Synthese von Graphen-Hydroxylapatit-Nanokompositen für den potenziellen Einsatz im Knochengewebe-Engineering

Zusammenfassung

Neuartige Nanokomposite aus Graphen-Nanobändern und Hydroxylapatit-Nanopartikeln wurden mittels Lösungsphasensynthese hergestellt. Wenn diese Hybriden in bioaktiven Gerüsten eingesetzt werden, können sie potenzielle Anwendungen im Tissue Engineering und in der Knochenregeneration aufweisen.

Zusammenfassung

Die Entwicklung neuartiger Materialien für das Knochengewebe-Engineering ist einer der wichtigsten Schwerpunkte der Nanomedizin. Mehrere Nanokomposite wurden mit Hydroxylapatit hergestellt, um die Zelladhärenz, -proliferation und -osteogenese zu erleichtern. In dieser Studie wurden erfolgreich hybride Nanokomposite unter Verwendung von Graphen-Nanobändern (GNRs) und Nanopartikeln aus Hydroxylapatit (nHAPs) entwickelt, die, wenn sie in bioaktiven Gerüsten eingesetzt werden, möglicherweise die Knochengeweberegeneration verbessern können. Diese Nanostrukturen können biokompatibel sein. Hier wurden zwei Ansätze zur Herstellung der neuartigen Materialien verwendet. In einem Ansatz wurde eine Kofunktionalisierungsstrategie verwendet, bei der nHAP gleichzeitig synthetisiert und mit GNRs konjugiert wurde, was zu Nanohybriden von nHAP auf GNR-Oberflächen (als nHAP / GNR bezeichnet) führte. Die hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) bestätigte, dass der nHAP/GNR-Verbund aus schlanken, dünnen Strukturen von GNRs (maximale Länge von 1,8 μm) mit diskreten Patches (150-250 nm) nadelartigem nHAP (40-50 nm Länge) besteht. Im anderen Ansatz wurde kommerziell erhältliches nHAP mit GNRs konjugiert, die GNR-beschichtetes nHAP (bezeichnet als GNR/nHAP) bildeten (d. h. mit einer entgegengesetzten Orientierung relativ zum nHAP/GNR-Nanohybrid). Der mit der letzteren Methode gebildete Nanohybrid zeigte nHAP-Nanosphären mit einem Durchmesser von 50 nm bis 70 nm, die mit einem Netzwerk von GNRs auf der Oberfläche bedeckt waren. Energiedispersive Spektren, Elementabbildung und Fourier-Transformations-Infrarotspektren (FTIR) bestätigten die erfolgreiche Integration von nHAP und GNRs in beide Nanohybride. Die thermogravimetrische Analyse (TGA) ergab, dass der Verlust bei erhöhten Heiztemperaturen aufgrund des Vorhandenseins von GNRs 0,5% bzw. 0,98% für GNR/nHAP bzw. nHAP/GNR betrug. Die nHAP-GNR-Nanohybride mit entgegengesetzten Orientierungen stellen wichtige Materialien für den Einsatz in bioaktiven Gerüsten dar, um möglicherweise zelluläre Funktionen zur Verbesserung von Knochengewebe-Engineering-Anwendungen zu fördern.

Einleitung

Graphen hat plattenartige zweidimensionale Strukturen, die aus sp-hybridisiertem Kohlenstoff bestehen. Mehrere andere Allotrope können dem ausgedehnten Wabennetzwerk von Graphen zugeschrieben werden (z. B. bildet das Stapeln von Graphenschichten 3D-Graphit, während das Abrollen desselben Materials zur Bildung von 1D-Nanoröhrchen^{führt 1}). Ebenso werden 0D-Fullerene durch Umhüllung² gebildet. Graphen hat attraktive physikalisch-chemische und optoelektronische Eigenschaften, zu denen ein ambipolarer Feldeffekt und ein Quanten-Hall-Effekt bei Raumtemperatur^{gehören 3,4}

Protokoll

1. Synthese von nHAP durch Fällung

1. Das makellose nHAP wird unter Verwendung von 50 ml des Reaktionsgemisches mit 1 M Ca(_NO3)₂∙_{4H2 O}und 0,67 M (NH4)_H2PO4, gefolgt von der tropfenweisen Zugabe von NH₄OH (25 %) synthetisiert, um einen pH-Wert um 10¹⁸ aufrechtzuerhalten.
2. Danach das Reaktionsgemisch durch Ultraschallbestrahlung (UI) für 30 min (500 W Leistung und 20 kHz Ultraschallfrequenz) rühren.
3. Lassen Sie die resultierende Lösung 120 h bei Raumtemperatur reifen, bis sich der weiße Niederschlag von nHAP absetzt. Gewinnen Sie....

Ergebnisse

HRTEM-Analyse
Einzeln waren GNRs schlanke, bambusähnliche Strukturen mit einigen Biegungen in einiger Entfernung, wie in Abbildung 2 beobachtet. Die längste GNR betrug 1,841 μm, während die kleinste gebogene GNR 497 nm betrug. Die Nanobänder zeigten oft eine sichtbare Variation der Breite, die an vielen Stellen auf Verdrehungen zurückzuführen ist, um spiralförmige Konfigurationen zu bilden. Eine solche unidirektionale Ausrichtung von GNRs kann dazu beitragen, attraktive M.......

Diskussion

Obwohl verschiedene Metalle, Polymere, Keramiken und ihre Kombinationen als orthopädische Implantate und Fixationszubehör erforscht wurden, gilt HAP aufgrund seiner chemischen Ähnlichkeit mit dem Knochen selbst und der daraus resultierenden hohen Zytokompatibilität als eines der am meisten bevorzugten Materialien^20,21,22. In dieser Studie wurde die Orientierung von HAP variiert, was einen signifikanten Einfluss auf seine einziga.......

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Ammoniumphosphat monobasisch	Sigma-Aldrich	216003-100G	Synthese
Calciumnitrat-Tetrahydrat	Sigma-Aldrich	237124	Synthese
Zentrifuge	Hettich	EBA 200S	Recovery
Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer	Brucker	Vertex 70	Charakterisierung
Graphen-Nanoband	Sigma-Aldrich	922714	Synthesis
Hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop	Thermo Fisher Scientific	Themis Titan 300	Charakterisierung
Magnetrührer	IKA	C-MAG HS7 S68	Funktionalisierung
Mikropipetten	TreffLab	06H35687	Reagenzienvorbereitung
pH-Messgerät	Eutech pH5+	ECPH503PLUSK
Thermogravimetrischer Analysator TA	Instruments	SDT Q600	Charakterisierung
Ultraschallbad	Bandelin	DT100	Funktionalisierung
Universalofen	Memmert	UF55	Funktionalisierung
Waage	Precisa	XB220A	Reagenzienvorbereitung
Röntgendiffraktometer	Brucker	D8-Erweiterte	Charakterisierung