Waiting
登录处理中...

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

Bioengineering

Synthèse de nanocomposites de graphène-hydroxyapatite pour une utilisation potentielle dans l’ingénierie des tissus osseux

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

De nouveaux nanocomposites de nanorubans de graphène et de nanoparticules d’hydroxyapatite ont été préparés par synthèse en phase solution. Ces hybrides, lorsqu’ils sont utilisés dans des échafaudages bioactifs, peuvent présenter des applications potentielles dans l’ingénierie tissulaire et la régénération osseuse.

Abstract

Le développement de nouveaux matériaux pour l’ingénierie des tissus osseux est l’un des domaines d’intérêt les plus importants de la nanomédecine. Plusieurs nanocomposites ont été fabriqués avec de l’hydroxyapatite pour faciliter l’adhésion cellulaire, la prolifération et l’ostéogenèse. Dans cette étude, des nanocomposites hybrides ont été développés avec succès en utilisant des nanorubans de graphène (GNR) et des nanoparticules d’hydroxyapatite (nHAPs), qui, lorsqu’ils sont utilisés dans des échafaudages bioactifs, peuvent potentiellement améliorer la régénération du tissu osseux. Ces nanostructures peuvent être biocompatibles. Ici, deux approches ont été utilisées pour préparer les nouveaux matériaux. Dans une approche, une stratégie de co-fonctionnalisation a été utilisée où le nHAP a été synthétisé et conjugué aux GNR simultanément, ce qui a donné des nanohybrides de nHAP sur les surfaces GNR (notées nHAP / GNR). La microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) a confirmé que le composite nHAP/GNR est composé de structures minces et minces de GNR (longueur maximale de 1,8 μm) avec des patchs discrets (150-250 nm) de nHAP en forme d’aiguille (40-50 nm de longueur). Dans l’autre approche, le nHAP disponible dans le commerce a été conjugué avec des GNR formant du nHAP revêtu de GNR (noté GNR /nHAP) (c’est-à-dire avec une orientation opposée par rapport au nanohybride nHAP / GNR). Le nanohybride formé à l’aide de cette dernière méthode a présenté des nanosphères nHAP d’un diamètre allant de 50 nm à 70 nm recouvertes d’un réseau de GNR à la surface. Les spectres de dispersion d’énergie, la cartographie élémentaire et les spectres infrarouges à transformée de Fourier (FTIR) ont confirmé l’intégration réussie des nHAP et des GNR dans les deux nanohybrides. L’analyse thermogravimétrique (TGA) a indiqué que la perte à des températures de chauffage élevées due à la présence de GNR était de 0,5 % et 0,98 % pour le GNR/nHAP et le nHAP/GNR, respectivement. Les nanohybrides nHAP-GNR avec des orientations opposées représentent des matériaux importants pour une utilisation dans les échafaudages bioactifs afin de promouvoir potentiellement les fonctions cellulaires pour améliorer les applications d’ingénierie des tissus osseux.

Introduction

Le graphène a des structures bidimensionnelles en forme de feuille composées de carbone sp-hybridé. Plusieurs autres allotropes peuvent être attribués au réseau étendu de graphène en nid d’abeille (par exemple, l’empilement de feuilles de graphène forme du graphite 3D tout en roulant le même matériau entraîne la formation de nanotubes 1D1). De même, les fullerènes 0D sont formés en raison de l’emballage2. Le graphène a des propriétés physico-chimiques et optoélectroniques attrayantes qui comprennent un effet de champ ambipolaire et un effet Hall quantique à température ambiante 3,4. La détection d’événements d’adsorption monomoléculaire et la mobilité extrêmement élevée des porteurs ajoutent aux attributs attrayants du graphène 5,6. En outre, les nanorubans de graphène (GNR) avec des largeurs étroites et un grand chemin libre moyen, une faible résistivité avec une densité de courant élevée et une mobilité élevée des électrons sont considérés comme des matériaux d’interconnexion prometteurs7. Par conséquent, les GNR sont explorés pour des applications dans une myriade de dispositifs, et plus récemment dans la nanomédecine, en particulier l’ingénierie tissulaire et l’administration demédicaments 8.

Parmi les diverses affections traumatiques, les lésions osseuses sont considérées comme l’une des plus difficiles en raison des difficultés à stabiliser la fracture, à se régénérer et à la remplacer par un nouvel os, à résister à l’infection et à réaligner les non-unions osseuses 9,10. Les interventions chirurgicales restent la seule alternative pour les fractures de l’arbre fémoral. Il convient de noter que près de 52 millions de dollars sont dépensés chaque année pour traiter les lésions osseuses en Amérique centrale et en Europe11.

Les échafaudages bioactifs pour les applications d’ingénierie des tissus osseux peuvent être plus efficaces en incorporant de la nano-hydroxyapatite (nHAP), car ils ressemblent aux propriétés micro et nano architecturales de l’os lui-même12. HaP, représenté chimiquement comme Ca10(PO4)6(OH)2 avec un rapport molaire Ca/P de 1,67, est le plus préféré pour les applications biomédicales, en particulier pour le traitement des défauts parodontaux, la substitution de tissus durs et la fabrication d’implants pour les chirurgies orthopédiques13,14. Ainsi, la fabrication de biomatériaux à base de nHAP renforcés par des GNR peut posséder une biocompatibilité supérieure et peut être avantageuse en raison de leur capacité à favoriser l’ostéointégration et à être ostéoconductrices15,16. De tels échafaudages composites hybrides peuvent préserver des propriétés biologiques telles que l’adhérence cellulaire, la propagation, la prolifération et la différenciation17. Ici, nous rapportons la fabrication de deux nouveaux nanocomposites pour l’ingénierie des tissus osseux en modifiant rationnellement la disposition spatiale des nHAP et des GNR, comme illustré à la figure 1. Les propriétés chimiques et structurelles des deux différents arrangements nHAP-GNR ont été évaluées ici.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Synthèse du nHAP par précipitation

  1. Synthétiser le nHAP vierge en utilisant 50 mL du mélange réactionnel contenant 1 M Ca(NO3)2∙4H2O et 0,67 M(NH4)H2PO4 suivi de l’addition goutte à goutte de NH4OH (25%) pour maintenir un pH autour de 1018.
  2. Par la suite, agiter le mélange réactionnel par irradiation par ultrasons (UI) pendant 30 min (puissance de 500 W et fréquence ultrasonore de 20 kHz).
  3. Laisser mûrir la solution résultante pendant 120 h à température ambiante jusqu’à ce que le précipité blanc de nHAP se dépose. Récupérer le nHAP par centrifugation à 1398 x g pendant 5 min à température ambiante.
  4. Laver le précipité avec de l’eau désionisée (DI) 3x et lyophiliser pendant 48 h. Conserver la poudre sèche à 4 °C.

2. Préparation de nanocomposites nHAP/GNR

REMARQUE : Ce qui suit décrit deux approches pour la fabrication de nanocomposites nHAP/GNR (c.-à-d. nHAP sur des surfaces GNR) et GNR/nHAP (nHAP revêtus de GNR) qui représentent deux arrangements spatiaux différents de nHAP et de GNR (Figure 1).

  1. Synthèse de nHAP/GNR
    1. Pour préparer le nanocomposite nHAP/GNRs, utilisez une stratégie de co-fonctionnalisation où le nHAP peut être synthétisé et conjugué aux GNR simultanément, comme suit.
    2. Dissoudre 5 mg de GNR (Table des matières) dans un mélange de 1 M de nitrate de calcium tétrahydraté [Ca(NO3)2·4H2O] et de 0,67 M d’hydrogénophosphate de diammonium [(NH4)2HPO4] jusqu’à un volume final de 50 mL19.
    3. Au cours de cette réaction, ajoutez 25% de NH4OH goutte à goutte pour maintenir le pH à ~10. Agiter le mélange résultant par UI pendant 30 min.
    4. Une fois la réaction terminée, laisser la solution intacte pendant 120 h à température ambiante jusqu’à maturation.
    5. Observez la formation d’un précipité gélatineux de nHAP qui recouvre les GNR, après quoi un précipité blanc de nHAP/GNR se dépose.
    6. Laver le précipité 3x par centrifugation à 1398 x g pendant 5 min à température ambiante suivi d’une redispersion dans de l’eau DI.
    7. Lyophiliser le précipité lavé récupéré pendant 48 h. Conserver la poudre sèche à 4 °C.
    8. Utilisez des nHAP et des GNR immaculés comme échantillons de contrôle.
  2. Synthèse de nanocomposites GNR/nHAP
    1. Suspendre le nHAP disponible dans le commerce à une concentration de 5 mg/mL dans 50 mL d’eau DI complétée par 5 mg de GNR.
    2. Agiter le mélange obtenu par UI pendant 30 min et ensuite laisser le mélange intact pendant 120 h à température ambiante.
    3. Après maturation, récupérer le précipité blanc du GNR/nHAP obtenu par centrifugation à 1398 x g pendant 5 min à température ambiante.
    4. Lavez l’échantillon 3x à l’aide d’eau DI, lyophilisez-le pendant 48 h et conservez la poudre sèche à 4 °C pour une utilisation ultérieure.

3. Caractérisation du nHAP, du nHAP/GNR et du GNR/nHAP

  1. Utilisez un microscope électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) (voir Tableau des matériaux) pour caractériser la morphologie et la taille des nanocomposites11.
  2. Analyser la composition élémentaire des nanocomposites à l’aide de la spectroscopie à dispersion d’énergie (EDS) et effectuer une cartographie élémentaire à l’aide du microscope électronique à transmission à balayage (STEM)11.
  3. Effectuer une spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) pour les échantillons soignés à des nombres d’onde de 500-4000 cm−1 afin d’analyser les groupes chimiques dans le nanocomposite16.
  4. Effectuer une analyse par diffraction des rayons X en poudre (XRD) du nHAP synthétisé en utilisant une longueur d’onde de rayons X de 1,5406 Å, des réglages de courant et de tension de 40 mA et 40 kV, respectivement, et 2θ allant de 20° à 90°.
  5. Évaluer le pourcentage de charge de GNR dans le nanocomposite à l’aide de l’analyse thermogravimétrique (TGA) en chauffant les échantillons de la température ambiante à 1000 °C à une vitesse de 10 °C/min sous débit d’azote.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Analyse HRTEM
Individuellement, les GNR étaient de minces structures en bambou avec quelques courbures à une certaine distance, comme on l’observe à la figure 2. Le GNR le plus long était de 1,841 μm tandis que le plus petit GNR plié était de 497 nm. Les nanorubans ont souvent montré une variation visible de largeur qui pourrait être attribuée à la torsion pour former des configurations hélicoïdales à de nombreux endroits. Un tel alignement unidirectionnel des GNR peut aider à obtenir des caractéristiques attrayantes telles que les propriétés magnétiques, la conductivité ou le transport de chaleur7.

Les nAPP synthétisés à l’aide de nitrate de calcium tétrahydraté et d’hydrogénophosphate de diammonium à température ambiante (étape 1) étaient en forme de bâtonnet ou en forme d’aiguille avec une taille allant de 40 nm à 50 nm (Figure 3). Les nanomatériaux synthétisés ont été trouvés dans des amas en raison de l’agrégation et de la croissance cristalline. D’autre part, les nHAP disponibles dans le commerce utilisés étaient sphériques (figure 4); ces nanosphères avaient un diamètre de 50 à 70 nm et étaient présentes dans des amas discrets de 15 à 20 sphères.

Le PPN a été déposé in situ sur les RNB (représentés par le PNHA/RNB) dans le cadre de la stratégie de cofonctionnalisation (étape 2.1). Les nanocomposites résultants des GNR et du nHAP étaient constitués de nanostructures interconnectées très poreuses. La prédominance des nHP en forme d’aiguille recouvrant la surface du GNR en patchs (Figure 5) est attribuée aux GNR qui servent d’échafaudage nano-caractéristique pour la nucléation du nHAP. Les patchs nHAP se sont avérés être compris entre 150 nm et 250 nm en longueur et en largeur (Figure 5A,B). La cartographie élémentaire a confirmé que les taches nodales intermédiées sur les GNR étaient bien des nHAP en raison de la présence de calcium élémentaire et de phosphore (figure 5C).

Dans l’autre méthode (étape 2.2), le nHAP préformé a été conjugué aux GNR, ce qui a conduit à la formation de nHAP revêtu de GNR (représenté par GNR/nHAP, c’est-à-dire avec une orientation inverse par rapport au composite nHAP/GNR). Dans ce cas, les GNR ont formé des couches minces à la surface des nanoparticules sphériques de nHAP (Figure 6).

Il est intéressant de noter que les courbures et les circonvolutions remarquées à la périphérie des GNR, comme le montre la figure 2A , sont principalement attribuées à de faibles propriétés de stabilité qui auraient pu améliorer considérablement l’interaction mécanique et la fixation avec le nHAP, comme le montrent les figures 5 et 6. De plus, la grande surface des GNR immaculés contribue également à une charge plus importante de nHAP. De plus, le vieillissement des solutions composites pendant 120 h a entraîné la conversion complète de l’apatite en hydroxyapatite hautement cristalline (Figure 3 et Figure 5). Les groupes fonctionnels à base d’oxygène de la surface GNR interagissent électrostatiquement avec ca2+, servant de site récepteur. Les nanostructures d’apatites peuvent être obtenues davantage en raison de la réaction in situ entre ces cations ancrés et les ions phosphate (étape 2.1). L’orientation du nHAP microstructuré sur la surface du GNR est contrôlée par plusieurs facteurs qui incluent la quantité et le type de groupes oxygénés sur les gabarits à base de graphène, la concentration relative des précurseurs (Ca2+ et HPO42-), le pH du mélange réactionnel et le temps de maturation. L’effet cumulatif des conditions de réaction a entraîné l’enroulement des GNR transparents sur la surface des nanosphères nHAP, peut-être en raison d’une adsorption physique non covalente.

Analyse des spectres de dispersion d’énergie (EDS)
Pour confirmer les principaux composants et la composition élémentaire des nanocomposites, une analyse spectrale dispersive d’énergie a été effectuée. Dans la figure 7A, les spectres EDS des GNR vierges ont montré un pic de carbone qui correspond aux GNR alors qu’aucun autre pic n’a été observé à l’exception du cuivre attribué à la grille utilisée pour le montage des échantillons lors de l’analyse HRTEM. La figure 7B montre le spectre EDS des nanosphères nHAP préformées disponibles dans le commerce où les pics de carbone et de cuivre sont attribués aux grilles de cuivre revêtues de carbone utilisées pour le montage des échantillons lors de l’analyse HRTEM. Dans la figure 7C, une nette augmentation de la teneur en carbone a été attribuée aux RNB, tandis que les autres pics spécifiques au calcium et au phosphore étaient dus au nHAP dans les nanocomposites GNR/nHAP. La figure 8 montre les spectres EDS du nHAP synthétisé (étape 1) (figure 8A) et du composite nHAP/GNR (figure 8B). L’augmentation marquée de la teneur en carbone dans le spectre nHAP/GNR est due à la majorité des GNR sur lesquels seules de petites parcelles de nHAP fraîchement synthétisées ont été observées.

Analyse FTIR

La conjugaison du nHAP avec les GNR a été confirmée par des spectres FTIR. La figure 9 montre les spectres FTIR de nHAP, GNR, nHAP/GNR et GNR/nHAP. Le pic de flexion hors plan OH à 600 cm-1 est vu dans le FTIR de GNR12. Le pic à 1030 cm-1, attribué à l’étirement P-O, a été observé dans le nHAP, confirmant sa composition chimique15. Notamment, le pic d’étirement P-O caractéristique du nHAP a également été trouvé dans le nHAP/GNR et le GNR/nHAP, indiquant la présence de nHAP dans les deux composites. Les deux autres pics, 1413 et 1447 cm-1 que l’on ne trouve que dans les composites sont attribués respectivement aux vibrations δCH2 et au groupe carbonate (CO32−), qui confirment la conjugaison du GNR et du nHAP16.

Analyse par diffraction des rayons X (XRD)
Le modèle XRD du HAP (étape 2.1) est illustré à la figure 10. Les forts pics indiquaient une bonne cristallinité du matériau. Les positions de pointe étaient en bon accord avec celles des données standard de l’ICDD (carte PDF2: 00-009-0432). Cela a confirmé la structure cristalline hexagonale (groupe d’espace P63/m) du nHAP, ayant des valeurs de paramètres de réseau de a = b = 0,940 nm et c = 0,615 nm. Certains des pics saillants et forts à des valeurs 2θ de 25,8°, 28,2°, 31,8°, 32,9°, 34,1°, 39,7°, 43,9°, 46,6° et 49,4° correspondant respectivement à (002), (102), (211), (300), (202), (310), (113), (222) et (213), ont confirmé la pureté du nHAP 16,20,21 synthétisé.

Analyse thermogravimétrique (TGA)
L’analyse thermogravimétrique (TGA) a été utilisée pour estimer le pourcentage de charge dans les conjugués (figure 11). Trois pertes de masse importantes ont été évidentes au cours de l’analyse TGA. La perte initiale de masse à des températures allant jusqu’à 100 °C est due à l’eau physique piégée. La seconde perte entre 100 °C et 200 °C est due à la décomposition du GNR en suie carbonée. La diminution constante de la masse par la suite jusqu’à 500 °C était due à la cristallisation du nHAP. Un chauffage supplémentaire a conduit à la décomposition des complexes. La perte due à la présence de GNR s’est avérée se situer entre 0,5 % et 0,98 % dans le GNR/nHAP et le nHAP/GNR, respectivement. Par conséquent, il est en bon accord avec notre analyse précédente où HAP a été trouvé comme composant principal et les GNR étaient orientés vers la surface dans le GNR / nHAP. D’autre part, les GNR étaient abondants dans le nHAP/GNR dans lequel le nHAP formait des patchs discrets sur les longues étendues de GNR.

Figure 1
Figure 1 : Représentation schématique pour la synthèse de composites hybrides graphène nanorubbon-hydroxyapatite orientés vers l’inverse : (A) nHAP/GNR et (B) GNR/nHAP. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2: Analyse structurelle des RNB: (A) Analyse HRTEM des GNR nus; B) Images à balayage en mode électron de transmission (STEM) des GNR; et (C) Cartographie élémentaire des RNB, où les couleurs rouge, vert, jaune et bleu désignent respectivement le carbone, l’oxygène, le phosphore et le calcium. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Analyse structurale du nHAP tel que synthétisé : (A) Analyse HRTEM du nHAP ; (B) Images en mode électronique de transmission (STEM) à balayage de nHAP avec la barre d’échelle en médaillon représentant 100 nm; et (C) Cartographie élémentaire du nHAP où les couleurs rouge, vert, jaune et bleu désignent respectivement le carbone, l’oxygène, le phosphore et le calcium. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4: Analyse structurale du nHAP préformé disponible dans le commerce: (A) Analyse HRTEM du nHAP; (B) Images en mode électron de transmission (STEM) à balayage de nHAP; et (C) Cartographie élémentaire du nHAP où les couleurs rouge, vert, jaune et bleu désignent respectivement le carbone, l’oxygène, le phosphore et le calcium. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : Analyse structurale du nHAP/GNR synthétisée par la stratégie de co-fonctionnalisation : (A) Analyse HRTEM du nHAP/GNR ; (B) Balayage d’images en mode électron de transmission (STEM) de nHAP/GNR; et (C) Cartographie élémentaire du nHAP/GNR où les couleurs rouge, vert, jaune et bleu désignent respectivement le carbone, l’oxygène, le phosphore et le calcium. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6: Analyse structurelle du GNR/nHAP: (A) Analyse HRTEM du GNR/nHAP; (B) Images à balayage en mode électron de transmission (STEM) de GNR/nHAP avec une barre d’échelle en médaillon représentant 50 nm; et (C) Cartographie élémentaire du GNR/nHAP où les couleurs rouge, vert, jaune et bleu désignent respectivement le carbone, l’oxygène, le phosphore et le calcium. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 7
Figure 7 : Analyse EDS du nanocomposite GNR/nHAP : (A) GNR, (B) nHAP préformé disponible dans le commerce et (C) nanocomposite GNR/nHAP. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 8
Figure 8 : Analyse EDS du nanocomposite nHAP/GNR : (A) NHAP synthétisé et (B) nHAP/GNR. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 9
Figure 9: Analyse FTIR des nanocomposites. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 10
Figure 10 : Analyse par diffraction des rayons X (XRD) du nHAP. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 11
Figure 11: Analyse thermogravimétrique des nanocomposites. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bien que divers métaux, polymères, céramiques et leurs combinaisons aient été étudiés comme implants orthopédiques et accessoires de fixation, le HAP est considéré comme l’un des matériaux les plus préférables en raison de sa similitude chimique avec l’os lui-même et de sa cytocompatibilité élevée 20,21,22 qui en résulte. Dans cette étude, l’orientation de haP était variée, ce qui peut avoir un impact significatif sur ses propriétés uniques, telles que la promotion de l’ostéogenèse, de l’ostéointégration et de l’ostéoconductivité. De plus, changer l’orientation de HAP peut avoir un impact sur les propriétés mécaniques des nanocomposites pour imiter davantage celles de l’os naturel, car les os longs du corps possèdent un alignement anisotrope de HA avec du collagène, tandis que les os cuboïdaux possèdent un arrangement aléatoire de HA avec du collagène. Il convient de noter que bien que le HAP naturel soit le principal constituant des dents et des os humains, ses propriétés physiques dépendent en grande partie des conditions de réaction telles que le temps de réaction, le pH, la concentration de phosphate et la nature chimique de la phase23 du CaP. Par conséquent, dans cette étude, une méthode chimique humide a été utilisée pour synthétiser le nHAP à un pH de 10 sous irradiation ultrasonore (UI). Barbosa et al. (2013) ont également rapporté que l’IU en conjonction avec les précipitations aqueuses sans calcination est une méthode simple, rapide et efficace qui génère du nHAP avec une cristallinité et une spécificité élevées18.

Il est important de noter que les biomatériaux associés au HAP fabriqués artificiellement présentent souvent de mauvaises propriétés mécaniques, notamment une fragilité intrinsèque, une faible ténacité à la rupture et une usure22. Par conséquent, le nHAP est renforcé ici avec des GNR pour faciliter: (i) la fonctionnalisation de surface associée aux nanoparticules, (ii) les interactions électrostatiques à l’interface dans le complexe, et (iii) le transfert de la contrainte aux nano-charges à partir de la matrice des échafaudages 24,25,26. La synthèse chimique humide suivie ici a abouti à un nHAP vierge principalement dans de petites particules aciculaires agglomérées en particules plus grosses (~ 40 nm). Ce résultat est bien en accord avec le rapport de Barbosa et al. (2013), où il a été spéculé que l’interface utilisateur a joué un rôle essentiel dans l’induction de la nucléation en formant des murs de bulles à proximité, appelés « points chauds»18,27.

Il est intéressant de noter qu’une diminution de la taille des particules de l’hôte et de l’invité ne peut améliorer la fluidité que jusqu’à une certaine limite. Par la suite, une réduction supplémentaire de la dimension de la particule hôte peut conduire à une agglomération qui a un impact négatif sur la fluidité28. En plus d’induire une nucléation primaire dans une solution pratiquement sans particules, l’interface utilisateur empêche des niveaux élevés de sursaturation. En outre, la réduction médiée par l’IU du temps écoulé entre l’établissement de la sursaturation et le début de la nucléation et de la cristallisation peut être essentielle dans l’évolution de la forme du nHAP et le modèle de fonctionnalisation sur les GNR. La structure nHAP/GNR pourrait être attribuée à l’effet cumulatif de la température de réaction, de la pression associée à l’effondrement de la bulle et des ondes de choc en plus de l’agitation hautement énergétique créée dans les régions spatialement concentrées. De même, la structure GNR/nHAP synthétisée par l’ajout simultané de GNR et de nHAP vierges en présence d’ui pourrait être attribuée aux taux de refroidissement locaux rapides ultérieurs améliorant la sursaturation. Un incrément localisé de pression peut également diminuer la température de cristallisation, tandis que la barrière créée par l’énergie d’activation peut être considérablement surmontée par le transfert d’énergie dû à la cavitation lors de la fonctionnalisation de surface des GNR18,27.

Un rapport montre que l’application excessive d’IU (~30-120 min) pendant la synthèse réduit la cristallinité et/ou la taille des cristaux nHAP29. Cela peut déterminer davantage l’orientation de la fonctionnalisation observée dans notre étude. Même dans cette étude, les résultats ont montré que l’IU pendant un temps d’exposition relativement long (30 min) pendant la synthèse du nHAP entraînait un dépôt de nHAP sur les GNR. D’autre part, l’interface utilisateur pendant 30 minutes avec des nHAP et des GNR préformés a conduit au dépôt de GNR sur les nHAP sphériques. Par conséquent, cette méthode est idéale pour la production à grande échelle de nHAP afin d’obtenir des composites incorporés gnr pour la fabrication d’échafaudages30,31. De tels nouveaux composites orientés vers l’inverse avec des propriétés mécaniques supérieures peuvent être importants pour l’ingénierie des tissus osseux. En particulier, Fan et coll. (2014) ont rapporté que l’introduction du graphène peut améliorer considérablement la dureté et le module de Young du nHAP qui, à leur tour, présentent une ostéointégration plus élevée avec l’os environnant (c.-à-d. une biocompatibilité supérieure), comparativement au graphène vierge et au nHAP, individuellement32. Ainsi, les nanocomposites composés de GNR et de nHAP avec des propriétés mécaniques et une biocompatibilité supérieures peuvent être des biomatériaux prometteurs pour de nombreuses applications orthopédiques 33,34,35.

Cependant, le défi majeur dans la fabrication de nanohybrides avec des orientations opposées est que les paramètres de réaction doivent être strictement suivis pour obtenir l’orientation souhaitée des nanocomposites36,37. De plus, dans la stratégie de co-fonctionnalisation, moins de quantités de nHAP en forme d’aiguille ont été déposées sur les GNR, ce qui peut réduire leur potentiel de régénération du tissu osseux et leur résistance mécanique. Les formes du nHAP dans les deux méthodes sont différentes, ce qui peut influencer de manière significative la quantité d’ostéogenèse et donc causer diverses propriétés pertinentes pour les applications biomédicales.

En conclusion, ici, nous avons synthétisé des nanocomposites composés de GNR et de nHAP avec des arrangements spatiaux contrastés qui peuvent avoir des applications potentielles en orthopédie. Les résultats ont montré que la morphologie et le temps de fonctionnalisation du nHAP (c.-à-d. si la fonctionnalisation a lieu après la synthèse ou en même temps que la synthèse du nHAP) déterminaient l’orientation du nHAP et des GNR dans les nanocomposites. La co-fonctionnalisation au cours de la synthèse a abouti à des nHAP / GNR, tandis que la fonctionnalisation avec nHAP préformé a abouti à des GNR / nHAP. Ces nanocomposites pourraient être applicables pour développer des échafaudages pour promouvoir l’ostéogenèse et, par conséquent, ont des promesses significatives en nanomédecine régénérative justifiant leurs recherches plus approfondies.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts.

Acknowledgments

Le Dr Sougata Ghosh remercie le Département des sciences et de la technologie (DST), le ministère des Sciences et de la Technologie, gouvernement de l’Inde, et le Centre Jawaharlal Nehru pour la recherche scientifique avancée, en Inde, pour le financement dans le cadre de la bourse postdoctorale à l’étranger en nanosciences et technologies (Réf. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 daté du 19 août 2019). Le Dr Sougata Ghosh remercie l’Université Kasetsart, Bangkok, Thaïlande, pour une bourse postdoctorale et un financement dans le cadre du programme Réinventer l’université (réf. n° 6501.0207/10870 du 9 novembre 2021). Les auteurs tiennent à remercier le Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) pour son aide dans les expériences de caractérisation. KANCF est un établissement de recherche et d’enseignement multidisciplinaire partagé au sein de l’Institut de recherche Kostas (KRI) de l’Université Northeastern.

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

Bioingénierie Numéro 185 Nanomédecine nanorubans de graphène hydroxyapatite orientation inverse échafaudages
Synthèse de nanocomposites de graphène-hydroxyapatite pour une utilisation potentielle dans l’ingénierie des tissus osseux
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