Method Article

石墨烯-羟基磷灰石纳米复合材料的合成在骨组织工程中的潜在应用

DOI:

10.3791/63985

⸱

July 27th, 2022

 ,  ,  ,  , 
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

In This Article

Summary

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采用溶液相合成制备了石墨烯纳米带和羟基磷灰石纳米颗粒的新型纳米复合材料.当这些杂交种用于生物活性支架时，可以在组织工程和骨再生中表现出潜在的应用。

Abstract

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开发用于骨组织工程的新型材料是纳米医学最重要的推动领域之一。已经用羟基磷灰石制造了几种纳米复合材料，以促进细胞粘附，增殖和成骨。在这项研究中，使用石墨烯纳米带（GNRs）和羟基磷灰石纳米颗粒（nHAPs）成功开发了杂化纳米复合材料，当用于生物活性支架时，可以潜在地改善骨组织再生。这些纳米结构可以是生物相容性的。在这里，使用了两种方法来制备新材料。在一种方法中，使用了一种共功能化策略，其中nHAP被合成并同时与GNR共轭，从而在GNR表面上产生nHAP的纳米杂化（表示为nHAP / GNR）。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）证实，nHAP/GNR复合材料由细长薄的GNRs结构（最大长度为1.8μm）和针状nHAP（长度为40-50nm）的离散斑块（150-250 nm）组成。在另一种方法中，市售的nHAP与GNRs共轭，形成GNR涂层的nHAP（表示为GNR / nHAP）（即相对于nHAP / GNR纳米杂缰相反的方向）。采用后一种方法形成的纳米杂化物表现出直径范围为50 nm至70 nm的nHAP纳米球，表面覆盖着GNRs网络。能量色散光谱、元素映射和傅里叶变换红外（FTIR）光谱证实了nHAP和GNR在两种纳米杂联中的成功整合。热重分析（TGA）表明，GNR/nHAP和gnH/GNR在加热温度升高时的损耗分别为0.5%和0.98%。具有相反方向的nHAP-GNR纳米杂交代表了用于生物活性支架的重要材料，可以潜在地促进细胞功能以改善骨组织工程应用。

Introduction

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石墨烯具有由sp杂交碳组成的片状二维结构。其他几种同素异形体可归因于石墨烯的扩展蜂窝网络（例如，石墨烯片的堆叠形成3D石墨，而从相同的材料上滚落导致1D纳米管1的形成）。同样，0D富勒烯是由于包裹2而形成的。石墨烯具有有吸引力的物理化学和光电特性，包括室温3，4下的双极场效应和量子霍尔效应。检测单分子吸附事件和极高的载流子迁移率增加了石墨烯5，6的吸引力。此外，石墨烯纳米带（GNRs）具有窄宽度和大平均自由程，低电阻率和高电流密度和高电子迁移率被认为是有前途的互连材料7。因此，正在探索GNR在无数设备中的应用，最近在纳米医学中的应用，特别是组织工程和药物递送8。

在各种创伤性疾病中，骨损伤被认为是最具挑战性的疾病之一，因为在稳定骨折，再生和用新骨替换，抵抗感染以及重新对齐骨不结合方面存在困难9，10。外科手术仍然是股骨干骨折的唯一替代方案。....

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Protocol

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1. 沉淀合成nHAP

  1. 使用含有1 M Ca（NO3）2∙4H 2 O和0.67 M（NH 4）H2PO 4的反应混合物的50 mL反应混合物合成原始nHAP，然后滴加NH4OH（25%）以保持pH值约为1018。
  2. 此后，通过超声照射（UI）搅拌反应混合物30分钟（500 W功率和20 kHz超声频率）。
  3. 让所得溶液在室温下成熟120小时，直到nHAP的白色沉淀沉淀出来。通过在室温下以1398× g 离心5分钟来回收nHAP。
  4. 用去离子（DI）水洗涤沉淀3x并冻干48小时。将干粉储存在4°C。

2. nHAP/GNR纳米复合材料的制备

注意:下面描述了两种制造nHAP / GNR（即GNR表面上的nHAP）和GNR / nHAP（GNR涂层的nHAP）纳米复合材料的方法，它们代表了nHAP和GNRs的两种不同空间排列（图1）。

  1. nHAP/GNR的合成
    1. 为....

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Results

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断续器分析
单独来看，GNR是细长的竹状结构，在一定距离处有一些弯曲，如图 2所示。最长的GNR为1.841μm，而最小的弯曲GNR为497nm。纳米带通常显示出明显的宽度变化，这可能归因于在许多地方扭曲形成螺旋构型。这种GNRs的单向对准可能有助于获得有吸引力的特征，例如磁性、电导率或传热性7。

在室温下使用硝酸钙四水合物和磷酸氢二铵合成的nHAPs为杆状或针状，尺寸范围为40nm至50nm（图3）。所合成的纳米材料由于聚集和晶体生长而呈团块状。另一方面，市售nHAP是球形的（图4）;这些纳米球的直径为50-70nm，存在于15-20个球体的离散簇中。

在协同功能化策略中，nHAP 原位沉积在 GNR上（表示为nHAP /GNR）上（步骤2.1.......

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Discussion

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虽然已经研究了各种金属，聚合物，陶瓷及其组合作为骨科植入物和固定配件，但HAP被认为是最优选的材料之一，因为它与骨骼本身具有化学相似性，因此细胞相容性高20，21，22。本研究的HAP取向不同，对其独特性质有显著影响，如促骨生成、骨整合、骨导等。此外，改变HAP的取向可以影响纳米复合材料的力学性能，以进一步模仿天然骨骼的力学性质，因为体内的长骨具有HA与胶原蛋白的各向异性排列，而长方体骨具有HA与胶原蛋白的随机排列。应该注意的是，虽然天然HAP是人类牙齿和骨骼的主要成分，但其物理性质在很大程度上取决于反应条件，例如反应时间，pH值，磷酸盐浓度和CaP相23的化学性质。因此，在这项研究中，使用湿化学方法在超声照射（UI）下以10的pH值合成nHAP。Barbosa等人（2013）还报道，UI与水沉淀相结合而不煅烧是一种简单，快速和有效的方法，可产生具有高结晶度和特异性的nHAP

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Acknowledgements

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Sougata Ghosh博士感谢印度政府科学技术部科学和技术部（DST）和印度贾瓦哈拉尔·尼赫鲁高级科学研究中心在纳米科学技术博士后海外奖学金（参考JNC / AO / A.0610.1（4）2019年8月19日的2019-2260）下获得资助。Sougata Ghosh博士感谢泰国曼谷泰国农业大学获得博士后奖学金，并资助重塑大学计划（参考号:6501.0207/10870，日期为2021年11月9日）。作者要感谢Kostas高级纳米表征设施（KANCF）对表征实验的帮助。KANCF是东北大学科斯塔斯研究所（KRI）内的共享多学科研究和教育设施。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
磷酸二氢铵Sigma-Aldrich216003-100G合成
硝酸钙四水合物Sigma-Aldrich237124合成
离心机HettichEBA 200SRecovery
傅里叶变换红外光谱仪BruckerVertex 70表征
石墨烯纳米带Sigma-Aldrich922714合成
高分辨率透射电子显微镜Thermo Fisher ScientificThemis Titan 300表征
磁力搅拌器IKAC-MAG HS7 S68功能化
微量移液器TreffLab06H35687试剂制备
pH 计Eutech pH5+ECPH503PLUSK试剂制备
热重分析仪TA 仪器SDT Q600表征
超声浴BandelinDT100功能化
通用烘箱MemmertUF55功能化
称量天平PrecisaXB220A试剂制备
X 射线衍射仪布鲁克D8-高级表征

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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

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