Summary
समाधान-चरण संश्लेषण का उपयोग करके ग्राफीन नैनोरिबन और हाइड्रॉक्सीपेटाइट नैनोकणों के उपन्यास नैनोकंपोजिट तैयार किए गए थे। बायोएक्टिव मचानों में नियोजित होने पर ये संकर ऊतक इंजीनियरिंग और हड्डी पुनर्जनन में संभावित अनुप्रयोगों का प्रदर्शन कर सकते हैं।
Abstract
हड्डी ऊतक इंजीनियरिंग के लिए उपन्यास सामग्री विकसित करना नैनोमेडिसिन के सबसे महत्वपूर्ण जोर क्षेत्रों में से एक है। सेल पालन, प्रसार और ऑस्टियोजेनेसिस की सुविधा के लिए हाइड्रॉक्सीपेटाइट के साथ कई नैनोकंपोजिट बनाए गए हैं। इस अध्ययन में, हाइब्रिड नैनोकंपोजिट्स को ग्राफीन नैनोरिबन (जीएनआर) और हाइड्रोक्सीपेटाइट (एनएचएपी) के नैनोकणों का उपयोग करके सफलतापूर्वक विकसित किया गया था, जो बायोएक्टिव मचानों में नियोजित होने पर संभावित रूप से हड्डी के ऊतकों के उत्थान में सुधार कर सकते हैं। ये नैनोस्ट्रक्चर जैव संगत हो सकते हैं। यहां, उपन्यास सामग्री तैयार करने के लिए दो दृष्टिकोणों का उपयोग किया गया था। एक दृष्टिकोण में, एक सह-कार्यात्मकरणनीति का उपयोग किया गया था जहां एनएचएपी को संश्लेषित किया गया था और एक साथ जीएनआर के लिए संयुग्मित किया गया था, जिसके परिणामस्वरूप जीएनआर सतहों पर एनएचएपी के नैनोहाइब्रिड (एनएचएपी / उच्च-रिज़ॉल्यूशन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एचआरटीईएम) ने पुष्टि की कि एनएचएपी / जीएनआर समग्र में जीएनआर की पतली, पतली संरचनाएं (1.8 μm की अधिकतम लंबाई) सुई जैसी एनएचएपी (लंबाई में 40-50 एनएम) के असतत पैच (150-250 एनएम) के साथ शामिल हैं। दूसरे दृष्टिकोण में, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एनएचएपी को जीएनआर-लेपित एनएचएपी (जीएनआर / एनएचएपी के रूप में निरूपित) (यानी, एनएचएपी / जीएनआर नैनोहाइब्रिड के सापेक्ष विपरीत अभिविन्यास के साथ) बनाने वाले जीएनआर के साथ संयुग्मित किया गया था। बाद की विधि का उपयोग करके गठित नैनोहाइब्रिड ने सतह पर जीएनआर के नेटवर्क के साथ कवर किए गए 50 एनएम से 70 एनएम तक के व्यास के साथ एनएचएपी नैनोस्फीयर का प्रदर्शन किया। ऊर्जा फैलाने वाला स्पेक्ट्रा, मौलिक मानचित्रण, और फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड (एफटीआईआर) स्पेक्ट्रा ने दोनों नैनोहाइब्रिड में एनएचएपी और जीएनआर के सफल एकीकरण की पुष्टि की। थर्मोग्रेविमेट्रिक विश्लेषण (टीजीए) ने संकेत दिया कि जीएनआर की उपस्थिति के कारण ऊंचे हीटिंग तापमान पर नुकसान जीएनआर / एनएचएपी और एनएचएपी / जीएनआर के लिए क्रमशः 0.5% और 0.98% था। विपरीत झुकाव के साथ एनएचएपी-जीएनआर नैनोहाइब्रिड हड्डी ऊतक इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में सुधार के लिए सेलुलर कार्यों को संभावित रूप से बढ़ावा देने के लिए बायोएक्टिव मचान में उपयोग के लिए महत्वपूर्ण सामग्रियों का प्रतिनिधित्व करते हैं।
Introduction
ग्राफीन में शीट जैसी द्वि-आयामी संरचनाएं होती हैं जो सपा-संकरित कार्बन से बनी होती हैं। कई अन्य अलॉट्रोप्स को ग्राफीन के विस्तारित मधुकोश नेटवर्क के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है (उदाहरण के लिए, ग्राफीन शीट का ढेर 3 डी ग्रेफाइट बनाता है जबकि एक ही सामग्री को रोल करने से 1 डी नैनोट्यूब1 का निर्माण होता है)। इसी तरह, 0 डी फुलरीन रैपिंग2 के कारण बनते हैं। ग्राफीन में आकर्षक भौतिक रासायनिक और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुण होते हैं जिनमें एक द्विध्रुवीय क्षेत्र-प्रभाव और कमरे के तापमान 3,4 पर क्वांटम हॉल प्रभाव शामिल होता है। एकल-अणु सोखना घटनाओं का पता लगाना और अत्यंत उच्च वाहक गतिशीलता ग्राफीन 5,6 की आकर्षक विशेषताओं में जोड़ती है। इसके अलावा, संकीर्ण चौड़ाई और एक बड़े माध्य मुक्त पथ के साथ ग्राफीन नैनोरिबन (जीएनआर), उच्च वर्तमान घनत्व के साथ कम प्रतिरोधकता, और उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता को आशाजनक इंटरकनेक्टिंग सामग्री माना जाता है7. इसलिए, जीएनआर को उपकरणों के असंख्य में अनुप्रयोगों के लिए खोजा जा रहा है, और हाल ही में नैनोमेडिसिन, विशेष रूप से ऊतक इंजीनियरिंग और दवा वितरण8 में।
विभिन्न दर्दनाक बीमारियों में, हड्डी की चोटों को फ्रैक्चर को स्थिर करने, पुनर्जनन और नई हड्डी के साथ प्रतिस्थापन, संक्रमण का विरोध करने और हड्डी के गैर-संघों 9,10 को फिर से संरेखित करने में कठिनाइयों के कारण सबसे चुनौतीपूर्ण माना जाता है। सर्जिकल प्रक्रियाएं ऊरु शाफ्ट फ्रैक्चर के लिए एकमात्र विकल्प बनी हुई हैं। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि मध्य अमेरिका और यूरोप में हड्डी की चोटों के इलाज पर हर साल लगभग $ 52 मिलियन खर्च किए जातेहैं।
हड्डी ऊतक इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए बायोएक्टिव मचान नैनो-हाइड्रॉक्सीपेटाइट (एनएचएपी) को शामिल करके अधिक प्रभावी हो सकते हैं, क्योंकि वे हड्डी के सूक्ष्म और नैनो वास्तुशिल्प गुणों से मिलते जुलते हैं12. पी दाढ़ अनुपात 1.67 के साथ रासायनिक रूप से सीए10 (पीओ4) 6 (ओएच) 2 के रूप में दर्शाया गया है, जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए सबसे पसंदीदा है, विशेष रूप से पीरियडोंटल दोषों के इलाज के लिए, कठोर ऊतकों का प्रतिस्थापन, और ऑर्थोपेडिक सर्जरी13,14 के लिए प्रत्यारोपण का निर्माण। इस प्रकार, जीएनआर के साथ प्रबलित एनएचएपी-आधारित बायोमैटेरियल्स के निर्माण में बेहतर जैव संगतता हो सकती है और ओसियोइंटीग्रेशन को बढ़ावा देने और ओस्टियोकंडक्टिव15,16 होने की उनकी क्षमता के कारण फायदेमंद हो सकता है। इस तरह के हाइब्रिड समग्र मचान जैविक गुणों को संरक्षित कर सकते हैं जैसे कि सेल पालन, प्रसार, प्रसार और भेदभाव17. यहां, हम एनएचएपी और जीएनआर की स्थानिक व्यवस्था को तर्कसंगत रूप से बदलकर हड्डी ऊतक इंजीनियरिंग के लिए दो नए नैनोकंपोजिट के निर्माण की रिपोर्ट करते हैं जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। यहां दो अलग-अलग एनएचएपी-जीएनआर व्यवस्थाओं के रासायनिक और संरचनात्मक गुणों का मूल्यांकन किया गया था।
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Protocol
1. वर्षा द्वारा एनएचएपी का संश्लेषण
- 1 एम सीए (नहीं3) 2 4 एच 2 ओ और 0.67 एम(एनएच 4) एच2पीओ 4 युक्त प्रतिक्रिया मिश्रण के 50 एमएल का उपयोग करके प्राचीन एनएचएपी को संश्लेषित करें, इसके बाद एनएच4ओएच (25%) के ड्रॉपवाइज जोड़ ने 1018 के आसपास पीएच बनाए रखने के लिए।
- इसके बाद, 30 मिनट (500 डब्ल्यू पावर और 20 किलोहर्ट्ज अल्ट्रासाउंड आवृत्ति) के लिए अल्ट्रासाउंड विकिरण (यूआई) द्वारा प्रतिक्रिया मिश्रण को उत्तेजित करें।
- परिणामी समाधान को कमरे के तापमान पर 120 घंटे के लिए परिपक्व होने दें जब तक कि एनएचएपी का सफेद अवक्षेप व्यवस्थित न हो जाए। कमरे के तापमान पर 5 मिनट के लिए 1398 x g पर सेंट्रीफ्यूजेशन द्वारा एनएचएपी को पुनर्प्राप्त करें।
- विआयनीकृत (डीआई) पानी 3x के साथ अवक्षेप को धो लें और 48 घंटे के लिए लियोफिलाइज़ करें। सूखे पाउडर को 4 डिग्री सेल्सियस पर स्टोर करें।
2. एनएचएपी/जीएनआर नैनोकम्पोजिट तैयार करना
नोट: निम्नलिखित एनएचएपी /जीएनआर (यानी, जीएनआर सतहों पर एनएचएपी) और जीएनआर /एनएचएपी (जीएनआर-लेपित एनएचएपी) नैनोकंपोजिट बनाने के लिए दो दृष्टिकोणों का वर्णन करता है जो एनएचएपी और जीएनआर (चित्रा 1) की दो अलग-अलग स्थानिक व्यवस्थाओं का प्रतिनिधित्व करते हैं।
- एनएचएपी/जीएनआर का संश्लेषण
- एनएचएपी/जीएनआर नैनोकम्पोजिट तैयार करने के लिए, एक सह-कार्यात्मकरणनीति का उपयोग करें जहां एनएचएपी को संश्लेषित किया जा सकता है और जीएनआर को एक साथ संयुग्मित किया जा सकता है, जैसा कि निम्नानुसार है।
- 1 एम कैल्शियम नाइट्रेट टेट्राहाइड्रेट [सीए (एनओ3) 2 ·4 एच 2 ओ] और 0.67 एम डायमोनियम हाइड्रोजन फॉस्फेट [(एनएच4)2एचपीओ4] के मिश्रण में 5 मिलीग्राम जीएनआर (सामग्री की तालिका) को 50 एमएल अंतिम मात्रा19 में भंग करें।
- इस प्रतिक्रिया के दौरान, पीएच को ~ 10 पर बनाए रखने के लिए एनएच4ओएच ड्रॉपवाइज का 25% जोड़ें। 30 मिनट के लिए यूआई द्वारा परिणामी मिश्रण आंदोलन।
- प्रतिक्रिया के पूरा होने के बाद, परिपक्वता तक कमरे के तापमान पर 120 घंटे के लिए समाधान छोड़ दें।
- एनएचएपी के जिलेटिनस अवक्षेप के गठन का निरीक्षण करें जो जीएनआर को कोट करता है, जिसके बाद एनएचएपी / जीएनआर का एक सफेद अवक्षेप व्यवस्थित होता है।
- कमरे के तापमान पर 5 मिनट के लिए 1398 x g पर सेंट्रीफ्यूजेशन द्वारा अवक्षेप 3x धो लें, इसके बाद डीआई पानी में फिर से फैलाव हो।
- 48 घंटे के लिए बरामद धोया अवक्षेप लियोफिलाइज़ करें। सूखे पाउडर को 4 डिग्री सेल्सियस पर स्टोर करें।
- नियंत्रण नमूनों के रूप में प्राचीन एनएचएपी और जीएनआर का उपयोग करें।
- जीएनआर/एनएचएपी नैनोकम्पोजिट का संश्लेषण
- 5 मिलीग्राम जीएनआर के साथ पूरक डीआई पानी के 50 मिलीलीटर में 5 मिलीग्राम / एमएल की एकाग्रता पर व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एनएचएपी को निलंबित करें।
- 30 मिनट के लिए यूआई द्वारा परिणामी मिश्रण को उत्तेजित करें और उसके बाद मिश्रण को कमरे के तापमान पर 120 घंटे के लिए छोड़ दें।
- परिपक्वता के बाद, कमरे के तापमान पर 5 मिनट के लिए 1398 x g पर सेंट्रीफ्यूजेशन द्वारा परिणामी जीएनआर /
- डीआई पानी का उपयोग करके नमूना 3 एक्स धो लें, इसे 48 घंटे के लिए लियोफिलाइज़ करें, और आगे के उपयोग के लिए सूखे पाउडर को 4 डिग्री सेल्सियस पर स्टोर करें।
3. एनएचएपी, एनएचएपी/जीएनआर और जीएनआर/एनएचएपी की विशेषता
- नैनोकम्पोजिट्स की आकृति विज्ञान और आकार को चिह्नित करने के लिए एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एचआरटीईएम) ( सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग करें11.
- ऊर्जा फैलाने वाले स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईडीएस) को नियोजित करने वाले नैनोकंपोजिट्स की मौलिक संरचना का विश्लेषण करें और स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसटीईएम) 11 का उपयोग करके मौलिक मानचित्रण करें।
- नैनोकम्पोजिट16 में रासायनिक समूहों का विश्लेषण करने के लिए 500-4000 सेमी−1 की तरंग संख्या में साफ नमूनों के लिए फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड (एफटीआईआर) स्पेक्ट्रोस्कोपी करें।
- 1.5406 ए के एक्स-रे तरंग दैर्ध्य, क्रमशः 40 एमए और 40 केवी की वर्तमान और वोल्टेज सेटिंग्स का उपयोग करके संश्लेषित एनएचएपी का पाउडर एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) विश्लेषण करें, और 2θ 20 ° से 90 ° तक।
- नाइट्रोजन प्रवाह के तहत 10 डिग्री सेल्सियस / मिनट की दर से कमरे के तापमान से 1000 डिग्री सेल्सियस तक नमूनों को गर्म करके थर्मोग्रेविमेट्रिक विश्लेषण (टीजीए) का उपयोग करके नैनोकम्पोजिट में जीएनआर के प्रतिशत लोडिंग का मूल्यांकन करें।
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Representative Results
एचआरटीईएम विश्लेषण
व्यक्तिगत रूप से, जीएनआर कुछ दूरी पर कुछ झुकाव के साथ पतले बांस जैसी संरचनाएं थीं जैसा कि चित्र 2 में देखा गया है। सबसे लंबा जीएनआर 1.841 μm था जबकि सबसे छोटा झुका हुआ जीएनआर 497 एनएम था। नैनोरिबन अक्सर चौड़ाई में एक दृश्यमान भिन्नता दिखाते हैं जिसे कई स्थानों पर पेचदार कॉन्फ़िगरेशन बनाने के लिए घुमाने के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। जीएनआर के इस तरह के यूनिडायरेक्शनल संरेखण चुंबकीय गुणों, चालकता या गर्मी परिवहन जैसी आकर्षक विशेषताओं को प्राप्त करने में मदद करसकते हैं 7.
कमरे के तापमान (चरण 1) पर कैल्शियम नाइट्रेट टेट्राहाइड्रेट और डायमोनियम हाइड्रोजन फॉस्फेट का उपयोग करके संश्लेषित एनएचएपी 40 एनएम से 50 एनएम (चित्रा 3) तक के आकार के साथ रॉड के आकार या सुई की तरह थे। एकत्रीकरण और क्रिस्टलीय वृद्धि के कारण गुच्छों में संश्लेषित नैनोमैटेरियल्स पाए गए। दूसरी ओर, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एनएचएपी का उपयोग गोलाकार (चित्रा 4) था; ये नैनोस्फीयर व्यास में 50-70 एनएम थे और 15-20 गोले के असतत समूहों में मौजूद थे।
एनएचएपी को सह-कार्यात्मकरणनीति (चरण 2.1) में जीएनआर (एनएचएपी / जीएनआर के रूप में दर्शाया गया) पर सीटू में जमा किया गया था। जीएनआर और एनएचएपी के परिणामस्वरूप नैनोकंपोजिट में अत्यधिक छिद्रपूर्ण परस्पर नैनोस्ट्रक्चर शामिल थे। पैच (चित्रा 5) में जीएनआर सतह को कवर करने वाली सुई जैसे एनएचएपी की प्रबलता को जीएनआर के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है जो एनएचएपी न्यूक्लिएशन के लिए नैनो-फीचर्ड मचान के रूप में काम करते हैं। एनएचएपी पैच लंबाई और चौड़ाई (चित्रा 5 ए, बी) में 150 एनएम और 250 एनएम के बीच पाए गए थे। मौलिक मानचित्रण ने पुष्टि की कि जीएनआर पर मध्यवर्ती नोडल पैच वास्तव में मौलिक कैल्शियम और फॉस्फोरस (चित्रा 5 सी) की उपस्थिति के कारण एनएचएपी थे।
अन्य विधि (चरण 2.2) में, पूर्व-गठित एनएचएपी को जीएनआर के लिए संयुग्मित किया गया था, जिसके कारण जीएनआर-लेपित एनएचएपी का गठन हुआ (जीएनआर / एनएचएपी के रूप में दर्शाया गया, यानी, एनएचएपी / जीएनआर समग्र की तुलना में रिवर्स ओरिएंटेशन के साथ)। इस मामले में, जीएनआर ने गोलाकार एनएचएपी नैनोकणों (चित्रा 6) की सतह पर पतली फिल्मों का गठन किया।
दिलचस्प बात यह है कि चित्रा 2 ए में स्पष्ट रूप से जीएनआर की परिधि में देखे गए झुकाव और कन्वोल्यूशन ज्यादातर कम स्थिरता गुणों के लिए जिम्मेदार हैं जो एनएचएपी के साथ यांत्रिक बातचीत और लगाव को काफी बढ़ा सकते हैं जैसा कि चित्रा 5 और चित्रा 6 में देखा गया है। इसके अलावा, प्राचीन जीएनआर का बड़ा सतह क्षेत्र भी अधिक एनएचएपी लोडिंग में मदद करता है। इसके अलावा, 120 घंटे के लिए समग्र समाधान की उम्र बढ़ने के परिणामस्वरूप अत्यधिक क्रिस्टलीय हाइड्रॉक्सीपेटाइट (चित्रा 3 और चित्रा 5) में एपेटाइट का पूर्ण रूपांतरण हुआ। जीएनआर सतह के ऑक्सीजन-आधारित कार्यात्मक समूह इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से सीए2+ के साथ बातचीत करते हैं, जो रिसेप्टर साइट के रूप में कार्य करते हैं। एपेटाइट नैनोस्ट्रक्चर को इन लंगर वाले उद्धरणों और फॉस्फेट आयनों (चरण 2.1) के बीच सीटू प्रतिक्रिया के कारण आगे प्राप्त किया जा सकता है। जीएनआर सतह पर माइक्रोस्ट्रक्चर्ड एनएचएपी का अभिविन्यास कई कारकों द्वारा नियंत्रित किया जाता है जिसमें ग्राफीन-आधारित टेम्पलेट्स पर ऑक्सीजन समूहों की मात्रा और प्रकार, अग्रदूतों की सापेक्ष एकाग्रता (सीए2 + और एचपीओ42-), प्रतिक्रिया मिश्रण का पीएच, और परिपक्वता समय शामिल है। प्रतिक्रिया स्थितियों के संचयी प्रभाव के परिणामस्वरूप एनएचएपी नैनोस्फीयर की सतह पर पारदर्शी जीएनआर के लपेटने के परिणामस्वरूप संभवतः गैर-सहसंयोजक भौतिक सोखना के कारण।
ऊर्जा फैलाव स्पेक्ट्रा (ईडीएस) विश्लेषण
प्रमुख घटकों और नैनोकम्पोजिट की मौलिक संरचना की पुष्टि करने के लिए, एक ऊर्जा फैलाने वाला वर्णक्रमीय विश्लेषण किया गया था। चित्रा 7 ए में, प्राचीन जीएनआर के ईडीएस स्पेक्ट्रा ने एक कार्बन चोटी दिखाई जो जीएनआर से मेल खाती है, जबकि एचआरटीईएम विश्लेषण के दौरान बढ़ते नमूनों के लिए उपयोग किए जाने वाले ग्रिड के लिए जिम्मेदार तांबे को छोड़कर कोई अन्य चोटियों को नहीं देखा गया था। चित्रा 7 बी व्यावसायिक रूप से उपलब्ध पूर्व-गठित एनएचएपी नैनोस्फीयर के ईडीएस स्पेक्ट्रम को दर्शाता है जहां कार्बन और तांबे की चोटियों को एचआरटीईएम विश्लेषण के दौरान नमूनों को बढ़ाने के लिए उपयोग किए जाने वाले कार्बन-लेपित तांबे के ग्रिड के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है। चित्रा 7 सी में, कार्बन सामग्री में स्पष्ट वृद्धि को जीएनआर के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था, जबकि कैल्शियम और फॉस्फोरस के लिए विशिष्ट अन्य चोटियां जीएनआर / एनएचएपी नैनोकंपोजिट में एनएचएपी के कारण थीं। चित्रा 8 के रूप में संश्लेषित एनएचएपी (चरण 1) (चित्रा 8 ए) और एनएचएपी / जीएनआर समग्र (चित्रा 8 बी) के ईडीएस स्पेक्ट्रा से पता चलता है। एनएचएपी/जीएनआर स्पेक्ट्रम में कार्बन सामग्री में उल्लेखनीय वृद्धि अधिकांश जीएनआर के कारण हुई है, जिस पर ताजा संश्लेषित एनएचएपी के केवल छोटे पैच देखे गए थे।
एफटीआईआर विश्लेषण
एफटीआईआर स्पेक्ट्रा के माध्यम से जीएनआर के साथ एनएचएपी के संयुग्मन की पुष्टि की गई थी। चित्रा 9 एनएचएपी, जीएनआर, एनएचएपी / जीएनआर, और जीएनआर / एनएचएपी के एफटीआईआर स्पेक्ट्रा को दर्शाता है। 600 सेमी -1 पर विमान झुकने वाली चोटी से ओएच जीएनआर12 के एफटीआईआर में देखा जाता है। 1030 सेमी -1 पर चोटी, पी-ओ स्ट्रेचिंग के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था, एनएचएपी में मनाया गया था, इसकी रासायनिक संरचना15 की पुष्टि करता है। विशेष रूप से, एनएचएपी की विशेषता पी-ओ स्ट्रेचिंग पीक एनएचएपी / जीएनआर और जीएनआर / एनएचएपी में भी पाई गई थी, जो दोनों कंपोजिट में एनएचएपी की उपस्थिति का संकेत देती है। केवल कंपोजिट में पाए जाने वाले अन्य दो शिखर, 1413 और 1447 सेमी -1 को क्रमशः δCH2 कंपन और कार्बोनेट समूह (CO32−) के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है, जो जीएनआर और एनएचएपी16 के संयुग्मन की पुष्टि करते हैं।
एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) विश्लेषण
एचएपी (चरण 2.1) का एक्सआरडी पैटर्न चित्र 10 में दिखाया गया है। मजबूत चोटियों ने सामग्री की अच्छी क्रिस्टलीयता का संकेत दिया। चोटी की स्थिति आईसीडीडी मानक डेटा (पीडीएफ2 कार्ड: 00-009-0432) में उन लोगों के साथ अच्छे समझौते में थी। इसने एनएचएपी की हेक्सागोनल क्रिस्टल संरचना (पी 63 /एम स्पेस ग्रुप) की पुष्टि की, जिसमें ए = बी = 0.940 एनएम और सी = 0.615 एनएम के जाली पैरामीटर मान हैं। 25.8 °, 28.2 °, 31.8 °, 32.9 °, 34.1 °, 39.7 °, 43.9 °, 46.6 °, और 49.4 ° के 2θ मूल्यों पर कुछ प्रमुख, मजबूत चोटियों (002), (102), (211), (300), (202), (310), (113), (222), और (213) के अनुरूप
थर्मोग्रेविमेट्रिक विश्लेषण (टीजीए)
थर्मोग्रेविमेट्रिक विश्लेषण (टीजीए) संयुग्मों (चित्रा 11) में लोडिंग प्रतिशत का अनुमान लगाने के लिए नियोजित किया गया था। टीजीए विश्लेषण के दौरान द्रव्यमान में तीन प्रमुख नुकसान स्पष्ट थे। 100 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान पर द्रव्यमान में प्रारंभिक हानि फंसे हुए भौतिक पानी के कारण होती है। 100 डिग्री सेल्सियस से 200 डिग्री सेल्सियस के बीच दूसरा नुकसान कार्बन कालिख में जीएनआर के अपघटन के कारण होता है। इसके बाद 500 डिग्री सेल्सियस तक द्रव्यमान में लगातार कमी एनएचएपी के क्रिस्टलीकरण के कारण थी। आगे हीटिंग ने परिसरों के अपघटन का नेतृत्व किया। जीएनआर की उपस्थिति के कारण हानि जीएनआर/एनएचएपी और एनएचएपी/जीएनआर में क्रमश 05% और 098% के बीच पाई गई। इसलिए, यह हमारे पिछले विश्लेषण के साथ अच्छे समझौते में है जहां एचएपी को प्रमुख घटक के रूप में पाया गया था और जीएनआर जीएनआर / एनएचएपी के भीतर सतह-उन्मुख थे। दूसरी ओर, एनएचएपी/जीएनआर में जीएनआर प्रचुर मात्रा में थे, जिसमें एनएचएपी ने जीएनआर के लंबे हिस्सों पर असतत पैच का गठन किया था।
चित्रा 1: रिवर्स-ओरिएंटेड ग्राफीन नैनोरिबन-हाइड्रॉक्सीपेटाइट हाइब्रिड कंपोजिट को संश्लेषित करने के लिए योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व: (ए) एनएचएपी / कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 2: जीएनआर का संरचनात्मक विश्लेषण: (ए) नंगे जीएनआर का एचआरटीईएम विश्लेषण; (बी) जीएनआर की ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन मोड (एसटीईएम) छवियों को स्कैन करना; और (सी) जीएनआर का मौलिक मानचित्रण, जहां लाल, हरा, पीला और नीला रंग क्रमशः कार्बन, ऑक्सीजन, फास्फोरस और कैल्शियम को दर्शाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 3: के रूप में संश्लेषित एनएचएपी का संरचनात्मक विश्लेषण: (ए) एनएचएपी का एचआरटीईएम विश्लेषण; (बी) 100 एनएम का प्रतिनिधित्व करने वाले इनसेट स्केल बार के साथ एनएचएपी की ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन मोड (एसटीईएम) छवियों को स्कैन करना; और (सी) एनएचएपी का मौलिक मानचित्रण जहां लाल, हरा, पीला और नीला रंग क्रमशः कार्बन, ऑक्सीजन, फास्फोरस और कैल्शियम को दर्शाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 4: व्यावसायिक रूप से उपलब्ध पूर्व-गठित एनएचएपी का संरचनात्मक विश्लेषण: (ए) एनएचएपी का एचआरटीईएम विश्लेषण; (बी) एनएचएपी की ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन मोड (एसटीईएम) छवियों को स्कैन करना; और (सी) एनएचएपी का मौलिक मानचित्रण जहां लाल, हरा, पीला और नीला रंग क्रमशः कार्बन, ऑक्सीजन, फास्फोरस और कैल्शियम को दर्शाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 5: सह-कार्यात्मकरणनीति द्वारा संश्लेषित एनएचएपी /जीएनआर का संरचनात्मक विश्लेषण: (ए) एनएचएपी / जीएनआर का एचआरटीईएम विश्लेषण; (बी) एनएचएपी /जीएनआर की ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन मोड (एसटीईएम) छवियों को स्कैन करना; जीएनआर का मौलिक मानचित्रण जहां लाल, हरा, पीला और नीला रंग क्रमशः कार्बन, ऑक्सीजन, फास्फोरस और कैल्शियम को दर्शाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 6: जीएनआर/एनएचएपी का संरचनात्मक विश्लेषण: (ए) जीएनआर/एनएचएपी का एचआरटीईएम विश्लेषण; (बी) 50 एनएम का प्रतिनिधित्व करने वाले इनसेट स्केल बार के साथ जीएनआर / एनएचएपी की ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन मोड (एसटीईएम) छवियों को स्कैन करना; एनएचएपी का मौलिक मानचित्रण जहां लाल, हरा, पीला और नीला रंग क्रमशः कार्बन, ऑक्सीजन, फास्फोरस और कैल्शियम को दर्शाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 7: जीएनआर / एनएचएपी नैनोकम्पोजिट का ईडीएस विश्लेषण: (ए) जीएनआर, (बी) व्यावसायिक रूप से उपलब्ध पूर्व-गठित एनएचएपी, और (सी) जीएनआर / कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
जीएनआर नैनोकम्पोजिट का ईडीएस विश्लेषण: (ए) एएस-संश्लेषित एनएचएपी और (बी) एनएचएपी / जीएनआर। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्र 9: नैनोकंपोजिट्स का एफटीआईआर विश्लेषण। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्र 10: एनएचएपी का एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) विश्लेषण। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्र 11: नैनोकम्पोजिट्स का थर्मोग्रेविमेट्रिक विश्लेषण। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
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Discussion
यद्यपि विभिन्न धातुओं, पॉलिमर, चीनी मिट्टी की चीज़ें, और उनके संयोजनों को आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण और निर्धारण सहायक उपकरण के रूप में शोध किया गया है, एचएपी को हड्डी के लिए इसकी रासायनिक समानता और परिणामस्वरूप उच्च साइटोकॉम्पैटिबिलिटी20,21,22 के कारण सबसे बेहतर सामग्रियों में से एक माना जाता है। इस अध्ययन में, एचएपी का अभिविन्यास विविध था, जो इसके अद्वितीय गुणों पर महत्वपूर्ण प्रभाव डाल सकता है, जैसे कि ऑस्टियोजेनेसिस, ओसियोइंटीग्रेशन और ऑस्टियोकंडक्टिविटी को बढ़ावा देना। इसके अलावा, एचएपी के अभिविन्यास को बदलने से नैनोकम्पोजिट्स के यांत्रिक गुणों को प्राकृतिक हड्डी की नकल करने के लिए प्रभावित किया जा सकता है, क्योंकि शरीर में लंबी हड्डियों में कोलेजन के साथ एचए का अनिसोट्रोपिक संरेखण होता है, जबकि घनाभ हड्डियों में कोलेजन के साथ एचए की यादृच्छिक व्यवस्था होती है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यद्यपि प्राकृतिक एचएपी मानव दांतों और हड्डियों का मुख्य घटक है, इसके भौतिक गुण काफी हद तक प्रतिक्रिया की स्थिति जैसे प्रतिक्रिया समय, पीएच, फॉस्फेट एकाग्रता और सीएपी चरण23 की रासायनिक प्रकृति पर निर्भर हैं। इसलिए, इस अध्ययन में, अल्ट्रासाउंड विकिरण (यूआई) के तहत 10 के पीएच पर एनएचएपी को संश्लेषित करने के लिए एक गीली रासायनिक विधि का उपयोग किया गया था। बारबोसा एट अल (2013) ने यह भी बताया कि कैल्सीनेशन के बिना जलीय वर्षा के साथ संयोजन के रूप में यूआई एक सरल, तेज और कुशल विधि है जो उच्च क्रिस्टलीयता और विशिष्टता18 के साथ एनएचएपी उत्पन्न करती है।
यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि कृत्रिम रूप से निर्मित एचएपी से जुड़े बायोमैटेरियल्स अक्सर खराब यांत्रिक गुणों का प्रदर्शन करते हैं जिसमें आंतरिक भंगुरता, कम फ्रैक्चर क्रूरता और पहनने22 शामिल हैं। इसलिए, एनएचएपी को यहां जीएनआर के साथ प्रबलित किया जाता है ताकि सुविधा हो सके: (i) नैनो-कणों से जुड़ी सतह कार्यात्मकता, (ii) परिसर में इंटरफ़ेस पर इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन, और (iii)मचानों के मैट्रिक्स से नैनो-फिलर्स में तनाव का हस्तांतरण 24,25,26। यहां पीछा किए गए गीले रासायनिक संश्लेषण के परिणामस्वरूप प्राचीन एनएचएपी मुख्य रूप से छोटे एसिकुलर कणों में बड़े कणों (~ 40 एनएम) में ढेर हो गया। यह परिणाम बारबोसा एट अल (2013) की रिपोर्ट के साथ समझौते में अच्छी तरह से है, जहां यह अनुमान लगाया गया था कि यूआई ने निकटता में बुलबुला दीवारों का निर्माण करके न्यूक्लिएशन को प्रेरित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई, जिसे "हॉट-स्पॉट" 18,27 कहा जाता है।
यह ध्यान रखना दिलचस्प है कि मेजबान और अतिथि कणों दोनों के कण आकार में कमी केवल एक निश्चित सीमा तक प्रवाह क्षमता को बढ़ा सकती है। इसके बाद, मेजबान कण के आयाम में और कमी से ढेर हो सकता है जो प्रवाह क्षमता28 को नकारात्मक रूप से प्रभावित करता है। वस्तुतः कण मुक्त समाधान में प्राथमिक न्यूक्लिएशन को प्रेरित करने के अलावा, यूआई उच्च सुपरसैचुरेशन स्तरों को रोकता है। इसके अलावा, सुपरसैचुरेशन की स्थापना और न्यूक्लिएशन और क्रिस्टलीकरण की शुरुआत के बीच बीत चुके समय में यूआई-मध्यस्थता में कमी एनएचएपी के आकार के विकास और जीएनआर पर कार्यात्मकता के पैटर्न में महत्वपूर्ण हो सकती है। जीएनआर संरचना को प्रतिक्रिया तापमान के संचयी प्रभाव, बुलबुले के पतन के कारण जुड़े दबाव और स्थानिक रूप से केंद्रित क्षेत्रों में बनाए गए अत्यधिक ऊर्जावान आंदोलन के अलावा सदमे तरंगों के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। इसी तरह, यूआई की उपस्थिति में प्राचीन जीएनआर और एनएचएपी के एक साथ जोड़ द्वारा संश्लेषित जीएनआर / एनएचएपी संरचना को बाद में तेजी से स्थानीय शीतलन दरों को सुपरसैचुरेशन बढ़ाने के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। दबाव में एक स्थानीयकृत वृद्धि भी क्रिस्टलीकरण के तापमान को कम कर सकती है, जबकि सक्रियण ऊर्जा द्वारा बनाई गई बाधा को जीएनआर18,27 की सतह कार्यात्मकता के दौरान गुहिकायन के कारण ऊर्जा के हस्तांतरण से काफी हद तक बढ़ाया जा सकता है।
एक रिपोर्ट से पता चलता है कि संश्लेषण के दौरान यूआई (~ 30-120 मिनट) का अत्यधिक अनुप्रयोग क्रिस्टलीयता और / या एनएचएपी क्रिस्टल29 के आकार को कम करता है। यह आगे हमारे अध्ययन में देखे गए कार्यात्मकता के अभिविन्यास को निर्धारित कर सकता है। यहां तक कि इस अध्ययन में, परिणामों से पता चला है कि एनएचएपी के संश्लेषण के दौरान अपेक्षाकृत लंबे समय तक एक्सपोजर समय (30 मिनट) के लिए यूआई ने जीएनआर पर एनएचएपी जमाव का नेतृत्व किया। दूसरी ओर, पूर्व-गठित एनएचएपी और जीएनआर के साथ 30 मिनट के लिए यूआई ने गोलाकार एनएचएपी पर जीएनआर के जमाव का नेतृत्व किया। इसलिए, यह विधि मचान निर्माण30,31 के लिए जीएनआर-निगमित कंपोजिट प्राप्त करने के लिए एनएचएपी के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए आदर्श है। बेहतर यांत्रिक गुणों के साथ इस तरह के उपन्यास रिवर्स-ओरिएंटेड कंपोजिट हड्डी ऊतक इंजीनियरिंग के लिए महत्वपूर्ण हो सकते हैं। विशेष रूप से, फैन एट अल (2014) ने बताया कि ग्राफीन पेश करने से एनएचएपी की कठोरता और यंग के मापांक में काफी सुधार हो सकता है जो बदले में प्राचीन ग्राफीन और एनएचएपी की तुलना में आसपास की हड्डी (यानी, बेहतर जैव संगतता) के साथ उच्च ओसियोइंटीग्रेशन प्रदर्शित करता है, व्यक्तिगत रूप से32. इस प्रकार, बेहतर यांत्रिक गुणों और जैव संगतता के साथ जीएनआर और एनएचएपी से युक्त नैनोकंपोजिट कई आर्थोपेडिक अनुप्रयोगों33,34,35 के लिए बायोमैटेरियल्स का वादा कर सकते हैं।
हालांकि, विपरीत झुकाव के साथ नैनोहाइब्रिड के निर्माण में प्रमुख चुनौती यह है कि नैनोकम्पोजिट36,37 के वांछित अभिविन्यास को प्राप्त करने के लिए प्रतिक्रिया मापदंडों का कड़ाई से पालन किया जाना चाहिए। इसके अलावा, सह-कार्यात्मकरणनीति में, जीएनआर पर सुई के आकार के एनएचएपी की कम मात्रा जमा की गई थी, जो हड्डी के ऊतकों के उत्थान और यांत्रिक शक्ति के लिए उनकी क्षमता को कम कर सकती है। दोनों विधियों में एनएचएपी के आकार अलग-अलग हैं, जो ऑस्टियोजेनेसिस की मात्रा को काफी प्रभावित कर सकते हैं और इसलिए बायोमेडिकल अनुप्रयोगों के लिए प्रासंगिक विभिन्न गुणों का कारण बन सकते हैं।
अंत में, यहां, हमने विपरीत स्थानिक व्यवस्थाओं के साथ जीएनआर और एनएचएपी से युक्त नैनोकंपोजिट्स को संश्लेषित किया, जिसमें आर्थोपेडिक्स में संभावित अनुप्रयोग हो सकते हैं। परिणामों से पता चला है कि एनएचएपी आकृति विज्ञान और कार्यात्मकता समय (यानी, चाहे कार्यात्मकता संश्लेषण के बाद होती है या एनएचएपी संश्लेषण के रूप में एक ही समय में) ने नैनोकंपोजिट में एनएचएपी और जीएनआर के अभिविन्यास को निर्धारित किया। संश्लेषण के दौरान सह-कार्यात्मकता के परिणामस्वरूप एनएचएपी / जीएनआर हुआ, जबकि पूर्व-गठित एनएचएपी के साथ कार्यात्मककरण के परिणामस्वरूप जीएनआर / ये नैनोकम्पोजिट ऑस्टियोजेनेसिस को बढ़ावा देने के लिए मचान विकसित करने के लिए लागू हो सकते हैं और इस प्रकार, पुनर्योजी नैनोमेडिसिन में महत्वपूर्ण वादा करते हैं जो उनकी आगे की जांच को वारंट करते हैं।
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Disclosures
लेखकों के हितों का कोई टकराव नहीं है।
Acknowledgments
डॉ. सौगत घोष ने विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग (डीएसटी), विज्ञान और प्रौद्योगिकी मंत्रालय, भारत सरकार और जवाहरलाल नेहरू सेंटर फॉर एडवांस्ड साइंटिफिक रिसर्च, भारत को नैनो विज्ञान और प्रौद्योगिकी में पोस्ट-डॉक्टोरल ओवरसीज फैलोशिप (रेफरी जेएनसी / डॉ सौगत घोष ने पोस्ट-डॉक्टरल फैलोशिप के लिए कासेटसार्ट विश्वविद्यालय, बैंकॉक, थाईलैंड को स्वीकार किया, और रीइन्वेंटिंग यूनिवर्सिटी प्रोग्राम (रेफरी नंबर 6501.0207/10870 दिनांक 9 नवंबर, 2021) के तहत वित्त पोषण किया। लेखक लक्षण वर्णन प्रयोगों के साथ सहायता के लिए कोस्टास उन्नत नैनो-लक्षण वर्णन सुविधा (केएएनसीएफ) को धन्यवाद देना चाहते हैं। केएएनसीएफ पूर्वोत्तर विश्वविद्यालय में कोस्टास अनुसंधान संस्थान (केआरआई) के भीतर एक साझा बहुआयामी अनुसंधान और शैक्षिक सुविधा है।
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
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