Summary
Nye nanokompositter af grafen nanoribboner og hydroxyapatit nanopartikler blev fremstillet ved anvendelse af opløsningsfasesyntese. Disse hybrider, når de anvendes i bioaktive stilladser, kan udvise potentielle anvendelser inden for vævsteknik og knogleregenerering.
Abstract
Udvikling af nye materialer til knoglevævsteknik er et af de vigtigste indsatsområder inden for nanomedicin. Flere nanokompositter er blevet fremstillet med hydroxyapatit for at lette celleadhærens, proliferation og osteogenese. I denne undersøgelse blev hybrid nanokompositter med succes udviklet ved hjælp af grafen nanoribbons (GNR'er) og nanopartikler af hydroxyapatit (nHAPs), som, når de anvendes i bioaktive stilladser, potentielt kan forbedre knogleregenerering. Disse nanostrukturer kan være biokompatible. Her blev der brugt to tilgange til at forberede de nye materialer. I en tilgang blev der anvendt en co-funktionaliseringsstrategi, hvor nHAP blev syntetiseret og konjugeret til GNR'er samtidigt, hvilket resulterede i nanohybrider af nHAP på GNR-overflader (betegnet som nHAP / GNR). Højopløsnings transmissionselektronmikroskopi (HRTEM) bekræftede, at nHAP / GNR-kompositten består af slanke, tynde strukturer af GNR'er (maksimal længde på 1,8 μm) med diskrete patches (150-250 nm) af nålelignende nHAP (40-50 nm i længden). I den anden tilgang blev kommercielt tilgængelig nHAP konjugeret med GNR'er, der dannede GNR-belagt nHAP (betegnet GNR / nHAP) (dvs. med en modsat orientering i forhold til nHAP / GNR nanohybrid). Nanohybriden dannet ved hjælp af sidstnævnte metode udstillede nHAP nanosfærer med en diameter fra 50 nm til 70 nm dækket af et netværk af GNR'er på overfladen. Energidispergerende spektre, elementær kortlægning og Fourier transform infrarød (FTIR) spektre bekræftede den vellykkede integration af nHAP og GNR'er i begge nanohybrider. Termogravimetrisk analyse (TGA) viste, at tabet ved forhøjede opvarmningstemperaturer på grund af tilstedeværelsen af GNR'er var 0,5% og 0,98% for henholdsvis GNR / nHAP og nHAP / GNR. nHAP-GNR nanohybrider med modsatte orienteringer repræsenterer betydelige materialer til brug i bioaktive stilladser for potentielt at fremme cellulære funktioner til forbedring af knoglevævstekniske applikationer.
Introduction
Grafen har arklignende todimensionelle strukturer sammensat af sp-hybridiseret kulstof. Flere andre allotroper kan tilskrives det udvidede honeycomb-netværk af grafen (f.eks. Danner stabling af grafenark 3D-grafit, mens rulning af det samme materiale resulterer i dannelsen af 1D nanorør1). Ligeledes dannes 0D fullerener på grund af indpakning2. Grafen har attraktive fysisk-kemiske og optoelektroniske egenskaber, der inkluderer en ambipolær felteffekt og en kvante Hall-effekt ved stuetemperatur 3,4. Påvisning af enkeltmolekyleadsorptionshændelser og ekstremt høj bæremobilitet føjer til grafenens attraktive egenskaber 5,6. Endvidere betragtes grafennanoribboner (GNR'er) med smalle bredder og en stor gennemsnitlig fri vej, lav resistivitet med høj strømtæthed og høj elektronmobilitet som lovende sammenkoblingsmaterialer7. Derfor undersøges GNR'er til applikationer i et utal af enheder og for nylig inden for nanomedicin, især vævsteknik og lægemiddellevering8.
Blandt forskellige traumatiske lidelser betragtes knogleskader som en af de mest udfordrende på grund af vanskeligheder med at stabilisere brud, regenerering og udskiftning med ny knogle, modstå infektion og justere knogle ikke-fagforeninger 9,10. Kirurgiske procedurer forbliver det eneste alternativ til lårbensbrud. Det skal bemærkes, at næsten 52 millioner dollars hvert år bruges på behandling af knogleskader i Mellemamerika og Europa11.
Bioaktive stilladser til knoglevævstekniske applikationer kan være mere effektive ved at inkorporere nano-hydroxyapatit (nHAP), da de ligner selve knoglens mikro- og nano arkitektoniske egenskaber12. HAP, kemisk repræsenteret som Ca10 (PO4) 6 (OH) 2 med et Ca / P molforhold på 1,67, er den mest foretrukne til biomedicinske applikationer, især til behandling af periodontale defekter, substitution af hårdt væv og fremstilling af implantater til ortopædiske operationer13,14. Således kan fremstillingen af nHAP-baserede biomaterialer forstærket med GNR'er have overlegen biokompatibilitet og kan være fordelagtig på grund af deres evne til at fremme osseointegration og være osteokonduktiv15,16. Sådanne hybridkompositstilladser kan bevare biologiske egenskaber såsom celleadhærens, spredning, proliferation og differentiering17. Heri rapporterer vi fremstillingen af to nye nanokompositter til knoglevævsteknik ved rationelt at ændre det rumlige arrangement af nHAP og GNR'er som illustreret i figur 1. De kemiske og strukturelle egenskaber ved de to forskellige nHAP-GNR-ordninger blev her evalueret.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Syntese af nHAP ved udfældning
- Syntetisere den uberørte nHAP ved hjælp af 50 ml af reaktionsblandingen indeholdende 1 M Ca (NO3) 2∙4H2O og 0,67 M (NH4)H2PO4 efterfulgt af dråbevis tilsætning af NH4OH (25%) for at opretholde en pH omkring 1018.
- Derefter omrøres reaktionsblandingen ved ultralydsbestråling (UI) i 30 minutter (500 W effekt og 20 kHz ultralydfrekvens).
- Lad den resulterende opløsning modnes i 120 timer ved stuetemperatur, indtil det hvide bundfald af nHAP sætter sig ud. NHAP genvindes ved centrifugering ved 1398 x g i 5 minutter ved stuetemperatur.
- Vask bundfaldet med deioniseret (DI) vand 3x og frysefiliser i 48 timer. Det tørre pulver opbevares ved 4 °C.
2. Fremstilling af nHAP/GNR nanokompositter
BEMÆRK: Følgende beskriver to tilgange til fremstilling af nHAP/GNR (dvs. nHAP på GNR-overflader) og GNR/nHAP (GNR-coated nHAP) nanokompositter, der repræsenterer to forskellige rumlige arrangementer af nHAP og GNR (figur 1).
- Syntese af nHAP/GNR
- For at forberede nHAP / GNRs nanokomposit skal du bruge en co-funktionaliseringsstrategi, hvor nHAP kan syntetiseres og konjugeres til GNR'er samtidigt som følger.
- 5 mg GNR (materialetabel) opløses i en blanding af 1 M calciumnitrattetrahydrat [Ca(NO3)2·4H2O] og 0,67 M diammoniumhydrogenphosphat [(NH4)2HPO4] til et endeligt volumen på 50 ml19.
- Under denne reaktion tilsættes 25% af NH4OH dråbevis for at opretholde pH ved ~ 10. Omrør den resulterende blanding med UI i 30 min.
- Efter afslutningen af reaktionen skal opløsningen være uforstyrret i 120 timer ved stuetemperatur indtil modning.
- Overhold dannelsen af et gelatinøst bundfald af nHAP, der dækker GNR'erne, hvorefter et hvidt bundfald af nHAP / GNR'er sætter sig.
- Bundfaldet vaskes 3x ved centrifugering ved 1398 x g i 5 min ved stuetemperatur efterfulgt af redispersion i DI-vand.
- Lyofiliser det genvundne vaskede bundfald i 48 timer. Det tørre pulver opbevares ved 4 °C.
- Brug uberørte nHAP og GNR'er som kontrolprøver.
- Syntese af GNR/nHAP nanokomposit
- Suspendere kommercielt tilgængelig nHAP i en koncentration på 5 mg / ml i 50 ml DI-vand suppleret med 5 mg GNR.
- Omrør den resulterende blanding med UI i 30 minutter, og lad derefter blandingen være uforstyrret i 120 timer ved stuetemperatur.
- Efter modning genvindes det hvide bundfald af det resulterende GNR/nHAP ved centrifugering ved 1398 x g i 5 min ved stuetemperatur.
- Prøven vaskes 3x med DI-vand, frysetørres i 48 timer, og det tørre pulver opbevares ved 4 °C til videre brug.
3. Karakterisering af nHAP, nHAP/GNR og GNR/nHAP
- Brug et højopløsnings transmissionselektronmikroskop (HRTEM) (se Materialetabel) til at karakterisere morfologien og størrelsen af nanokompositterne11.
- Analyser den elementære sammensætning af nanokompositterne, der anvender energidispergerende spektroskopi (EDS), og udfør elementær kortlægning ved hjælp af scanningstransmissionselektronmikroskopet (STEM)11.
- Udfør Fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi for de pæne prøver ved bølgetal på 500-4000 cm-1 for at analysere de kemiske grupper inanokompositten 16.
- Udfør pulverrøntgendiffraktion (XRD) analyse af den as-syntetiserede nHAP ved hjælp af en røntgenbølgelængde på 1.5406 Å, strøm- og spændingsindstillinger på henholdsvis 40 mA og 40 kV og 2θ fra 20 ° til 90 °.
- Evaluer den procentvise belastning af GNR i nanokompositten ved hjælp af termogravimetrisk analyse (TGA) ved at opvarme prøverne fra stuetemperatur til 1000 ° C med en hastighed på 10 ° C / min under nitrogenstrøm.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
HRTEM-analyse
Individuelt var GNR'er slanke bambuslignende strukturer med nogle bøjninger i en vis afstand som observeret i figur 2. Den længste GNR var 1.841 μm, mens den mindste bøjede GNR var 497 nm. Nanoribbonerne viste ofte en synlig variation i bredden, der kan tilskrives vridning for at danne spiralformede konfigurationer mange steder. En sådan ensrettet justering af GNR'er kan bidrage til at opnå attraktive egenskaber såsom magnetiske egenskaber, ledningsevne eller varmetransport7.
NHAPs syntetiseret ved anvendelse af calciumnitrattetrahydrat og diammoniumhydrogenphosphat ved stuetemperatur (trin 1) var stangformede eller nålelignende med en størrelse fra 40 nm til 50 nm (figur 3). De as-syntetiserede nanomaterialer blev fundet i klumper på grund af aggregering og krystallinsk vækst. På den anden side var de kommercielt tilgængelige nHAPs, der blev brugt, sfæriske (figur 4); disse nanosfærer var 50-70 nm i diameter og til stede i diskrete klynger på 15-20 kugler.
nHAP blev deponeret in situ på BNI'erne (repræsenteret som nHAP/GNR) i co-funktionaliseringsstrategien (trin 2.1). De resulterende nanokompositter af GNR'er og nHAP bestod af meget porøse sammenkoblede nanostrukturer. Overvægten af nålelignende nHAPs, der dækker GNR-overfladen i pletter (figur 5), tilskrives GNR'erne, der fungerer som et nano-fremhævet stillads til nHAP-kimdannelse. NHAP-plastrene viste sig at være mellem 150 nm og 250 nm i længde og bredde (figur 5A,B). Elementær kortlægning bekræftede, at de formidlede nodalpletter på GNR'erne faktisk var nHAP på grund af tilstedeværelsen af elementært calcium og fosfor (figur 5C).
I den anden metode (trin 2.2) blev præformet nHAP konjugeret til GNR'erne, hvilket førte til dannelsen af GNR-belagt nHAP (repræsenteret som GNR/nHAP, dvs. med en omvendt orientering sammenlignet med nHAP/GNR composite). I dette tilfælde dannede GNR'erne tynde film på overfladen af de sfæriske nHAP nanopartikler (figur 6).
Interessant nok tilskrives de bøjninger og konvolutioner, der er bemærket i periferien af GNR'erne, som det fremgår af figur 2A, for det meste lave stabilitetsegenskaber, der kunne have forbedret den mekaniske interaktion og vedhæftning med nHAP betydeligt som vist i figur 5 og figur 6. Desuden hjælper det store overfladeareal af de uberørte GNR'er også med mere nHAP-belastning. Ældning af kompositopløsningerne i 120 timer resulterede også i fuldstændig omdannelse af apatitten til stærkt krystallinsk hydroxyapatit (figur 3 og figur 5). De iltbaserede funktionelle grupper af GNR-overfladen interagerer elektrostatisk med Ca2+, der tjener som receptorstedet. Apatit nanostrukturer kan opnås yderligere på grund af in situ-reaktionen mellem disse forankrede kationer og fosfationerne (trin 2.1). Orienteringen af den mikrostrukturerede nHAP på GNR-overfladen styres af flere faktorer, der inkluderer mængden og typen af iltgrupper på de grafenbaserede skabeloner, den relative koncentration af prækursorerne (Ca2+ og HPO42-), reaktionsblandingens pH og modningstiden. Den kumulative virkning af reaktionsbetingelserne resulterede i indpakning af de gennemsigtige GNR'er på overfladen af nHAP-nanosfærerne muligvis på grund af ikke-kovalent fysisk adsorption.
Analyse af energidispergerende spektre (EDS)
For at bekræfte hovedkomponenterne og den elementære sammensætning af nanokompositterne blev der udført en energidispergerende spektralanalyse. I figur 7A viste EDS-spektrene for uberørte GNR'er en kulstoftop, der svarer til GNR'erne, mens der ikke blev observeret andre toppe undtagen kobberet, der blev tilskrevet gitteret, der blev brugt til montering af prøver under HRTEM-analyse. Figur 7B viser EDS-spektret af kommercielt tilgængelige præformede nHAP-nanosfærer, hvor kulstof- og kobbertoppene tilskrives de kulstofbelagte kobbergitter, der anvendes til montering af prøverne under HRTEM-analyse. I figur 7C blev en klar stigning i kulstofindholdet tilskrevet GNR'erne, mens de andre toppe, der var specifikke for calcium og fosfor, skyldtes nHAP i GNR/nHAP-nanokompositterne. Figur 8 viser EDS-spektrene for den as-syntetiserede nHAP (trin 1) (figur 8A) og nHAP/GNR-komposit (figur 8B). Den markante stigning i kulstofindholdet i nHAP/GNR-spektret skyldes størstedelen af GNR'erne, hvorpå der kun blev observeret små pletter af frisksyntetiseret nHAP.
FTIR-analyse
Konjugation af nHAP med GNR'erne blev bekræftet gennem FTIR-spektre. Figur 9 viser FTIR-spektrene for nHAP, GNR, nHAP/GNR og GNR/nHAP. OH ud af plan bøjningstoppen ved 600 cm-1 ses i FTIR for GNR12. Toppen ved 1030 cm-1, der tilskrives P-O-strækning, blev observeret i nHAP, hvilket bekræfter dets kemiske sammensætning15. Især blev den karakteristiske P-O-strækningstop af nHAP også fundet i nHAP / GNR og GNR / nHAP, hvilket indikerer tilstedeværelsen af nHAP i begge kompositter. De to andre toppe, 1413 og 1447 cm-1 , der kun findes i kompositterne, tilskrives henholdsvisδCH2-vibrationer og karbonatgruppe (CO32−), som bekræfter konjugationen af GNR og nHAP16.
Røntgendiffraktion (XRD) analyse
HAP's XRD-mønster (trin 2.1) er vist i figur 10. De stærke toppe indikerede god krystallinitet af materialet. Toppositionerne var i god overensstemmelse med dem i ICDD-standarddataene (PDF2-kort: 00-009-0432). Dette bekræftede yderligere den sekskantede krystalstruktur (P63/m rumgruppe) af nHAP med gitterparametre på a = b = 0,940 nm og c = 0,615 nm. Nogle af de fremtrædende, stærke toppe ved 2θ værdier på 25,8°, 28,2°, 31,8°, 32,9°, 34,1°, 39,7°, 43,9°, 46,6° og 49,4° svarende til henholdsvis (002), (102), (211), (300), (202), (310), (113), (222) og (213) planet bekræftede renheden af henholdsvis det as-syntetiserede nHAP 16,20,21.
Termogravimetrisk analyse (TGA)
Termogravimetrisk analyse (TGA) blev anvendt til at estimere belastningsprocenten i konjugaterne (figur 11). Tre fremtrædende tab i masse var tydelige under TGA-analysen. Det oprindelige massetab ved temperaturer op til 100 °C skyldes det indespærrede fysiske vand. Det andet tab mellem 100 °C og 200 °C skyldes nedbrydningen af GNR til kulstofsod. Det stadige fald i masse derefter op til 500 °C skyldtes krystallisationen af nHAP. Yderligere opvarmning førte til nedbrydning af komplekserne. Tab som følge af tilstedeværelsen af GNR'er viste sig at være mellem 0,5% og 0,98% i henholdsvis GNR/nHAP og nHAP/GNR. Derfor er det i god overensstemmelse med vores tidligere analyse, hvor HAP blev fundet som hovedkomponenten, og GNR'erne var overfladeorienterede inden for GNR / nHAP. På den anden side var GNR'erne rigelige i nHAP / GNR, hvor nHAP dannede diskrete pletter på de lange strækninger af GNR'er.
Figur 1: Skematisk repræsentation til syntetisering af omvendt orienterede grafen nanoribbon-hydroxyapatithybridkompositter: (A) nHAP/GNR og (B) GNR/nHAP. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Strukturel analyse af GNR: (A) HRTEM-analyse af bare GNR'er; (B) Scanning transmission electron mode (STEM) billeder af GNR; og (C) Elementær kortlægning af GNR'erne, hvor røde, grønne, gule og blå farver angiver henholdsvis kulstof, ilt, fosfor og calcium. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Strukturel analyse af as-syntetiseret nHAP: (A) HRTEM-analyse af nHAP; (B) Scanning transmission electron mode (STEM) billeder af nHAP med indsatsskalabjælken repræsenterer 100 nm; og (C) Elementær kortlægning af nHAP, hvor røde, grønne, gule og blå farver angiver henholdsvis kulstof, ilt, fosfor og calcium. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Strukturel analyse af den kommercielt tilgængelige præformede nHAP: (A) HRTEM-analyse af nHAP; (B) Scanning transmission electron mode (STEM) billeder af nHAP; og (C) Elementær kortlægning af nHAP, hvor røde, grønne, gule og blå farver angiver henholdsvis kulstof, ilt, fosfor og calcium. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Strukturel analyse af nHAP/GNR syntetiseret af co-funktionaliseringsstrategien: (A) HRTEM-analyse af nHAP/GNR; (B) Scanning transmission electron mode (STEM) billeder af nHAP / GNR; og (C) Elementær kortlægning af nHAP/GNR, hvor røde, grønne, gule og blå farver angiver henholdsvis kulstof, ilt, fosfor og calcium. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6: Strukturel analyse af GNR/nHAP: (A) HRTEM-analyse af GNR/nHAP; (B) Scanning transmission electron mode (STEM) billeder af GNR /nHAP med indsatsskala bar repræsenterer 50 nm; og (C) Elementær kortlægning af GNR/nHAP, hvor røde, grønne, gule og blå farver angiver henholdsvis kulstof, ilt, fosfor og calcium. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 7: EDS-analyse af GNR/nHAP-nanokompositten: (A) GNR'er, (B) kommercielt tilgængelige præformede nHAP og (C) GNR/nHAP nanokomposit. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 8: EDS-analyse af nHAP/GNR-nanokompositten: (A) As-syntetiseret nHAP og (B) nHAP/GNR. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 9: FTIR-analyse af nanokompositterne. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 10: Røntgendiffraktionsanalyse (XRD) af nHAP. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 11: Termogravimetrisk analyse af nanokompositterne. Klik her for at se en større version af denne figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Selvom forskellige metaller, polymerer, keramik og deres kombinationer er blevet undersøgt som ortopædiske implantater og fikseringstilbehør, anses HAP for at være et af de mest foretrukne materialer på grund af dets kemiske lighed med selve knoglen og deraf følgende høj cytokompatibilitet 20,21,22. I denne undersøgelse var hap's orientering varieret, hvilket kan have en betydelig indvirkning på dets unikke egenskaber, såsom fremme af osteogenese, osseointegration og osteoledningsevne. Desuden kan ændring af HAP's orientering påvirke nanokompositternes mekaniske egenskaber for yderligere at efterligne den naturlige knogle, da lange knogler i kroppen har en anisotrop justering af HA med kollagen, mens kuboide knogler har et tilfældigt arrangement af HA med kollagen. Det skal bemærkes, at selvom naturlig HAP er hovedbestanddelen i menneskelige tænder og knogler, er dens fysiske egenskaber i høj grad afhængige af reaktionsbetingelser såsom reaktionstid, pH, fosfatkoncentration og kemisk natur af CaP fase23. Derfor blev der i denne undersøgelse anvendt en våd kemisk metode til at syntetisere nHAP ved en pH på 10 under ultralydsbestråling (UI). Barbosa et al. (2013) rapporterede også, at UI i forbindelse med vandig udfældning uden kalcinering er en enkel, hurtig og effektiv metode, der genererer nHAP med høj krystallinitet og specificitet18.
Det er vigtigt at bemærke, at kunstigt fremstillede HAP-associerede biomaterialer ofte udviser dårlige mekaniske egenskaber, som omfatter iboende skørhed, lav brudsejhed og slid22. Derfor forstærkes nHAP her med GNR'er for at lette: (i) overfladefunktionalisering forbundet med nanopartiklerne, (ii) elektrostatiske interaktioner ved grænsefladen i komplekset og (iii) overførsel af stress til nanofyldstofferne fra stilladsernes matrix 24,25,26. Den våde kemiske syntese, der blev fulgt her, resulterede i uberørt nHAP overvejende i små acicular partikler agglomereret til større partikler (~ 40 nm). Dette resultat er godt i overensstemmelse med rapporten fra Barbosa et al. (2013), hvor det blev spekuleret i, at UI spillede en kritisk rolle i at inducere kimdannelse ved at danne boblevægge i umiddelbar nærhed, kaldet "hot-spots"18,27.
Det er interessant at bemærke, at et fald i partikelstørrelsen af både værts- og gæstepartiklerne kun kan forbedre flydeevnen op til en vis grænse. Derefter kan yderligere reduktion i værtspartiklens dimension føre til agglomerering, der påvirker flydeevnennegativt 28. Bortset fra at inducere primær kimdannelse i en næsten partikelfri opløsning, forhindrer UI høje overmætningsniveauer. Endvidere kan UI-medieret reduktion i den forløbne tid mellem etablering af overmætning og begyndelsen af kimdannelse og krystallisation være nøglen til formudviklingen af nHAP og funktionaliseringsmønsteret på GNR'erne. NHAP /GNR-strukturen kan tilskrives den kumulative effekt af reaktionstemperaturen, tryk forbundet på grund af boblens sammenbrud og chokbølger ud over meget energisk omrøring skabt i rumligt koncentrerede regioner. Tilsvarende kan GNR/nHAP-strukturen syntetiseret ved samtidig tilsætning af uberørte GNR'er og nHAP i nærværelse af UI tilskrives de efterfølgende hurtige lokale afkølingshastigheder, der forbedrer overmætning. En lokaliseret stigning i tryk kan også reducere krystallisationstemperaturen, mens barrieren skabt af aktiveringsenergi kan overvindes betydeligt ved overførsel af energi på grund af kavitation under overfladefunktionalisering af GNR'erne18,27.
En rapport viser, at overdreven anvendelse af UI (~ 30-120 min) under syntese reducerer krystalliniteten og / eller størrelsen af nHAP-krystallerne29. Dette kan yderligere bestemme orienteringen af funktionaliseringen som observeret i vores undersøgelse. Selv i denne undersøgelse viste resultaterne, at UI i en relativt lang eksponeringstid (30 min) under syntesen af nHAP førte til nHAP-aflejring på GNR'er. På den anden side førte UI i 30 minutter med præformede nHAP- og GNR'er til aflejring af GNR'er på de sfæriske nHAPs. Derfor er denne metode ideel til storskala produktion af nHAP for at opnå GNR-inkorporerede kompositter til stilladsfremstilling30,31. Sådanne nye omvendt orienterede kompositter med overlegne mekaniske egenskaber kan være signifikante for knoglevævsteknik. Især rapporterede Fan et al. (2014), at introduktion af grafen kan forbedre hårdheden og Youngs modul af nHAP betydeligt, der igen udviser højere osseointegration med omgivende knogle (dvs. overlegen biokompatibilitet) sammenlignet med uberørt grafen og nHAP, individuelt32. Således kan nanokompositter bestående af GNR'er og nHAP med overlegne mekaniske egenskaber og biokompatibilitet være lovende biomaterialer til adskillige ortopædiske applikationer 33,34,35.
Den største udfordring ved fremstilling af nanohybrider med modsatte retninger er imidlertid, at reaktionsparametrene skal følges nøje for at opnå den ønskede orientering af nanokompositter36,37. Desuden blev der i co-funktionaliseringsstrategien deponeret færre mængder af den nåleformede nHAP på GNR'erne, hvilket kan reducere deres potentiale for knogleregenerering og mekanisk styrke. Formerne af nHAP i begge metoder er forskellige, hvilket kan påvirke mængden af osteogenese betydeligt og dermed forårsage forskellige egenskaber, der er relevante for biomedicinske anvendelser.
Afslutningsvis syntetiserede vi her nanokompositter bestående af GNR'er og nHAP med kontrasterende rumlige arrangementer, der kan have potentielle anvendelser i ortopædi. Resultaterne viste, at nHAP morfologi og funktionaliseringstid (dvs. om funktionalisering finder sted efter syntese eller samtidig med nHAP-syntese) bestemte orienteringen af nHAP og GNR'er i nanokompositterne. Co-funktionalisering under syntese resulterede i nHAP / GNR'er, mens funktionalisering med præformet nHAP resulterede i GNR'er / nHAP. Disse nanokompositter kan være anvendelige til at udvikle stilladser til fremme af osteogenese og har således et betydeligt løfte om regenerativ nanomedicin, der berettiger deres yderligere undersøgelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingen interessekonflikter.
Acknowledgments
Dr. Sougata Ghosh anerkender Institut for Videnskab og Teknologi (DST), Ministeriet for Videnskab og Teknologi, Indiens regering og Jawaharlal Nehru Center for Avanceret Videnskabelig Forskning, Indien for finansiering under Post-Doctoral Overseas Fellowship in Nano Science and Technology (Ref. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 dateret 19. august 2019). Dr. Sougata Ghosh anerkender Kasetsart University, Bangkok, Thailand for et postdoktorgradsstipendium og finansiering under Reinventing University Program (Ref. nr. 6501.0207/10870 dateret 9. november 2021). Forfatterne vil gerne takke Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) for hjælp med karakteriseringseksperimenterne. KANCF er en fælles tværfaglig forsknings- og uddannelsesfacilitet inden for Kostas Research Institute (KRI) ved Northeastern University.
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
- Novoselov, K. S., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- Morozov, S. V., et al. Giant intrinsic carrier mobilities in graphene and its bilayer. Physical Review Letters. 100 (1-11), 016602 (2008).
- 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).
- Talyzin, A. V., et al. Synthesis of graphene nanoribbons encapsulated in single-walled carbon nanotubes. Nano Letters. 11 (10), 4352-4356 (2011).
- Allen, M. J., Tung, V. C., Kaner, R. B. Honeycomb carbon: A review of graphene. Chemical Reviews. 110 (1), 132-145 (2010).
- Ghosh, S., Webster, T. J. Metallic nanoscaffolds as osteogenic promoters: Advances, challenges and scope. Metals. 11 (9), 1356 (2021).
- Ghosh, S., Webster, T. J. Mesoporous silica based nanostructures for bone tissue regeneration. Frontiers in Materials. 8, 213 (2021).
- 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).
- 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).
- Neelgund, G. M., Oki, A., Luo, Z. In situ deposition of hydroxyapatite on graphene nanosheets. Materials Research Bulletin. 48 (2), 175-179 (2013).
- 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).
- Mondal, S., et al. Hydroxyapatite coated iron oxide nanoparticles: A promising nanomaterial for magnetic hyperthermia cancer treatment. Nanomaterials. 7 (12), 426 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Baradaran, S., et al. Mechanical properties and biomedical applications of a nanotube hydroxyapatite-reduced graphene oxide composite. Carbon. 69, 32-45 (2014).
- Sassoni, E. Hydroxyapatite and other calcium phosphates for the conservation of cultural heritage: A review. Materials. 11 (4), 557 (2018).
- Tang, H., Ehlert, G. J., Lin, Y., Sodano, H. A. Highly efficient synthesis of graphene nanocomposites. Nano Letters. 12 (1), 84-90 (2012).
- Walker, L. S., Marotto, V. R., Rafiee, M. A., Koratkar, N., Corral, E. L.
- Rafiee, M. A., et al. Enhanced mechanical properties of nanocomposites at low graphene content. ACS Nano. 3 (12), 3884-3890 (2009).
- Luque de Castro, M. D., Priego-Capote, F.
- Azhari, A., Toyserkani, E. Additive manufacturing of graphene-hydroxyapatite nanocomposite structures. International Journal of Applied Ceramic Technology. 12 (1), 8-17 (2015).
- Li, H., Wang, J., Bao, Y., Guo, Z., Zhang, M.
- 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).
- Rouhani, P., Taghavinia, N., Rouhani, S. Rapid growth of hydroxyapatite nanoparticles using ultrasonic irradiation. Ultrasonics Sonochemistry. 17 (5), 853-856 (2010).
- Fan, Z., et al. One-pot synthesis of graphene/hydroxyapatite nanorod composite for tissue engineering. Carbon. 66, 407-416 (2014).
- 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).
- 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).
- Hazra, A., Basu, S. Graphene nanoribbon as potential on-chip interconnect material-A Review. C Journal of Carbon Research. 4 (3), 49 (2018).
- 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).
- 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).
