石墨烯-羟基磷灰石纳米复合材料的合成及其在骨组织工程中的潜在应用

摘要

采用溶液相合成法制备了石墨烯纳米带与羟基磷灰石纳米颗粒的新型纳米复合材料。这类杂化材料在生物活性支架中的应用，可在组织工程和骨再生领域展现出潜在应用价值。

摘要

开发用于骨组织工程的新型材料是纳米医学最重要的研究方向之一。已有多种纳米复合材料与羟基磷灰石结合制备而成，以促进细胞黏附、增殖和成骨作用。本研究成功开发了石墨烯纳米带（GNRs）与羟基磷灰石纳米颗粒（nHAPs）组成的杂化纳米复合材料，该材料若应用于生物活性支架，有望提升骨组织再生效果。这些纳米结构具有良好的生物相容性。本研究采用了两种方法来制备新型材料。第一种方法采用共功能化策略，同时合成nHAP并将其偶联至GNRs表面，形成nHAP负载于GNRs表面的纳米杂化物（记为nHAP/GNR）。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）证实，nHAP/GNR复合材料由细长且薄的GNRs结构（最大长度为1.8 µm）组成，其表面分布有离散的针状nHAP（长度为40–50 nm）区域（尺寸为150–250 nm）。另一种方法则将市售的nHAP与GNRs偶联，形成GNRs包覆的nHAP（记为GNR/nHAP），即其结构取向与nHAP/GNR纳米杂化物相反。采用后一种方法形成的纳米杂化物表现为直径在50 nm至70 nm之间的nHAP纳米球，其表面覆盖有GNRs构成的网络结构。能谱分析（EDS）、元素分布图以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）均证实了两种纳米杂化物中nHAP与GNRs的成功整合。热重分析（TGA）表明，由于GNRs的存在，在高温加热条件下，GNR/nHAP和nHAP/GNR的重量损失分别为0.5%和0.98%。这两种具有相反取向的nHAP-GNR纳米杂化材料是极具潜力的生物活性支架候选材料，有望通过促进细胞功能来提升骨组织工程的应用效果。

引言

石墨烯是由sp杂化碳原子构成的片状二维结构。其他一些同素异形体也可归因于石墨烯的扩展蜂窝网络（例如，石墨烯片层的堆叠形成三维石墨，而将同一材料卷曲则形成一维纳米管¹）。同样，零维富勒烯则是由于卷曲包裹而形成²。石墨烯具有优异的理化性质和光电特性，包括在室温下表现出双极性场效应和量子霍尔效应^3,4。单分子吸附事件的检测能力以及极高的载流子迁移率进一步增强了石墨烯的吸引力^5,6。此外，具有窄宽度、长平均自由程、低电阻率、高电流密度和高电子迁移率的石墨烯纳米带（GNRs）被认为是极具前景的互连材料⁷。因此，GNRs正在被探索用于多种器件中的应用，最近尤其在纳米医学领域，如组织工程和药物递送方面展现出潜力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，其难点在于骨折的稳定、新骨的再生与替代、抗感染以及骨不连的重新对位^9,10。股骨干骨....

方案

1. 通过沉淀法合成纳米羟基磷灰石（nHAP）

1. 使用50 mL反应混合物合成纯净的nHAP，该混合物包含1 M Ca(NO₃)₂∙4H₂O和0.67 M (NH₄)H₂PO₄，随后逐滴加入25% NH₄OH，以维持pH值约为10¹⁸。
2. 然后，通过超声辐照（UI）搅拌反应混合物30分钟（功率500 W，超声频率20 kHz）。
3. 将所得溶液在室温下陈化120小时，直至nHAP白色沉淀析出。在室温下以1398 × g 离心5分钟，收集nHAP沉淀。
4. 用去离子水（DI水）洗涤沉淀3次，并冷冻干燥48小时。将干燥粉末储存在4 °C条件下。

2. nHAP/GNR 纳米复合材料的制备

注意：以下描述了两种制备纳米羟基磷灰石/金纳米棒（nHAP/GNR，即nHAP负载于GNR表面）和金纳米棒/纳米羟基磷灰石（GNR/nHAP，即GNR包覆的nHAP）纳米复合材料的方法，代表了nHAP与GNR两种不同的空间排列方式（图1....

结果

高分辨透射电子显微分析
单个石墨烯纳米带（GNRs）呈细长的竹节状结构，并在某些位置出现弯曲，如图2所示。最长的GNR为1.841 µm，而最短的弯曲GNR为497 nm。这些纳米带的宽度常表现出明显变化，可能归因于在多处发生扭曲而形成螺旋构型。此类GNRs的单向排列可能有助于获得磁性、导电性或热传导等优异特性⁷。

在室温下使用四水合硝酸钙和磷酸氢二铵合成的纳米羟基磷灰石（步骤1）呈棒状或针状，尺寸范围为40 nm至50 nm（图3）。由于聚集和晶体生长，所合成的纳米材料以团块形式存在。另一方面，所用的市售纳米羟基磷灰石呈球形（图4）；这些纳米球的直径为50–70 nm，以包含15–20个球体的独立簇状结构存在。

nHAP 被沉积 原位 在共功.......

讨论

尽管已有多种金属、聚合物、陶瓷及其复合材料被研究用于骨科植入物和固定附件，但由于羟基磷灰石（HAP）在化学成分上与骨组织本身相似，因而具有优异的细胞相容性，被认为是其中最理想的材料之一^20,21,22。在本研究中，HAP的取向被加以调控，这可能对其促进成骨、骨整合及骨传导等独特性能产生显著影响。此外，改变HAP的取向还可调节纳米复合材料的力学性能，以进一步模拟天然骨的特性，因为人体长骨中的羟基磷灰石与胶原呈各向异性排列，而立方形骨则呈随机排列。需要注意的是，尽管天然HAP是人体牙齿和骨骼的主要成分，其物理性质却在很大程度上依赖于反应条件，如反应时间、pH值、磷酸盐浓度以及磷酸钙（CaP）相的化学性质²³。因此，本研究采用湿化学法在pH为10的条件下结合超声辐照（UI）合成纳米羟基磷灰石（nHAP）。Barbosa等（2013）也报道指出，超声辐照结合无需煅烧的水相沉淀法是一种简单、快速且高效的合成方法，可.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
磷酸二氢铵	Sigma-Aldrich	216003-100G	合成
硝酸钙四水合物	Sigma-Aldrich	237124	合成
离心机	Hettich	EBA 200S	回收
傅里叶变换红外光谱仪	Brucker	Vertex 70	表征
石墨烯纳米带	Sigma-Aldrich	922714	合成
高分辨率透射电子显微镜	Thermo Fisher Scientific	Themis Titan 300	表征
磁力搅拌器	IKA	C-MAG HS7 S68	功能化
微量移液器	TreffLab	06H35687	试剂制备
pH计	Eutech pH5+	ECPH503PLUSK	试剂制备
热重分析仪	TA Instruments	SDT Q600	表征
超声波清洗机	Bandelin	DT100	功能化
通用烘箱	Memmert	UF55	功能化
电子天平	Precisa	XB220A	试剂制备
X射线衍射仪	Brucker	D8-Advanced	表征