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Article de méthode

Synthèse de nanocomposites de graphène-hydroxyapatite pour une utilisation potentielle dans l’ingénierie des tissus osseux

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DOI :

10.3791/63985

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27 juillet 2022

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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

Dans cet article

Résumé

De nouveaux nanocomposites de nanorubans de graphène et de nanoparticules d’hydroxyapatite ont été préparés par synthèse en phase solution. Ces hybrides, lorsqu’ils sont utilisés dans des échafaudages bioactifs, peuvent présenter des applications potentielles dans l’ingénierie tissulaire et la régénération osseuse.

Résumé

Le développement de nouveaux matériaux pour l’ingénierie des tissus osseux est l’un des domaines d’intérêt les plus importants de la nanomédecine. Plusieurs nanocomposites ont été fabriqués avec de l’hydroxyapatite pour faciliter l’adhésion cellulaire, la prolifération et l’ostéogenèse. Dans cette étude, des nanocomposites hybrides ont été développés avec succès en utilisant des nanorubans de graphène (GNR) et des nanoparticules d’hydroxyapatite (nHAPs), qui, lorsqu’ils sont utilisés dans des échafaudages bioactifs, peuvent potentiellement améliorer la régénération du tissu osseux. Ces nanostructures peuvent être biocompatibles. Ici, deux approches ont été utilisées pour préparer les nouveaux matériaux. Dans une approche, une stratégie de co-fonctionnalisation a été utilisée où le nHAP a été synthétisé et conjugué aux GNR simultanément, ce qui a donné des nanohybrides de nHAP sur les surfaces GNR (notées nHAP / GNR). La microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) a confirmé que le composite nHAP/GNR est composé de structures minces et minces de GNR (longueur maximale de 1,8 μm) avec des patchs discrets (150-250 nm) de nHAP en forme d’aiguille (40-50 nm de longueur). Dans l’autre approche, le nHAP disponible dans le commerce a été conjugué avec des GNR formant du nHAP revêtu de GNR (noté GNR /nHAP) (c’est-à-dire avec une orientation opposée par rapport au nanohybride nHAP / GNR). Le nanohybride formé à l’aide de cette dernière méthode a présenté des nanosphères nHAP d’un diamètre allant de 50 nm à 70 nm recouvertes d’un réseau de GNR à la surface. Les spectres de dispersion d’énergie, la cartographie élémentaire et les spectres infrarouges à transformée de Fourier (FTIR) ont confirmé l’intégration réussie des nHAP et des GNR dans les deux nanohybrides. L’analyse thermogravimétrique (TGA) a indiqué que la perte à des températures de chauffage élevées due à la présence de GNR était de 0,5 % et 0,98 % pour le GNR/nHAP et le nHAP/GNR, respectivement. Les nanohybrides nHAP-GNR avec des orientations opposées représentent des matériaux importants pour une utilisation dans les échafaudages bioactifs afin de promouvoir potentiellement les fonctions cellulaires pour améliorer les applications d’ingénierie des tissus osseux.

Introduction

Le graphène a des structures bidimensionnelles en forme de feuille composées de carbone sp-hybridé. Plusieurs autres allotropes peuvent être attribués au réseau étendu de graphène en nid d’abeille (par exemple, l’empilement de feuilles de graphène forme du graphite 3D tout en roulant le même matériau entraîne la formation de nanotubes 1D1). De même, les fullerènes 0D sont formés en raison de l’emballage2. Le graphène a des propriétés physico-chimiques et optoélectroniques attrayantes qui comprennent un effet de champ ambipolaire et un effet Hall quantique à température ambiante 3,4. La détection d’événements d’adsorption monomoléculaire et la mobilité extrêmement élevée des porteurs ajoutent aux attributs attrayants du graphène 5,6. En outre, les nanorubans de graphène (GNR) avec des largeurs étroites et un grand chemin libre moyen, une faible résistivité avec une densité de courant élevée et une mobilité élevée des électrons sont considérés comme des matériaux d’interconnexion prometteurs7. Par conséquent, les GNR sont explorés pour des applications dans une myriade de dispositifs, et plus récemment dans la nanomédecine, en particulier l’ingénierie tissulaire et l’administration demédicaments 8.

Parmi les diverses affections traumatiques, les lésions osseuses sont considérées comme l’une des plus difficiles en raison des difficultés à stabiliser la fracture, à se régénérer et à la remplacer par un nouvel os, à résister à l’infection et à réaligner les non-unions osseuses 9,10. Les interventions chirurgicales restent la seule alternative pour les fractures de l’arbre fémoral. Il convient de noter que près de 52 millions de dollars sont dépensés chaque année pour traiter les lésions osseuses en Amérique centrale et en Europe11.

Les échafaudages bioactifs pour les applications d’ingénierie des tissus osseux peuvent être plus efficaces en incorporant de la nano-hydroxyapatite (nHAP), car ils ressemblent aux propriétés micro et nano architecturales de l’os lui-même12. HaP, représenté chimiquement comme Ca10(PO4)6(OH)2 avec un rapport molaire Ca/P de 1,67, est le plus préféré pour les applications biomédicales, en particulier pour le traitement des défauts parodontaux, la substitution de tissus durs et la fabrication d’implants pour les chirurgies orthopédiques13,14. Ainsi, la fabrication de biomatériaux à base de nHAP renforcés par des GNR peut posséder une biocompatibilité supérieure et peut être avantageuse en raison de leur capacité à favoriser l’ostéointégration et à être ostéoconductrices15,16. De tels échafaudages composites hybrides peuvent préserver des propriétés biologiques telles que l’adhérence cellulaire, la propagation, la prolifération et la différenciation17. Ici, nous rapportons la fabrication de deux nouveaux nanocomposites pour l’ingénierie des tissus osseux en modifiant rationnellement la disposition spatiale des nHAP et des GNR, comme illustré à la figure 1. Les propriétés chimiques et structurelles des deux différents arrangements nHAP-GNR ont été évaluées ici.

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Protocole

1. Synthèse du nHAP par précipitation

  1. Synthétiser le nHAP vierge en utilisant 50 mL du mélange réactionnel contenant 1 M Ca(NO3)2∙4H2O et 0,67 M(NH4)H2PO4 suivi de l’addition goutte à goutte de NH4OH (25%) pour maintenir un pH autour de 1018.
  2. Par la suite, agiter le mélange réactionnel par irradiation par ultrasons (UI) pendant 30 min (puissance de 500 W et fréquence ultrasonore de 20 kHz).
  3. Laisser mûrir la solution résultante pendant 120 h à température ambiante jusqu’à ce que le précipité blanc de nHAP se dépose. Récupérer le nHAP par centrifugation à 1398 x g pendant 5 min à température ambiante.
  4. Laver le précipité avec de l’eau désionisée (DI) 3x et lyophiliser pendant 48 h. Conserver la poudre sèche à 4 °C.

2. Préparation de nanocomposites nHAP/GNR

REMARQUE : Ce qui suit décrit deux approches pour la fabrication de nanocomposites nHAP/GNR (c.-à-d. nHAP sur des surfaces GNR) et GNR/nHAP (nHAP revêtus de GNR) qui représentent deux arrangements spatiaux différents de nHAP et de GNR (Figure 1).

  1. Synthèse de nHAP/GNR
    1. Pour préparer le nanocomposite nHAP/GNRs, utilisez une stratégie de co-fonctionnalisation où le nHAP peut être synthétisé et conjugué aux GNR simultanément, comme suit.
    2. Dissoudre 5 mg de GNR (Table des matières) dans un mélange de 1 M de nitrate de calcium tétrahydraté [Ca(NO3)2·4H2O] et de 0,67 M d’hydrogénophosphate de diammonium [(NH4)2HPO4] jusqu’à un volume final de 50 mL19.
    3. Au cours de cette réaction, ajoutez 25% de NH4OH goutte à goutte pour maintenir le pH à ~10. Agiter le mélange résultant par UI pendant 30 min.
    4. Une fois la réaction terminée, laisser la solution intacte pendant 120 h à température ambiante jusqu’à maturation.
    5. Observez la formation d’un précipité gélatineux de nHAP qui recouvre les GNR, après quoi un précipité blanc de nHAP/GNR se dépose.
    6. Laver le précipité 3x par centrifugation à 1398 x g pendant 5 min à température ambiante suivi d’une redispersion dans de l’eau DI.
    7. Lyophiliser le précipité lavé récupéré pendant 48 h. Conserver la poudre sèche à 4 °C.
    8. Utilisez des nHAP et des GNR immaculés comme échantillons de contrôle.
  2. Synthèse de nanocomposites GNR/nHAP
    1. Suspendre le nHAP disponible dans le commerce à une concentration de 5 mg/mL dans 50 mL d’eau DI complétée par 5 mg de GNR.
    2. Agiter le mélange obtenu par UI pendant 30 min et ensuite laisser le mélange intact pendant 120 h à température ambiante.
    3. Après maturation, récupérer le précipité blanc du GNR/nHAP obtenu par centrifugation à 1398 x g pendant 5 min à température ambiante.
    4. Lavez l’échantillon 3x à l’aide d’eau DI, lyophilisez-le pendant 48 h et conservez la poudre sèche à 4 °C pour une utilisation ultérieure.

3. Caractérisation du nHAP, du nHAP/GNR et du GNR/nHAP

  1. Utilisez un microscope électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) (voir Tableau des matériaux) pour caractériser la morphologie et la taille des nanocomposites11.
  2. Analyser la composition élémentaire des nanocomposites à l’aide de la spectroscopie à dispersion d’énergie (EDS) et effectuer une cartographie élémentaire à l’aide du microscope électronique à transmission à balayage (STEM)11.
  3. Effectuer une spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) pour les échantillons soignés à des nombres d’onde de 500-4000 cm−1 afin d’analyser les groupes chimiques dans le nanocomposite16.
  4. Effectuer une analyse par diffraction des rayons X en poudre (XRD) du nHAP synthétisé en utilisant une longueur d’onde de rayons X de 1,5406 Å, des réglages de courant et de tension de 40 mA et 40 kV, respectivement, et 2θ allant de 20° à 90°.
  5. Évaluer le pourcentage de charge de GNR dans le nanocomposite à l’aide de l’analyse thermogravimétrique (TGA) en chauffant les échantillons de la température ambiante à 1000 °C à une vitesse de 10 °C/min sous débit d’azote.

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Résultats

Analyse HRTEM
Individuellement, les GNR étaient de minces structures en bambou avec quelques courbures à une certaine distance, comme on l’observe à la figure 2. Le GNR le plus long était de 1,841 μm tandis que le plus petit GNR plié était de 497 nm. Les nanorubans ont souvent montré une variation visible de largeur qui pourrait être attribuée à la torsion pour former des configurations hélicoïdales à de nombreux endroits. Un tel alignement unidirectionnel des GNR peut ai...

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Discussion

Bien que divers métaux, polymères, céramiques et leurs combinaisons aient été étudiés comme implants orthopédiques et accessoires de fixation, le HAP est considéré comme l’un des matériaux les plus préférables en raison de sa similitude chimique avec l’os lui-même et de sa cytocompatibilité élevée 20,21,22 qui en résulte. Dans cette étude, l’orientation de haP était variée, ce qui peut avoir un impact significatif sur ses propri...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts.

Remerciements

Le Dr Sougata Ghosh remercie le Département des sciences et de la technologie (DST), le ministère des Sciences et de la Technologie, gouvernement de l’Inde, et le Centre Jawaharlal Nehru pour la recherche scientifique avancée, en Inde, pour le financement dans le cadre de la bourse postdoctorale à l’étranger en nanosciences et technologies (Réf. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 daté du 19 août 2019). Le Dr Sougata Ghosh remercie l’Université Kasetsart, Bangkok, Thaïlande, pour une bourse postdoctorale et un financement dans le cadre du programme Réinventer l’université (réf. n° 6501.0207/10870 du 9 novembre 2021). Les auteurs tiennent à remercier le Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) pour son aide dans les expériences de caractérisation. KANCF est un établissement de recherche et d’enseignement multidisciplinaire partagé au sein de l’Institut de recherche Kostas (KRI) de l’Université Northeastern.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Phosphate d’ammonium monobasiqueSigma-Aldrich216003-100GSynthèse
Nitrate de calcium tétrahydratéSigma-Aldrich237124
Synthèse CentrifugeuseHettichEBA 200S
Récupération Spectromètre infrarouge à transformée de FourierBruckerVertex 70Caractérisation
Nanorubande graphèneSigma-Aldrich922714Synthèse
Microscope électronique à transmission haute résolutionThermo Fisher ScientificThemis Titan 300Caractérisation
Agitateur magnétiqueIKAC-MAG HS7 S68Fonctionnalisation
MicropipettesTreffLab06H35687Préparation des réactifs
PH-mètreEutech pH5+ECPH503PLUSKPréparation des réactifs
Analyseur thermogravimétriqueTA InstrumentsSDT Q600Caractérisation
Bain à ultrasonsBandelinDT100Fonctionnalisation
Four universelMemmertUF55Fonctionnalisation
BalancePrecisaXB220APréparation
des réactifs Diffractomètre à rayons XBruckerD8-Caractérisation avancée

Références

  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).

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