Synthèse de nanocomposites de graphène-hydroxyapatite pour une utilisation potentielle dans l’ingénierie des tissus osseux
27 juillet 2022
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.
Ce travail explique la stratégie de fabrication de nouveaux composites de nano hydroxyapatite et de nanorubans de graphène avec des orientations opposées. Ces biomatériaux sont importants pour le développement d’échafaudages d’ingénierie tissulaire osseuse. Il s’agit d’une simple synthèse d’un pot.
C’est une méthode rapide, efficace et économique. Ce travail est extrêmement pertinent dans le contexte du traitement des lésions osseuses et des affections associées où une plus grande régénération du tissu osseux favorisera une guérison rapide. Pour commencer, synthétisez les nanoparticules immaculées d’hydroxyapatite en utilisant 50 millilitres du mélange réactionnel.
Goutte à goutte, ajoutez 25% d’hydroxyde d’ammonium pour maintenir un pH d’environ 10. Par la suite, agiter le mélange réactionnel par irradiation par ultrasons pendant 30 minutes. Laisser la solution résultante mûrir pendant 120 heures à température ambiante jusqu’à ce que le précipité blanc des nanoparticules d’hydroxyapatite se dépose.
Récupérer les nanoparticules d’hydroxyapatite par centrifugation à 1 398 x g pendant cinq minutes à température ambiante. Lavez le précipité avec de l’eau désionisée trois fois. Pour préparer le nanocomposite nHAP/GNR, utilisez une stratégie de cofonctionnalisation, commencez par dissoudre cinq milligrammes de nanorubans de graphène dans un mélange d’un nitrate de calcium molaire tétrahydraté et de 0,67 molaire diammonium hydrogénophosphate pour un volume final de 50 millilitres.
Au cours de cette réaction, ajouter 25% d’hydroxyde d’ammonium goutte à goutte pour maintenir le pH à environ 10. Agiter le mélange résultant par ultrasons pendant 30 minutes. Une fois la réaction terminée, laissez la solution intacte pendant 120 heures à température ambiante jusqu’à maturation.
Observez la formation d’un précipité gélatineux de nanoparticules d’hydroxyapatite, qui recouvre les nanorubans de graphine, après quoi un précipité blanc de nHAP/GNR se dépose. Laver le précipité trois fois par centrifugation à 1 398 x g pendant cinq minutes à température ambiante, puis redispersion dans de l’eau désionisée. Pour synthétiser les nanocomposites GNR/nHAP, suspendez les nanoparticules d’hydroxyapatite disponibles dans le commerce à une concentration de cinq milligrammes par millilitre dans 50 millilitres d’eau désionisée, complétées par cinq milligrammes de nanorubans de graphine.
Agiter le mélange résultant par ultrasons pendant 30 minutes, puis laisser le mélange intact pendant 120 heures à température ambiante. Après maturation, récupérer le précipité blanc du GNR/nHAP obtenu par centrifugation à 1 398 x g pendant cinq minutes à température ambiante. Lavez l’échantillon trois fois à l’eau désionisée.
L’analyse HRTEM du nanocomposite nHAP/GNR a montré des patchs nHAP entre 150 et 250 nanomètres de longueur et de largeur. La cartographie élémentaire a confirmé que les taches nodales intermédiées sur les GNR étaient bien des nHAP en raison de la présence de calcium élémentaire et de phosphore. Dans les nanocomposites GNR/nHAP, le GNR a formé des couches minces à la surface des nanoparticules sphériques de nHAP.
L’analyse EDS a montré une nette augmentation de la teneur en carbone due aux GNR, tandis que les pics spécifiques au calcium et au phosphore étaient dus au nHAP. L’augmentation marquée de la teneur en carbone dans le spectre nHAP/GNR est due à la majorité des GNR sur lesquels seules de petites parcelles de nHAP fraîchement synthétisées ont été observées. L’analyse XRD a confirmé que la structure cristalline hexagonale des pics forts nHAP correspondant à 002, 102, 211, 300, 202, 310, 113, 222 et 213 plans, respectivement, a confirmé la pureté du nHAP synthétisé.
L’analyse TGA a montré une diminution constante de la masse après 200 degrés Celsius jusqu’à 500 degrés Celsius en raison de la cristallisation du nHAP. Un chauffage supplémentaire a conduit à la décomposition des complexes. La perte due à la présence de GNR s’est avérée se situer entre 0,5 et 0,98% dans le GNR / nHAP et le nHAP / GNR.
La séquence d’addition de réactifs et les conditions de réaction sont les plus critiques pour obtenir l’orientation inverse souhaitée des nanocomposites. Des études basées sur les lignées cellulaires peuvent être réalisées pour vérifier le potentiel des nanocomposites à favoriser l’ostéogenèse. Cela ouvrira un nouveau domaine de modulation de la réponse cellulaire médiée par l’orientation pour l’ingénierie tissulaire.
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Aperçu
Cette étude présente une méthode de fabrication de nouveaux composites constitués de nanorubans de graphène et de nanoparticules d'hydroxyapatite. Ces biomatériaux sont importants pour le développement de supports en ingénierie tissulaire osseuse, favorisant une cicatrisation rapide des lésions osseuses.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Génie biomédical
- Génie des tissus
- Science des matériaux
Contexte
- Les lésions osseuses nécessitent des stratégies efficaces de régénération.
- Les nanorubans de graphène et les nanoparticules d'hydroxyapatite possèdent des propriétés uniques.
- La combinaison de ces matériaux peut améliorer les performances des échafaudages.
- Les méthodes actuelles de synthèse peuvent être complexes ou coûteuses.
Objectif de l'étude
- Développer une méthode de synthèse simple et économique pour les nanocomposites.
- Étudier les applications potentielles de ces composites en ingénierie tissulaire osseuse.
- Stimuler une cicatrisation rapide grâce à une régénération osseuse améliorée.
Méthodes utilisées
- Synthèse en phase liquide de nanorubans de graphène et de nanoparticules d'hydroxyapatite.
- Approche de synthèse en une seule étape pour une meilleure efficacité.
- Caractérisation des nanocomposites obtenus.
- Évaluation de la bioactivité dans les applications de supports.
Résultats principaux
- Fabrication réussie de nanocomposites aux propriétés souhaitées.
- Potentiel démontré pour une utilisation dans des échafaudages bioactifs.
- Méthode de synthèse rapide et efficace mise en place.
- Résultats prometteurs pour des applications en régénération osseuse.
Conclusions
- Les nouveaux composés présentent un potentiel important en ingénierie tissulaire.
- Des méthodes de synthèse simples peuvent conduire à des biomatériaux efficaces.
- Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour explorer les applications cliniques.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
Les nanocomposites de graphène et d'hydroxyapatite représentent une avancée stratégique pour l'ingénierie des tissus osseux, offrant de nouveaux matériaux susceptibles d'améliorer la bioactivité des échafaudages et la réponse cellulaire. La possibilité de contrôler l'orientation et l'intégration du nanocomposite soutient une confiance prédictive dans le choix précoce des biomatériaux et réduit les risques liés au développement translationnel. Ces innovations permettent aux équipes de recherche et développement de répondre à des besoins non satisfaits dans les portefeuilles de médecine régénérative.
Applications stratégiques en R-D biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Permet d'interroger les interactions matériau-cellule essentielles à la conception de supports.
- Contribue à l'atténuation des risques biologiques en confirmant l'intégration et l'orientation du nanocomposite.
- Facilite une prédiction fiable dans le choix des candidats supports pour un développement ultérieur.
Développement de criblages et de tests
- Prépare des systèmes nanocomposites validés pour des tests cellulaires en aval.
- Assure la reproductibilité et la normalisation grâce à une synthèse et une caractérisation contrôlées.
- Permet une évaluation quantitative des propriétés du matériau pertinentes pour la performance de l'échafaudage.
Recherche translationnelle et préclinique
- Aligne les propriétés des matériaux avec des modèles pertinents pour la maladie en matière de régénération osseuse.
- Permet une continuité allant de la découverte à la validation préclinique des échafaudages.
- Assure une réduction des risques mécanistiques en permettant des études de modulation médiées par l'orientation.
Intégration des pipelines et des flux de travail
Ces méthodes de synthèse de nanocomposites s'inscrivent dans le continuum entre la phase de découverte précoce et la phase préclinique, soutenant la sélection des candidats supports et l'évaluation translationnelle.
- Biologie de la découverte : Confirme l'intégration et l'orientation des nanomatériaux pour une conception de support guidée par des hypothèses.
- Criblage : Fournit des nanocomposites reproductibles et caractérisés pour des essais cellulaires comparatifs.
- Analytique : Fournit des résultats quantitatifs par HRTEM, EDS, XRD et TGA pour l'étalonnage des matériaux.
- Recherche translationnelle : Permet une concordance avec des modèles précliniques en ingénierie tissulaire osseuse.
- Réutilisation en entreprise : Établit une plateforme pour la synthèse de nanocomposites à orientation contrôlée dans divers programmes de supports.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive et réduit l'ambiguïté mécanistique dans le choix des matériaux de support.
- Valeur opérationnelle : Standardise les protocoles de synthèse et de caractérisation afin d'assurer la reproductibilité et la montée en échelle.
- Valeur stratégique : Améliore les décisions d'avancement ou d'abandon et l'efficacité du capital dans la recherche et le développement en médecine régénérative.
- Impact sur le portefeuille : Permet une priorisation ajustée au risque des candidats supports en vue de leur développement.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en synthèse de nanomatériaux et en techniques de caractérisation.
- Exige un accès à des instruments de HRTEM, EDS, XRD et TGA pour le contrôle qualité.
- Implique une standardisation interéquipes des protocoles de synthèse et des critères analytiques.
- Pourrait nécessiter des adaptations selon les architectures de support ou les modèles cellulaires.
- La séquence d'ajout des réactifs et les conditions de réaction sont cruciales pour l'orientation souhaitée du nanocomposite.
