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

Kemik Doku Mühendisliğinde Potansiyel Kullanım için Grafen-Hidroksiapatit Nanokompozitlerin Sentezi

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

Grafen nanoşeritlerin ve hidroksiapatit nanopartiküllerinin yeni nanokompozitleri çözelti-faz sentezi kullanılarak hazırlandı. Bu melezler biyoaktif iskelelerde kullanıldığında doku mühendisliği ve kemik rejenerasyonunda potansiyel uygulamalar sergileyebilir.

Abstract

Kemik dokusu mühendisliği için yeni malzemeler geliştirmek, nanotıbbın en önemli itme alanlarından biridir. Hücre yapışmasını, çoğalmasını ve osteogenezini kolaylaştırmak için hidroksiapatit ile çeşitli nanokompozitler üretilmiştir. Bu çalışmada, hibrid nanokompozitler, biyoaktif iskelelerde kullanıldığında potansiyel olarak kemik dokusu rejenerasyonunu artırabilecek grafen nanoşeritler (GNR'ler) ve hidroksiapatit nanopartikülleri (nHAP'lar) kullanılarak başarıyla geliştirilmiştir. Bu nanoyapılar biyouyumlu olabilir. Burada roman materyallerinin hazırlanmasında iki yaklaşım kullanılmıştır. Bir yaklaşımda, nHAP'ın sentezlendiği ve aynı anda GNR'lere konjuge edildiği bir birlikte işlevselleştirme stratejisi kullanıldı, bu da GNR yüzeylerinde nHAP'ın nanohibritleriyle sonuçlandı (nHAP / GNR olarak belirtildi). Yüksek çözünürlüklü iletim elektron mikroskobu (HRTEM), nHAP / GNR kompozitinin, iğne benzeri nHAP'ın (40-50 nm uzunluğunda) ayrık yamaları (150-250 nm) ile GNR'lerin ince, ince yapılarından (maksimum uzunluk 1.8 μm) oluştuğunu doğruladı. Diğer yaklaşımda, ticari olarak temin edilebilen nHAP, GNR kaplı nHAP (GNR / nHAP olarak belirtilir) oluşturan GNR'lerle konjuge edildi (yani, nHAP / GNR nanohibritine göre zıt bir yönelimle). İkinci yöntem kullanılarak oluşturulan nanohibrit, yüzeyde bir GNR ağı ile kaplı 50 nm ila 70 nm arasında değişen bir çapa sahip nHAP nanosferleri sergiledi. Enerji dağıtıcı spektrumlar, elemental haritalama ve Fourier dönüşüm kızılötesi (FTIR) spektrumları, nHAP ve GNR'lerin her iki nanohibritte de başarılı entegrasyonunu doğruladı. Termogravimetrik analiz (TGA), GNR'lerin varlığından dolayı yüksek ısıtma sıcaklıklarındaki kaybın GNR / nHAP ve nHAP / GNR için sırasıyla% 0.5 ve% 0.98 olduğunu göstermiştir. Zıt yönelimlere sahip nHAP-GNR nanohibritleri, kemik dokusu mühendisliği uygulamalarını geliştirmek için hücresel fonksiyonları potansiyel olarak teşvik etmek için biyoaktif iskelelerde kullanılmak üzere önemli malzemeleri temsil eder.

Introduction

Grafen, sp-hibridize karbondan oluşan tabaka benzeri iki boyutlu yapılara sahiptir. Diğer bazı allotroplar, grafenin genişletilmiş petek ağına bağlanabilir (örneğin, grafen tabakalarının istiflenmesi, aynı malzemeyi yuvarlarken 3D grafit oluştururken, 1D nanotüplerin oluşumuna neden olur1). Aynı şekilde,2'nin sarılması nedeniyle 0D fullerenler oluşur. Grafen, ambipolar alan etkisi ve oda sıcaklığında kuantum Hall etkisi içeren çekici fizikokimyasal ve optoelektronik özelliklere sahiptir 3,4. Tek moleküllü adsorpsiyon olaylarının tespiti ve son derece yüksek taşıyıcı hareketliliği, grafen 5,6'nın çekici özelliklerine katkıda bulunur. Ayrıca, dar genişliklere ve büyük bir ortalama serbest yola, yüksek akım yoğunluğuna sahip düşük dirençliliğe ve yüksek elektron hareketliliğine sahip grafen nanoşeritler (GNR'ler), umut verici birbirine bağlanan malzemeler olarak kabul edilir7. Bu nedenle, GNR'ler sayısız cihazdaki uygulamalar için ve daha yakın zamanda nanotıpta, özellikle doku mühendisliğinde ve ilaç dağıtımındaaraştırılmaktadır 8.

Çeşitli travmatik rahatsızlıklar arasında, kemik yaralanmaları, kırığın stabilize edilmesi, rejenerasyon ve yeni kemikle replasman, enfeksiyona direnme ve birleşmeyen kemiğin yeniden hizalanması zorluklarından dolayı en zorlayıcılardan biri olarak kabul edilir 9,10. Femur mili kırıkları için cerrahi işlemler tek alternatif olmaya devam etmektedir. Orta Amerika ve Avrupa'daki kemik yaralanmalarının tedavisi için her yıl yaklaşık 52 milyon dolar harcandığı belirtilmelidir11.

Kemik dokusu mühendisliği uygulamaları için biyoaktif iskeleler, kemiğin kendisinin mikro ve nano mimari özelliklerine benzedikleri için nano-hidroksiapatit (nHAP) dahil edilerek daha etkili olabilir12. Kimyasal olarak 1.67 Ca/P molar oranı ile Ca10(PO4)6(OH)2 olarak temsil edilen HAP, biyomedikal uygulamalar için, özellikle periodontal defektlerin tedavisinde, sert dokuların ikame edilmesinde ve ortopedik ameliyatlar için implant üretiminde en çok tercih edilen13,14'tür. Bu nedenle, GNR'lerle güçlendirilmiş nHAP bazlı biyomalzemelerin üretimi üstün biyouyumluluğa sahip olabilir ve osseointegrasyonu teşvik etme ve osteoiletken olma yetenekleri nedeniyle avantajlı olabilir15,16. Bu tür hibrid kompozit iskeleler, hücre yapışması, yayılması, çoğalması ve farklılaşması gibi biyolojik özellikleri koruyabilir17. Burada, Şekil 1'de gösterildiği gibi nHAP ve GNR'lerin mekansal düzenlemesini rasyonel olarak değiştirerek kemik dokusu mühendisliği için iki yeni nanokompozitin üretimini sunuyoruz. Burada iki farklı nHAP-GNR düzenlemesinin kimyasal ve yapısal özellikleri değerlendirilmiştir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Yağış ile nHAP sentezi

  1. 1 M Ca(NO3)2∙4H 2 O ve 0.67 M (NH4) H 2PO 4içeren reaksiyon karışımının 50 mL'sini kullanarak bozulmamış nHAP'ı sentezleyin, ardından 1018 civarında bir pH elde etmek için NH4OH'nin (% 25) damla eklenmesiyle sentezleyin.
  2. Bundan sonra, reaksiyon karışımını 30 dakika (500 W güç ve 20 kHz ultrason frekansı) ultrason ışınlaması (UI) ile çalkalayın.
  3. Elde edilen çözeltinin, nHAP'ın beyaz çökeltisi yerleşene kadar oda sıcaklığında 120 saat olgunlaşmasına izin verin. nHAP'ı oda sıcaklığında 5 dakika boyunca 1398 x g'de santrifüjleme ile geri kazanın.
  4. Çökeltiyi deiyonize (DI) suyla 3x yıkayın ve 48 saat boyunca liyofilize edin. Kuru tozu 4 °C'de saklayın.

2. nHAP / GNR nanokompozitlerinin hazırlanması

NOT: Aşağıda, nHAP / GNR (yani, GNR yüzeylerinde nHAP) ve GNR / nHAP (GNR kaplı nHAP) nanokompozitlerinin üretilmesi için nHAP ve GNR'lerin iki farklı uzamsal düzenlemesini temsil eden iki yaklaşım açıklanmaktadır (Şekil 1).

  1. nHAP/GNR sentezi
    1. nHAP / GNR'lerin nanokompozitini hazırlamak için, nHAP'ın aşağıdaki gibi aynı anda GNR'lere sentezlenebileceği ve konjuge edilebileceği bir ortak işlevselleştirme stratejisi kullanın.
    2. 5 mg GNR'yi (Malzeme Tablosu) 1 M kalsiyum nitrat tetrahidrat [Ca(NO3)2·4H2O] ve 0.67 M diamonyum hidrojen fosfat [(NH 4)2 HPO4] karışımında 50 mL nihai hacim19'a çözün.
    3. Bu reaksiyon sırasında, pH'ı ~ 10'da tutmak için NH4OH'un% 25'ini damla damla ekleyin. Elde edilen karışımı UI ile 30 dakika çalkalayın.
    4. Reaksiyonun tamamlanmasından sonra, çözeltiyi olgunlaşana kadar oda sıcaklığında 120 saat boyunca bozulmadan bırakın.
    5. GNR'leri kaplayan jelatinimsi bir nHAP çökeltisi oluşumunu gözlemleyin, ardından nHAP / GNR'lerin beyaz bir çökeltisi çökelir.
    6. Çökeltiyi oda sıcaklığında 5 dakika boyunca 1398 x g'de santrifüjleme ile 3x yıkayın, ardından DI suyunda tekrar dağıtın.
    7. Geri kazanılan yıkanmış çökeltiyi 48 saat boyunca liyofilize edin. Kuru tozu 4 °C'de saklayın.
    8. Kontrol numunesi olarak bozulmamış nHAP ve GNR'leri kullanın.
  2. GNR/nHAP nanokompozit sentezi
    1. Ticari olarak temin edilebilen nHAP'ı, 5 mg GNR ile desteklenmiş 50 mL DI suyunda 5 mg / mL'lik bir konsantrasyonda askıya alın.
    2. Elde edilen karışımı UI ile 30 dakika çalkalayın ve daha sonra karışımı oda sıcaklığında 120 saat boyunca bozulmadan bırakın.
    3. Olgunlaşmadan sonra, elde edilen GNR / nHAP'ın beyaz çökeltisini, oda sıcaklığında 5 dakika boyunca 1398 x g'de santrifüjleme ile geri kazanın.
    4. Numuneyi DI suyu kullanarak 3x yıkayın, 48 saat boyunca liyofilize edin ve daha fazla kullanım için kuru tozu 4 ° C'de saklayın.

3. nHAP, nHAP/GNR ve GNR/nHAP'ın karakterizasyonu

  1. Nanokompozitlerin morfolojisini ve boyutunu karakterize etmek için yüksek çözünürlüklü bir iletim elektron mikroskobu (HRTEM) kullanın (bkz.
  2. Enerji dağıtıcı spektroskopi (EDS) kullanarak nanokompozitlerin element bileşimini analiz edin ve taramalı iletim elektron mikroskobu (STEM) kullanarak elementel haritalama gerçekleştirin11.
  3. Nanokompozit16'daki kimyasal grupları analiz etmek için 500-4000 cm−1 dalga numaralarındaki düzgün numuneler için Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR) spektroskopisi gerçekleştirin.
  4. 1.5406 şX-ışını dalga boyu, sırasıyla 40 mA ve 40 kV akım ve voltaj ayarları ve 20 ° ila 90 ° arasında değişen 2θ kullanarak sentezlenmiş nHAP'ın toz X-ışını kırınım (XRD) analizini gerçekleştirin.
  5. Termogravimetrik analiz (TGA) kullanarak nanokompozitteki GNR yükleme yüzdesini, numuneleri azot akışı altında 10 ° C / dak hızında oda sıcaklığından 1000 ° C'ye ısıtarak değerlendirin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

HRTEM analizi
Bireysel olarak, GNR'ler, Şekil 2'de gözlemlendiği gibi belirli bir mesafede bazı kıvrımlara sahip ince bambu benzeri yapılardı. En uzun GNR 1.841 μm iken, en küçük bükülmüş GNR 497 nm idi. Nanoribbonlar genellikle birçok yerde sarmal konfigürasyonlar oluşturmak için bükülmeye atfedilebilecek genişlikte gözle görülür bir varyasyon gösterdi. GNR'lerin bu tür tek yönlü hizalaması, manyetik özellikler, iletkenlik veya ısı taşıma7 gibi çekici özelliklerin elde edilmesine yardımcı olabilir.

Oda sıcaklığında kalsiyum nitrat tetrahidrat ve diamonyum hidrojen fosfat kullanılarak sentezlenen nHAP'lar (adım 1), 40 nm ila 50 nm arasında değişen boyutlarda çubuk şeklinde veya iğne benzeriydi (Şekil 3). Sentezlenen nanomalzemeler, kümelenme ve kristalin büyüme nedeniyle kümelerde bulundu. Öte yandan, kullanılan ticari olarak temin edilebilen nHAP'lar küreseldir (Şekil 4); Bu nanosferler 50-70 nm çapındaydı ve 15-20 küreden oluşan ayrı kümelerde mevcuttu.

nHAP, ortak işlevselleştirme stratejisinde (adım 2.1) GNR'lere (nHAP / GNR olarak temsil edilir) yerinde yatırılmıştır. GNR'lerin ve nHAP'ın ortaya çıkan nanokompozitleri, oldukça gözenekli birbirine bağlı nanoyapılardan oluşuyordu. GNR yüzeyini yamalarda kaplayan iğne benzeri nHAP'ların baskınlığı (Şekil 5), nHAP çekirdeklenmesi için nano özellikli bir iskele görevi gören GNR'lere atfedilir. nHAP yamalarının uzunluk ve genişlik olarak 150 nm ile 250 nm arasında olduğu bulunmuştur (Şekil 5A,B). Elemental haritalama, GNR'ler üzerindeki aracılı düğüm yamalarının, elementel kalsiyum ve fosfor varlığından dolayı gerçekten nHAP olduğunu doğruladı (Şekil 5C).

Diğer yöntemde (adım 2.2), önceden oluşturulmuş nHAP, GNR kaplı nHAP oluşumuna yol açan GNR'lere konjuge edildi (GNR / nHAP olarak temsil edilir, yani nHAP / GNR kompozit ile karşılaştırıldığında ters bir yönelimle). Bu durumda, GNR'ler küresel nHAP nanopartiküllerinin yüzeyinde ince filmler oluşturdu (Şekil 6).

İlginçtir ki, Şekil 2A'da görüldüğü gibi GNR'lerin çevresinde fark edilen kıvrımlar ve evrişimler, çoğunlukla Şekil 5 ve Şekil 6'da görüldüğü gibi nHAP ile mekanik etkileşimi ve bağlantıyı önemli ölçüde artırmış olabilecek düşük stabilite özelliklerine atfedilir. Ayrıca, bozulmamış GNR'lerin geniş yüzey alanı da daha fazla nHAP yüklemesine yardımcı olur. Ayrıca, kompozit çözeltilerin 120 saat boyunca yaşlanması, apatitin yüksek kristalin hidroksiapatite tamamen dönüştürülmesiyle sonuçlandı (Şekil 3 ve Şekil 5). GNR yüzeyinin oksijen bazlı fonksiyonel grupları, elektrostatik olarak Ca2 + ile etkileşime girerek reseptör bölgesi olarak işlev görür. Apatit nanoyapıları, bu ankrajlı katyonlar ve fosfat iyonları arasındaki in situ reaksiyon nedeniyle daha da elde edilebilir (adım 2.1). Mikroyapılı nHAP'ın GNR yüzeyindeki oryantasyonu, grafen bazlı şablonlardaki oksijenli grupların miktarı ve türü, öncüllerin nispi konsantrasyonu (Ca2+ ve HPO42-), reaksiyon karışımının pH'ı ve olgunlaşma süresini içeren çeşitli faktörler tarafından kontrol edilir. Reaksiyon koşullarının kümülatif etkisi, şeffaf GNR'lerin muhtemelen kovalent olmayan fiziksel adsorpsiyon nedeniyle nHAP nanosferlerinin yüzeyine sarılmasıyla sonuçlandı.

Enerji dağıtıcı spektrumlar (EDS) analizi
Ana bileşenleri ve nanokompozitlerin element bileşimini doğrulamak için, bir enerji dağıtıcı spektral analiz yapıldı. Şekil 7A'da, bozulmamış GNR'lerin EDS spektrumları, GNR'lere karşılık gelen bir karbon zirvesi gösterirken, HRTEM analizi sırasında numunelerin montajı için kullanılan ızgaraya atfedilen bakır dışında başka hiçbir tepe noktası gözlenmemiştir. Şekil 7B, karbon ve bakır zirvelerinin HRTEM analizi sırasında numuneleri monte etmek için kullanılan karbon kaplı bakır ızgaralara atfedildiği ticari olarak temin edilebilen önceden oluşturulmuş nHAP nanosferlerinin EDS spektrumunu göstermektedir. Şekil 7C'de, karbon içeriğindeki belirgin bir artış GNR'lere atfedilirken, kalsiyum ve fosfora özgü diğer zirveler GNR / nHAP nanokompozitlerindeki nHAP'a bağlıydı. Şekil 8, as sentezlenmiş nHAP (adım 1) (Şekil 8A) ve nHAP / GNR kompozitinin (Şekil 8B) EDS spektrumlarını göstermektedir. nHAP / GNR spektrumundaki karbon içeriğindeki belirgin artış, üzerinde sadece küçük taze sentezlenmiş nHAP yamalarının gözlendiği GNR'lerin çoğundan kaynaklanmaktadır.

FTIR analizi

nHAP'ın GNR'lerle konjugasyonu FTIR spektrumları ile doğrulandı. Şekil 9, nHAP, GNR, nHAP/GNR ve GNR/nHAP'ın FTIR spektrumlarını göstermektedir. 600 cm-1'de düzlem dışı bükülme zirvesinin OH'si, GNR12'nin FTIR'ında görülür. P-O gerilmesine atfedilen 1030 cm-1'deki zirve, nHAP'ta gözlendi ve kimyasal bileşimini doğruladı15. Özellikle, nHAP'ın karakteristik P-O gerilme zirvesi nHAP / GNR ve GNR / nHAP'ta da bulundu ve her iki kompozitte de nHAP'ın varlığını gösterdi. Sadece kompozitlerde bulunan diğer iki pik, 1413 ve 1447 cm-1, sırasıyla GNR ve nHAP16'nın konjugasyonunu doğrulayan δCH 2 titreşimlerine ve karbonat grubuna (CO32−) atfedilir.

X-ışını kırınım (XRD) analizi
HAP'ın XRD paterni (adım 2.1) Şekil 10'da gösterilmiştir. Güçlü zirveler, malzemenin iyi kristalliğini gösterdi. Zirve pozisyonları ICDD standart verilerindekilerle iyi bir uyum içindeydi (PDF2 kartı: 00-009-0432). Bu, nHAP'ın altıgen kristal yapısını (P63 / m uzay grubu) daha da doğruladı, a = b = 0.940 nm ve c = 0.615 nm kafes parametreleri değerlerine sahipti. Sırasıyla 25.8°, 28.2°, 31.8°, 32.9°, 34.1°, 39.7°, 43.9°, 46.6° ve 49.4° değerlerinde (002), (102), (211), (300), (202), (310), (113), (222) ve (213) düzlemlerinin 2θ değerlerindeki göze çarpan, güçlü zirvelerden bazıları, sentezlenen nHAP 16,20,21'in saflığını doğruladı.

Termogravimetrik analiz (TGA)
Konjugatlardaki yükleme yüzdesini tahmin etmek için termogravimetrik analiz (TGA) kullanılmıştır (Şekil 11). TGA analizi sırasında kütlede üç belirgin kayıp belirgindi. 100 ° C'ye kadar olan sıcaklıklarda kütledeki ilk kayıp, sıkışmış fiziksel sudan kaynaklanmaktadır. 100 °C ila 200 °C arasındaki ikinci kayıp, GNR'nin karbon kurumuna ayrışmasından kaynaklanmaktadır. Bundan sonra 500 ° C'ye kadar kütledeki istikrarlı azalma, nHAP'ın kristalleşmesinden kaynaklanıyordu. Daha fazla ısıtma, komplekslerin ayrışmasına yol açtı. GNR/nHAP ve nHAP/GNR'de GNR varlığına bağlı kayıp sırasıyla %0.5 ile %0.98 arasında bulunmuştur. Bu nedenle, HAP'ın ana bileşen olarak bulunduğu ve GNR'lerin GNR / nHAP içinde yüzey odaklı olduğu önceki analizimizle iyi bir uyum içindedir. Öte yandan, GNR'ler nHAP / GNR'de bol miktarda bulunuyordu, burada nHAP, GNR'lerin uzun uzantıları üzerinde ayrı yamalar oluşturdu.

Figure 1
Şekil 1: Ters yönelimli grafen nanoribbon-hidroksiapatit hibrid kompozitlerin sentezlenmesi için şematik gösterim: (A) nHAP/GNR ve (B) GNR/nHAP. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: GNR'lerin yapısal analizi: (A) Çıplak GNR'lerin HRTEM analizi; (B) GNR'lerin iletim elektron modu (STEM) görüntülerinin taranması; ve (C) Kırmızı, yeşil, sarı ve mavi renklerin sırasıyla karbon, oksijen, fosfor ve kalsiyumu gösterdiği GNR'lerin element haritalaması. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: As-sentezlenmiş nHAP'ın yapısal analizi: (A) nHAP'ın HRTEM analizi; (B) nHAP'ın iletim elektron modu (STEM) görüntülerinin 100 nm'yi temsil eden iç ölçek çubuğu ile taranması; ve (C) Kırmızı, yeşil, sarı ve mavi renklerin sırasıyla karbon, oksijen, fosfor ve kalsiyumu gösterdiği nHAP'ın element haritalaması. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: Ticari olarak temin edilebilen önceden oluşturulmuş nHAP'ın yapısal analizi: (A) nHAP'ın HRTEM analizi; (B) nHAP'ın iletim elektron modu (STEM) görüntülerinin taranması; ve (C) Kırmızı, yeşil, sarı ve mavi renklerin sırasıyla karbon, oksijen, fosfor ve kalsiyumu gösterdiği nHAP'ın element haritalaması. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: Kofonksiyonel strateji ile sentezlenen nHAP/GNR'nin yapısal analizi: (A) nHAP/GNR'nin HRTEM analizi; (B) nHAP/GNR'nin iletim elektron modu (STEM) görüntülerinin taranması; ve (C) Kırmızı, yeşil, sarı ve mavi renklerin sırasıyla karbon, oksijen, fosfor ve kalsiyumu gösterdiği nHAP / GNR'nin element haritalaması. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 6
Şekil 6: GNR/nHAP'ın yapısal analizi: (A) GNR/nHAP'ın HRTEM analizi; (B) 50 nm'yi temsil eden iç ölçek çubuğu ile GNR/nHAP'ın iletim elektron modu (STEM) görüntülerinin taranması; ve (C) Kırmızı, yeşil, sarı ve mavi renklerin sırasıyla karbon, oksijen, fosfor ve kalsiyumu gösterdiği GNR / nHAP'ın element haritalanması. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 7
Şekil 7: GNR / nHAP nanokompozitinin EDS analizi: (A) GNR'ler, (B) ticari olarak temin edilebilen önceden oluşturulmuş nHAP ve (C) GNR / nHAP nanokompozit. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 8
Şekil 8: nHAP / GNR nanokompozitinin EDS analizi: (A) As-sentezlenmiş nHAP ve (B) nHAP / GNR. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 9
Şekil 9: Nanokompozitlerin FTIR analizi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 10
Şekil 10: nHAP'ın X-ışını kırınım (XRD) analizi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 11
Şekil 11: Nanokompozitlerin termogravimetrik analizi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ortopedik implantlar ve fiksasyon aksesuarları olarak çeşitli metaller, polimerler, seramikler ve bunların kombinasyonları araştırılmasına rağmen, HAP, kemiğin kendisine kimyasal benzerliği ve bunun sonucunda yüksek sitouyumluluk20,21,22 nedeniyle en çok tercih edilen malzemelerden biri olarak kabul edilmektedir. Bu çalışmada, HAP'ın oryantasyonu, osteogenez, osseointegrasyon ve osteoiletkenliğin teşviki gibi benzersiz özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilecek şekilde çeşitlendirilmiştir. Dahası, HAP'ın oryantasyonunu değiştirmek, nanokompozitlerin mekanik özelliklerini doğal kemiğinkini daha da taklit edecek şekilde etkileyebilir, çünkü vücuttaki uzun kemikler HA'nın kollajen ile anizotropik bir hizalamasına sahipken, küboidal kemikler kollajen ile rastgele bir HA düzenlemesine sahiptir. Doğal HAP'ın insan dişlerinin ve kemiklerinin ana bileşeni olmasına rağmen, fiziksel özelliklerinin büyük ölçüde reaksiyon süresi, pH, fosfat konsantrasyonu ve CaP faz23'ün kimyasal doğası gibi reaksiyon koşullarına bağlı olduğu belirtilmelidir. Bu nedenle, bu çalışmada, ultrason ışınlaması (UI) altında nHAP'ı 10'luk bir pH'ta sentezlemek için ıslak bir kimyasal yöntem kullanılmıştır. Barbosa ve ark. (2013) ayrıca UI'nin kalsinasyon olmadan sulu çökelti ile birlikte yüksek kristalinite ve özgüllük18 ile nHAP üreten basit, hızlı ve verimli bir yöntem olduğunu bildirmiştir.

Yapay olarak imal edilmiş HAP ile ilişkili biyomalzemelerin genellikle içsel kırılganlık, düşük kırılma tokluğu ve aşınma22 gibi zayıf mekanik özellikler sergilediğini belirtmek önemlidir. Bu nedenle, nHAP burada aşağıdakileri kolaylaştırmak için GNR'lerle güçlendirilmiştir: (i) nano-parçacıklarla ilişkili yüzey işlevselliği, (ii) kompleksteki arayüzdeki elektrostatik etkileşimler ve (iii) iskelelerin matrisinden nano-dolgu maddelerine stres transferi24,25,26. Burada takip edilen ıslak kimyasal sentez, ağırlıklı olarak daha büyük parçacıklara (~ 40 nm) toplanmış küçük asiküler parçacıklarda bozulmamış nHAP ile sonuçlandı. Bu sonuç, Barbosa et al. (2013) tarafından hazırlanan ve UI'nin "sıcak noktalar" olarak adlandırılan yakın mesafede kabarcık duvarları oluşturarak çekirdeklenmeyi indüklemede kritik bir rol oynadığı spekülasyonunun yapıldığı (2013) raporla iyi bir uyum içindedir18,27.

Hem konakçı hem de konuk parçacıkların parçacık boyutundaki bir azalmanın, akışkanlığı yalnızca belirli bir sınıra kadar artırabileceğini not etmek ilginçtir. Bundan sonra, konakçı parçacığın boyutunda daha fazla azalma, akışkanlığı olumsuz yönde etkileyen aglomerasyona yol açabilir28. Neredeyse parçacıksız bir çözeltide birincil çekirdeklenmeyi indüklemenin yanı sıra, UI yüksek aşırı doygunluk seviyelerini önler. Ayrıca, aşırı doygunluğun kurulması ile çekirdeklenme ve kristalleşmenin başlangıcı arasında geçen sürede UI aracılı azalma, nHAP'ın şekil evriminde ve GNR'lerde işlevselleşme paterninde anahtar olabilir. nHAP / GNR yapısı, reaksiyon sıcaklığının kümülatif etkisine, kabarcığın çökmesi nedeniyle ilişkili basınca ve mekansal olarak konsantre bölgelerde oluşturulan yüksek enerjili ajitasyona ek olarak şok dalgalarına bağlanabilir. Benzer şekilde, UI varlığında bozulmamış GNR ve nHAP'ın eşzamanlı olarak eklenmesiyle sentezlenen GNR / nHAP yapısı, aşırı doygunluğu artıran sonraki hızlı yerel soğutma hızlarına bağlanabilir. Basınçtaki lokalize bir artış da kristalleşme sıcaklığını düşürebilirken, aktivasyon enerjisinin yarattığı bariyer, GNR 18,27'nin yüzey işlevselleştirilmesi sırasında kavitasyon nedeniyle enerji transferi ile önemli ölçüde aşılabilir.

Bir rapor, sentez sırasında UI'nin (~ 30-120 dakika) aşırı uygulanmasının, nHAP kristallerinin kristalliğini ve / veya boyutunu azalttığını göstermektedir29. Bu, çalışmamızda gözlemlendiği gibi işlevselleşmenin yönelimini daha da belirleyebilir. Bu çalışmada bile, sonuçlar, nHAP sentezi sırasında nispeten uzun bir maruz kalma süresi (30 dakika) için UI'nin GNR'lerde nHAP birikimine yol açtığını göstermiştir. Öte yandan, önceden oluşturulmuş nHAP ve GNR'lerle 30 dakika boyunca UI, GNR'lerin küresel nHAP'larda birikmesine yol açtı. Bu nedenle, bu yöntem, iskele imalatı30,31 için GNR dahil kompozitler elde etmek üzere nHAP'ın büyük ölçekli üretimi için idealdir. Üstün mekanik özelliklere sahip bu tür yeni ters yönelimli kompozitler, kemik dokusu mühendisliği için önemli olabilir. Özellikle, Fan ve ark. (2014), grafenin tanıtılmasının sertliği ve Young'ın nHAP modülünü önemli ölçüde artırabileceğini ve bunun da bozulmamış grafen ve nHAP'a kıyasla daha yüksek osseointegrasyon (yani, üstün biyouyumluluk) sergilediğini bildirmiştir. ayrı ayrı32. Bu nedenle, üstün mekanik özelliklere ve biyouyumluluğa sahip GNR ve nHAP'lardan oluşan nanokompozitler, çok sayıda ortopedik uygulama için umut verici biyomalzemeler olabilir33,34,35.

Bununla birlikte, zıt yönelimlere sahip nanohibritlerin üretimindeki en büyük zorluk, nanokompozitlerin istenen oryantasyonunu elde etmek için reaksiyon parametrelerinin kesinlikle takip edilmesi gerektiğidir36,37. Dahası, birlikte işlevselleştirme stratejisinde, iğne şeklindeki nHAP'ın daha az miktarı GNR'lere bırakıldı ve bu da kemik dokusu rejenerasyonu ve mekanik mukavemet potansiyellerini azaltabilir. Her iki yöntemde de nHAP'ın şekilleri farklıdır, bu da osteogenez miktarını önemli ölçüde etkileyebilir ve dolayısıyla biyomedikal uygulamalar için çeşitli özelliklere neden olabilir.

Sonuç olarak, burada, GNR ve nHAP'tan oluşan nanokompozitleri, ortopedide potansiyel uygulamaları olabilecek zıt mekansal düzenlemelerle sentezledik. Sonuçlar, nHAP morfolojisinin ve işlevselleştirme süresinin (yani, işlevselleştirmenin sentezden sonra mı yoksa nHAP senteziyle aynı anda mı gerçekleştiği) nanokompozitlerdeki nHAP ve GNR'lerin yönelimini belirlediğini göstermiştir. Sentez sırasında birlikte işlevselleştirme nHAP / GNR'lerle sonuçlanırken, önceden oluşturulmuş nHAP ile işlevselleştirme GNR / nHAP ile sonuçlandı. Bu nanokompozitler, osteogenezi teşvik etmek için iskeleler geliştirmek için uygulanabilir olabilir ve bu nedenle, daha fazla araştırmalarını garanti eden rejeneratif nanotıpta önemli bir vaatte bulunurlar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların çıkar çatışması yoktur.

Acknowledgments

Dr. Sougata Ghosh, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı (DST), Bilim ve Teknoloji Bakanlığı, Hindistan Hükümeti ve Jawaharlal Nehru İleri Bilimsel Araştırma Merkezi, Hindistan'ı, Nano Bilim ve Teknolojide Doktora Sonrası Denizaşırı Bursu (19 Ağustos 2019 tarihli Ref. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260) kapsamında finansman için kabul etmektedir. Dr. Sougata Ghosh, Kasetsart Üniversitesi, Bangkok, Tayland'da Doktora Sonrası Bursu ve Reinventing University Programı kapsamında finansman için teşekkür etmektedir (9 Kasım 2021 tarihli Ref. No. 6501.0207/10870). Yazarlar, karakterizasyon deneylerindeki yardımları için Kostas Gelişmiş Nano-Karakterizasyon Tesisi'ne (KANCF) teşekkür eder. KANCF, Northeastern Üniversitesi'ndeki Kostas Araştırma Enstitüsü (KRI) bünyesinde paylaşılan çok disiplinli bir araştırma ve eğitim tesisidir.

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

Biyomühendislik Sayı 185 Nanotıp grafen nanoşeritler hidroksiapatit ters yönelim iskeleler
Kemik Doku Mühendisliğinde Potansiyel Kullanım için Grafen-Hidroksiapatit Nanokompozitlerin Sentezi
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