlakken (aangeduid als nHAP / GNR). Hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HRTEM) bevestigde dat de nHAP/GNR-composiet bestaat uit slanke, dunne structuren van GNR's (maximale lengte van 1,8 μm) met discrete patches (150-250 nm) naaldachtige nHAP (40-50 nm lang). In de andere benadering werd commercieel verkrijgbare nHAP geconjugeerd met GNR's die GNR-gecoat nHAP vormden (aangeduid als GNR / nHAP) (d.w.z. met een tegenovergestelde oriëntatie ten opzichte van het nHAP / GNR-nanohybride). Het nanohybride gevormd met behulp van de laatste methode vertoonde nHAP-nanosferen met een diameter variërend van 50 nm tot 70 nm bedekt met een netwerk van GNR's op het oppervlak. Energiedispersieve spectra, elementaire mapping en Fourier transform infrared (FTIR) spectra bevestigden de succesvolle integratie van nHAP en GNR's in beide nanohybriden. Thermogravimetrische analyse (TGA) gaf aan dat het verlies bij verhoogde verwarmingstemperaturen als gevolg van de aanwezigheid van GNR's respectievelijk 0,5% en 0,98% was voor GNR/nHAP en nHAP/GNR. De nHAP-GNR nanohybriden met tegengestelde oriëntaties vertegenwoordigen belangrijke materialen voor gebruik in bioactieve steigers om mogelijk cellulaire functies te bevorderen voor het verbeteren van botweefseltechnologietoepassingen.
Introduction
Grafeen heeft plaatachtige tweedimensionale structuren die zijn samengesteld uit sp-gehybridiseerde koolstof. Verschillende andere allotropen kunnen worden toegeschreven aan het uitgebreide honingraatnetwerk van grafeen (bijvoorbeeld het stapelen van grafeenvellen vormt 3D-grafiet terwijl het afrollen van hetzelfde materiaal resulteert in de vorming van 1D-nanobuisjes1). Evenzo worden 0D-fullerenen gevormd als gevolg van hetinpakken van 2. Grafeen heeft aantrekkelijke fysisch-chemische en opto-elektronische eigenschappen, waaronder een ambipolair veldeffect en een quantum Hall-effect bij kamertemperatuur 3,4. Detectie van adsorptiegebeurtenissen met één molecuul en extreem hoge dragermobiliteit dragen bij aan de aantrekkelijke eigenschappen van grafeen 5,6. Verder worden grafeen nanoribbons (GNR's) met smalle breedtes en een groot gemiddeld vrij pad, lage weerstand met een hoge stroomdichtheid en hoge elektronenmobiliteit beschouwd als veelbelovende onderling verbonden materialen7. Vandaar dat GNR's worden onderzocht voor toepassingen in een groot aantal apparaten, en meer recent in nanogeneeskunde, met name tissue engineering en medicijnafgifte8.
Onder de verschillende traumatische aandoeningen worden botletsels beschouwd als een van de meest uitdagende vanwege problemen bij het stabiliseren van de fractuur, regeneratie en vervanging door nieuw bot, weerstand bieden aan infectie en bot niet-unies opnieuw uitlijnen 9,10. Chirurgische ingrepen blijven het enige alternatief voor femurschachtfracturen. Opgemerkt moet worden dat bijna $ 52 miljoen elk jaar wordt besteed aan de behandeling van botletsels in Midden-Amerika en Europa11.
Bioactieve steigers voor botweefseltechnologietoepassingen kunnen effectiever zijn door nano-hydroxyapatiet (nHAP) op te nemen, omdat ze lijken op de micro- en nano-architecturale eigenschappen van het bot zelf12. HAP, chemisch weergegeven als Ca10(PO4)6(OH)2 met een Ca/P molaire verhouding van 1,67, heeft de meeste voorkeur voor biomedische toepassingen, met name voor de behandeling van parodontale defecten, de vervanging van harde weefsels en het vervaardigen van implantaten voor orthopedische operaties13,14. De fabricage van op nHAP gebaseerde biomaterialen versterkt met GNR's kan dus superieure biocompatibiliteit bezitten en kan voordelig zijn vanwege hun vermogen om osseo-integratie te bevorderen en osteogeleidend te zijn 15,16. Dergelijke hybride composietsteigers kunnen biologische eigenschappen behouden, zoals celaanhanging, verspreiding, proliferatie en differentiatie17. Hierin rapporteren we de fabricage van twee nieuwe nanocomposieten voor botweefseltechnologie door de ruimtelijke rangschikking van nHAP en GNR's rationeel te wijzigen, zoals geïllustreerd in figuur 1. De chemische en structurele eigenschappen van de twee verschillende nHAP-GNR-regelingen werden hier geëvalueerd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Synthese van nHAP door neerslag
- Synthetiseer de ongerepte nHAP met behulp van 50 ml van het reactiemengsel dat 1 M Ca(NO3)2∙4H2O en 0,67 M (NH4)H2PO4 bevat, gevolgd door de druppelsgewijze toevoeging van NH4OH (25%) om een pH rond 1018 te behouden.
- Roer daarna het reactiemengsel door ultrasone bestraling (UI) gedurende 30 minuten (500 W vermogen en 20 kHz ultrasone frequentie).
- Laat de resulterende oplossing 120 uur rijpen bij kamertemperatuur totdat het witte neerslag van nHAP is neergedaald. Herstel de nHAP door centrifugatie bij 1398 x g gedurende 5 minuten bij kamertemperatuur.
- Was het neerslag 3x met gedeïoniseerd (DI) water en lyofiel gedurende 48 uur. Bewaar het droge poeder bij 4 °C.
2. Bereiding van nHAP/GNR nanocomposieten
OPMERKING: Hieronder worden twee benaderingen beschreven voor het fabriceren van nHAP/GNR (d.w.z. nHAP op GNR-oppervlakken) en GNR/nHAP (GNR-gecoate nHAP) nanocomposieten die twee verschillende ruimtelijke arrangementen van nHAP en GNR's vertegenwoordigen (figuur 1).
- Synthese van nHAP/GNR
- Om het nHAP/GNRs nanocomposiet voor te bereiden, gebruikt u een co-functionalisatiestrategie waarbij nHAP tegelijkertijd kan worden gesynthetiseerd en geconjugeerd tot GNR's, als volgt.
- Los 5 mg GNR's (Materiaaltabel) op in een mengsel van 1 M calciumnitraattetrahydraat [Ca(NO3)2·4H2O] en 0,67 M diammoniumwaterstoffosfaat [(NH4)2HPO4] tot een eindvolume van 50 ml19.
- Voeg tijdens deze reactie druppelsgewijs 25% van NH4OH toe om de pH op ~10 te houden. Roer het resulterende mengsel door UI gedurende 30 minuten.
- Laat na voltooiing van de reactie de oplossing 120 uur ongestoord op kamertemperatuur tot rijping.
- Observeer de vorming van een gelatineus neerslag van nHAP dat de GNR's bedekt, waarna een wit neerslag van nHAP / GNR's bezinkt.
- Was het neerslag 3x door centrifugatie bij 1398 x g gedurende 5 minuten bij kamertemperatuur, gevolgd door herdispersie in DI-water.
- Lyofiliseer het teruggewonnen gewassen neerslag gedurende 48 uur. Bewaar het droge poeder bij 4 °C.
- Gebruik ongerepte nHAP en GNR's als controlemonsters.
- Synthese van GNR/nHAP nanocomposiet
- Suspensie in de handel verkrijgbare nHAP in een concentratie van 5 mg /ml in 50 ml DI-water aangevuld met 5 mg GNR's.
- Roer het resulterende mengsel gedurende 30 minuten met UI en laat het mengsel daarna 120 uur ongestoord op kamertemperatuur.
- Herstel na rijping het witte neerslag van het resulterende GNR/nHAP door centrifugatie bij 1398 x g gedurende 5 minuten bij kamertemperatuur.
- Was het monster 3x met DI-water, lyofiel het gedurende 48 uur en bewaar het droge poeder bij 4 °C voor verder gebruik.
3. Karakterisering van nHAP, nHAP/GNR en GNR/nHAP
- Gebruik een hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscoop (HRTEM) (zie Tabel van materialen) om de morfologie en grootte van de nanocomposieten te karakteriseren11.
- Analyseer de elementaire samenstelling van de nanocomposieten met behulp van energiedispersieve spectroscopie (EDS) en voer elementaire mapping uit met behulp van de scanning transmission electron microscope (STEM)11.
- Voer Fouriertransformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) uit voor de nette monsters op golfnummers van 500-4000 cm−1 om de chemische groepen in het nanocomposiet16 te analyseren.
- Voer poeder X-ray diffractie (XRD) analyse uit van de as-gesynthetiseerde nHAP met behulp van een röntgengolflengte van 1.5406 Å, stroom- en spanningsinstellingen van respectievelijk 40 mA en 40 kV, en 2θ variërend van 20 ° tot 90 °.
- Evalueer de procentuele belasting van GNR in het nanocomposiet met behulp van thermogravimetrische analyse (TGA) door de monsters te verwarmen van kamertemperatuur tot 1000 °C met een snelheid van 10 °C/min onder stikstofstroom.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
HRTEM analyse
Individueel waren GNR's slanke bamboe-achtige structuren met enkele bochten op enige afstand, zoals waargenomen in figuur 2. De langste GNR was 1.841 μm terwijl de kleinste gebogen GNR 497 nm was. De nanoribbons vertoonden vaak een zichtbare variatie in breedte die kan worden toegeschreven aan het draaien om op veel plaatsen spiraalvormige configuraties te vormen. Een dergelijke unidirectionele uitlijning van GNR's kan bijdragen tot het verkrijgen van aantrekkelijke eigenschappen zoals magnetische eigenschappen, geleidbaarheid of warmtetransport7.
De nHAPs gesynthetiseerd met calciumnitraattetrahydraat en diammoniumwaterstoffosfaat bij kamertemperatuur (stap 1) waren staafvormig of naaldachtig met een grootte variërend van 40 nm tot 50 nm (figuur 3). De as-gesynthetiseerde nanomaterialen werden gevonden in klonten als gevolg van aggregatie en kristallijne groei. Anderzijds waren de in de handel verkrijgbare nHAPs die werden gebruikt bolvormig (figuur 4); deze nanosferen hadden een diameter van 50-70 nm en waren aanwezig in discrete clusters van 15-20 bollen.
nHAP werd in situ gedeponeerd op de GNR's (weergegeven als nHAP/GNR) in de co-functionaliseringsstrategie (stap 2.1). De resulterende nanocomposieten van GNR's en nHAP bestonden uit zeer poreuze onderling verbonden nanostructuren. Het overwicht van naaldachtige nHAPs die het GNR-oppervlak in patches bedekken (figuur 5) wordt toegeschreven aan de GNR's die dienen als een nano-featured scaffold voor nHAP-nucleatie. De nHAP-patches bleken tussen 150 nm en 250 nm in lengte en breedte te zijn (figuur 5A,B). Elementaire mapping bevestigde dat de intermediaire nodale patches op de GNR's inderdaad nHAP waren vanwege de aanwezigheid van elementair calcium en fosfor (figuur 5C).
In de andere methode (stap 2.2) werd voorgevormd nHAP geconjugeerd aan de GNR's, wat leidde tot de vorming van GNR-gecoat nHAP (weergegeven als GNR /nHAP, d.w.z. met een omgekeerde oriëntatie in vergelijking met nHAP / GNR-composiet). In dit geval vormden de GNR's dunne films op het oppervlak van de bolvormige nHAP-nanodeeltjes (figuur 6).
Interessant is dat de bochten en convoluties die aan de rand van de GNR's worden opgemerkt, zoals duidelijk in figuur 2A , meestal worden toegeschreven aan lage stabiliteitseigenschappen die de mechanische interactie en bevestiging met de nHAP aanzienlijk kunnen hebben verbeterd, zoals te zien in figuur 5 en figuur 6. Bovendien helpt het grote oppervlak van de ongerepte GNR's ook bij meer nHAP-belasting. Ook resulteerde de veroudering van de composietoplossingen gedurende 120 uur in de volledige omzetting van het apatiet in zeer kristallijn hydroxyapatiet (figuur 3 en figuur 5). De op zuurstof gebaseerde functionele groepen van het GNR-oppervlak werken elektrostatisch samen met Ca2+, die dienen als de receptorplaats. Apatiet nanostructuren kunnen verder worden verkregen door de in situ reactie tussen deze verankerde kationen en de fosfaationen (stap 2.1). De oriëntatie van de microgestructureerde nHAP op het GNR-oppervlak wordt geregeld door verschillende factoren, waaronder de hoeveelheid en het type zuurstofgroepen op de op grafeen gebaseerde sjablonen, de relatieve concentratie van de precursoren (Ca2+ en HPO42-), de pH van het reactiemengsel en de rijpingstijd. Het cumulatieve effect van de reactiecondities resulteerde in het wikkelen van de transparante GNR's op het oppervlak van de nHAP-nanosferen, mogelijk als gevolg van niet-covalente fysische adsorptie.
Analyse van energiedispersieve spectra (EDS)
Om de belangrijkste componenten en de elementaire samenstelling van de nanocomposieten te bevestigen, werd een energiedispersieve spectrale analyse uitgevoerd. In figuur 7A toonden de EDS-spectra van ongerepte GNR's een koolstofpiek die overeenkomt met de GNR's, terwijl er geen andere pieken werden waargenomen, behalve het koper dat werd toegeschreven aan het raster dat werd gebruikt voor het monteren van monsters tijdens HRTEM-analyse. Figuur 7B toont het EDS-spectrum van in de handel verkrijgbare voorgevormde nHAP-nanosferen waar de koolstof- en koperpieken worden toegeschreven aan de met koolstof gecoate koperen roosters die worden gebruikt voor het monteren van de monsters tijdens HRTEM-analyse. In figuur 7C werd een duidelijke toename van het koolstofgehalte toegeschreven aan de GNR's, terwijl de andere pieken die specifiek zijn voor calcium en fosfor te wijten waren aan nHAP in de GNR / nHAP-nanocomposieten. Figuur 8 toont de EDS-spectra van de as-gesynthetiseerde nHAP (stap 1) (figuur 8A) en nHAP/GNR-composiet (figuur 8B). De duidelijke toename van het koolstofgehalte in het nHAP/GNR-spectrum is te wijten aan de meerderheid van de GNR's waarop slechts kleine stukjes vers gesynthetiseerd nHAP werden waargenomen.
FTIR-analyse
Conjugatie van nHAP met de GNR's werd bevestigd door FTIR-spectra. Figuur 9 toont de FTIR-spectra van nHAP, GNR, nHAP/GNR en GNR/nHAP. De OH uit het vlak buigen piek op 600 cm-1 wordt gezien in de FTIR van GNR12. De piek bij 1030 cm-1, toegeschreven aan P-O-stretching, werd waargenomen in nHAP, wat de chemische samenstelling bevestigt15. Met name de karakteristieke P-O-rekpiek van nHAP werd ook gevonden in nHAP / GNR en GNR / nHAP, wat wijst op de aanwezigheid van nHAP in beide composieten. De andere twee pieken, 1413 en 1447 cm-1 die alleen in de composieten worden aangetroffen, worden toegeschreven aan respectievelijk δCH2-trillingen en carbonaatgroep (CO32−), die de conjugatie van GNR en nHAP16 bevestigen.
X-ray diffractie (XRD) analyse
Het XRD-patroon van de HAP (stap 2.1) is weergegeven in figuur 10. De sterke pieken duidden op een goede kristalliniteit van het materiaal. De piekposities kwamen goed overeen met die in de ICDD-standaardgegevens (PDF2-kaart: 00-009-0432). Dit bevestigde verder de zeshoekige kristalstructuur (P63/m ruimtegroep) van de nHAP, met roosterparameters waarden van a = b = 0,940 nm en c = 0,615 nm. Enkele van de opvallende, sterke pieken bij 2θ-waarden van 25,8°, 28,2°, 31,8°, 32,9°, 34,1°, 39,7°, 43,9°, 46,6° en 49,4° overeenkomend met respectievelijk (002), (102), (211), (300), (202), (310), (113), (222) en (213) vlakken bevestigden de zuiverheid van de gesynthetiseerde nHAP 16,20,21.
Thermogravimetrische analyse (TGA)
Thermogravimetrische analyse (TGA) werd gebruikt om het belastingspercentage in de conjugaten te schatten (figuur 11). Drie prominente massaverliezen waren duidelijk tijdens de TGA-analyse. Het aanvankelijke massaverlies bij temperaturen tot 100 °C is te wijten aan het ingesloten fysieke water. Het tweede verlies tussen 100 °C en 200 °C is te wijten aan de afbraak van de GNR in koolstofroet. De gestage afname van de massa daarna tot 500 °C was te wijten aan de kristallisatie van nHAP. Verdere verhitting leidde tot de ontbinding van de complexen. Het verlies als gevolg van de aanwezigheid van GNR's bleek tussen 0,5% en 0,98% te liggen in respectievelijk GNR/nHAP en nHAP/GNR. Het is dus in goede overeenstemming met onze eerdere analyse waar HAP werd gevonden als de belangrijkste component en de GNR's oppervlaktegericht waren binnen de GNR / nHAP. Aan de andere kant waren de GNR's overvloedig aanwezig in nHAP /GNR, waarbij de nHAP discrete patches vormde op de lange stukken GNR's.
Figuur 1: Schematische representatie voor het synthetiseren van omgekeerd georiënteerde grafeen nanoribbon-hydroxyapatiet hybride composieten: (A) nHAP/GNR en (B) GNR/nHAP. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Structurele analyse van GNR's: (A) HRTEM-analyse van kale GNR's; (B) Scanning transmission electron mode (STEM) beelden van GNR's; en (C) Elementaire mapping van de GNR's, waarbij rode, groene, gele en blauwe kleuren respectievelijk koolstof, zuurstof, fosfor en calcium aanduiden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Structurele analyse van as-gesynthetiseerde nHAP: (A) HRTEM-analyse van nHAP; (B) Scanning transmission electron mode (STEM) beelden van nHAP met de inzetschaalbalk die 100 nm vertegenwoordigt; en (C) Elementaire mapping van de nHAP waarbij rode, groene, gele en blauwe kleuren respectievelijk koolstof, zuurstof, fosfor en calcium aanduiden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Structurele analyse van de commercieel beschikbare voorgevormde nHAP: (A) HRTEM-analyse van nHAP; (B) Scanning transmission electron mode (STEM) beelden van nHAP; en (C) Elementaire mapping van de nHAP waarbij rode, groene, gele en blauwe kleuren respectievelijk koolstof, zuurstof, fosfor en calcium aanduiden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Structurele analyse van nHAP/GNR gesynthetiseerd door de co-functionalisatiestrategie: (A) HRTEM-analyse van nHAP/GNR; (B) Scanning transmission electron mode (STEM) beelden van nHAP/GNR; en (C) Elementaire mapping van de nHAP/GNR waarbij rode, groene, gele en blauwe kleuren respectievelijk koolstof, zuurstof, fosfor en calcium aanduiden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Structurele analyse van GNR/nHAP: (A) HRTEM-analyse van GNR/nHAP; (B) Scanning transmission electron mode (STEM) beelden van GNR/nHAP met inzetschaal bar die 50 nm vertegenwoordigt; en (C) Elementaire mapping van de GNR/nHAP waarbij rode, groene, gele en blauwe kleuren respectievelijk koolstof, zuurstof, fosfor en calcium aanduiden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: EDS-analyse van het GNR/nHAP-nanocomposiet: (A) GNR's, (B) in de handel verkrijgbare voorgevormde nHAP en (C) GNR/nHAP-nanocomposiet. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: EDS-analyse van het nHAP/GNR-nanocomposiet: (A) As-gesynthetiseerd nHAP en (B) nHAP/GNR. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: FTIR-analyse van de nanocomposieten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 10: Röntgendiffractie (XRD) analyse van nHAP. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 11: Thermogravimetrische analyse van de nanocomposieten. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Hoewel verschillende metalen, polymeren, keramiek en hun combinaties zijn onderzocht als orthopedische implantaten en fixatieaccessoires, wordt HAP beschouwd als een van de meest geprefereerde materialen vanwege de chemische gelijkenis met het bot zelf en de daaruit voortvloeiende hoge cytocompatibiliteit 20,21,22. In deze studie was de oriëntatie van HAP gevarieerd, wat een aanzienlijke impact kan hebben op de unieke eigenschappen ervan, zoals bevordering van osteogenese, osseo-integratie en osteogeleiding. Bovendien kan het veranderen van de oriëntatie van HAP de mechanische eigenschappen van de nanocomposieten beïnvloeden om die van natuurlijk bot verder na te bootsen, omdat lange botten in het lichaam een anisotrope uitlijning van HA met collageen bezitten, terwijl kuboïdale botten een willekeurige rangschikking van HA met collageen bezitten. Opgemerkt moet worden dat hoewel natuurlijke HAP het hoofdbestanddeel is van menselijke tanden en botten, de fysische eigenschappen ervan grotendeels afhankelijk zijn van reactieomstandigheden zoals de reactietijd, pH, fosfaatconcentratie en chemische aard van de CaP-fase23. Daarom werd in deze studie een natte chemische methode gebruikt om nHAP te synthetiseren bij een pH van 10 onder ultrasone bestraling (UI). Barbosa et al. (2013) meldden ook dat UI in combinatie met waterige neerslag zonder calcinatie een eenvoudige, snelle en efficiënte methode is die nHAP genereert met een hoge kristalliniteit en specificiteit18.
Het is belangrijk op te merken dat kunstmatig gefabriceerde HAP-geassocieerde biomaterialen vaak slechte mechanische eigenschappen vertonen, waaronder intrinsieke brosheid, lage breukhardheid en slijtage22. Daarom wordt nHAP hier versterkt met GNR's om te vergemakkelijken: (i) oppervlaktefunctionalisatie geassocieerd met de nanodeeltjes, (ii) elektrostatische interacties op het grensvlak in het complex, en (iii) overdracht van spanning naar de nanovullers uit de matrix van de steigers 24,25,26. De natte chemische synthese die hier volgde, resulteerde in ongerepte nHAP, voornamelijk in kleine aciculare deeltjes geagglomereerd tot grotere deeltjes (~ 40 nm). Dit resultaat is goed in overeenstemming met het rapport van Barbosa et al. (2013), waar werd gespeculeerd dat UI een cruciale rol speelde bij het induceren van nucleatie door bubbelwanden in de nabijheid te vormen, aangeduid als "hot-spots"18,27.
Het is interessant om op te merken dat een afname van de deeltjesgrootte van zowel de gastheer als gastdeeltjes de stroombaarheid slechts tot een bepaalde limiet kan verbeteren. Daarna kan verdere vermindering van de afmeting van het gastheerdeeltje leiden tot agglomeratie die de vloeibaarheid negatief beïnvloedt28. Afgezien van het induceren van primaire nucleatie in een vrijwel deeltjesvrije oplossing, voorkomt UI hoge oververzadigingsniveaus. Verder kan UI-gemedieerde vermindering van de verstreken tijd tussen het vaststellen van oververzadiging en het begin van nucleatie en kristallisatie de sleutel zijn in de vormevolutie van nHAP en het patroon van functionalisatie op de GNR's. De nHAP/GNR-structuur kan worden toegeschreven aan het cumulatieve effect van de reactietemperatuur, druk geassocieerd als gevolg van het instorten van de bel en schokgolven naast zeer energetische agitatie gecreëerd in ruimtelijk geconcentreerde gebieden. Evenzo kan de GNR / nHAP-structuur die wordt gesynthetiseerd door de gelijktijdige toevoeging van ongerepte GNR's en nHAP in aanwezigheid van UI worden toegeschreven aan de daaropvolgende snelle lokale koelsnelheden die de oververzadiging verbeteren. Een gelokaliseerde drukverhoging kan ook de temperatuur van kristallisatie verlagen, terwijl de barrière die wordt gecreëerd door activeringsenergie aanzienlijk kan worden overwonnen door de overdracht van energie als gevolg van cavitatie tijdens oppervlaktefunctionalisatie van de GNRs18,27.
Een rapport toont aan dat de overmatige toepassing van UI (~ 30-120 min) tijdens synthese de kristalliniteit en / of de grootte van de nHAP-kristallen vermindert29. Dit kan verder bepalend zijn voor de oriëntatie van de functionalisatie zoals waargenomen in onze studie. Zelfs in deze studie toonden de resultaten aan dat UI gedurende een relatief lange blootstellingstijd (30 min) tijdens de synthese van nHAP leidde tot nHAP-depositie op GNR's. Aan de andere kant leidde ui gedurende 30 minuten met voorgevormde nHAP en GNR's tot de afzetting van GNR's op de bolvormige nHAPs. Daarom is deze methode ideaal voor de grootschalige productie van nHAP om GNR-composieten te verkrijgen voor steigerfabricage30,31. Dergelijke nieuwe omgekeerd georiënteerde composieten met superieure mechanische eigenschappen kunnen belangrijk zijn voor botweefseltechnologie. In het bijzonder meldden Fan et al. (2014) dat het introduceren van grafeen de hardheid en Young's modulus van nHAP aanzienlijk kan verbeteren, die op hun beurt een hogere osseo-integratie vertonen met het omliggende bot (d.w.z. superieure biocompatibiliteit), vergeleken met ongerept grafeen en nHAP, individueel32. Nanocomposieten bestaande uit GNR's en nHAP met superieure mechanische eigenschappen en biocompatibiliteit kunnen dus veelbelovende biomaterialen zijn voor tal van orthopedische toepassingen 33,34,35.
De grootste uitdaging bij de fabricage van nanohybriden met tegengestelde oriëntaties is echter dat de reactieparameters strikt moeten worden gevolgd om de gewenste oriëntatie van nanocomposieten36,37 te verkrijgen. Bovendien werden in de co-functionalisatiestrategie minder hoeveelheden van de naaldvormige nHAP op de GNR's afgezet, wat hun potentieel voor botweefselregeneratie en mechanische sterkte kan verminderen. De vormen van de nHAP in beide methoden zijn verschillend, wat de hoeveelheid osteogenese aanzienlijk kan beïnvloeden en dus verschillende eigenschappen kan veroorzaken die relevant zijn voor biomedische toepassingen.
Kortom, hier hebben we nanocomposieten gesynthetiseerd die bestaan uit GNR's en nHAP met contrasterende ruimtelijke arrangementen die potentiële toepassingen in de orthopedie kunnen hebben. De resultaten toonden aan dat nHAP-morfologie en functionalisatietijd (d.w.z. of functionalisatie plaatsvindt na synthese of tegelijkertijd met nHAP-synthese) de oriëntatie van nHAP en GNR's in de nanocomposieten bepaalden. Co-functionalisatie tijdens synthese resulteerde in nHAP/GNR's, terwijl functionalisatie met voorgevormde nHAP resulteerde in GNR's/nHAP. Deze nanocomposieten kunnen van toepassing zijn om steigers te ontwikkelen om osteogenese te bevorderen en hebben dus een aanzienlijke belofte in regeneratieve nanogeneeskunde die hun verdere onderzoek rechtvaardigt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben geen belangenconflicten.
Acknowledgments
Dr. Sougata Ghosh erkent het Department of Science and Technology (DST), het Ministerie van Wetenschap en Technologie, de Regering van India en het Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research, India voor financiering onder de Post-Doctoral Overseas Fellowship in Nano Science and Technology (Ref. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 van 19 augustus 2019). Dr. Sougata Ghosh erkent Kasetsart University, Bangkok, Thailand voor een postdoctorale beurs en financiering in het kader van het Reinventing University Program (Ref. Nr. 6501.0207/10870 van 9 november 2021). De auteurs willen de Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) bedanken voor hulp bij de karakteriseringsexperimenten. KANCF is een gedeelde multidisciplinaire onderzoeks- en onderwijsfaciliteit binnen het Kostas Research Institute (KRI) aan de 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
- 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).
