סינתזה של ננו-קומפוזיטים של גרפן-הידרוקסיאפטיט לשימוש פוטנציאלי בהנדסת רקמות עצם
27 ביולי 2022
ננו-קומפוזיטים חדשניים של ננו-ננו-חלקיקי גרפן והידרוקסיאפטיט הוכנו באמצעות סינתזה של שלב התמיסה. בני כלאיים אלה כאשר הם מועסקים בפיגומים ביו-אקטיביים יכולים להציג יישומים פוטנציאליים בהנדסת רקמות והתחדשות עצם.
עבודה זו מסבירה את האסטרטגיה לייצור חומרים מרוכבים חדשניים של ננו-הידרוקסיאפטיט וננו-ננו-נוריבונים של גרפן בעלי אוריינטציות מנוגדות. ביו-חומרים אלה משמעותיים לפיתוח פיגומים הנדסיים של רקמות עצם. זוהי סינתזה פשוטה של סיר אחד.
זוהי שיטה מהירה, יעילה וחסכונית. עבודה זו רלוונטית ביותר בהקשר של טיפול בפציעות עצם ומחלות נלוות שבהן יותר התחדשות רקמת העצם תקדם ריפוי מהיר. כדי להתחיל, לסנתז את הננו-חלקיקים הבתוליים של הידרוקסיאפטיט באמצעות 50 מיליליטרים של תערובת התגובה.
באופן טיפתי, הוסיפו 25% אמוניוםהידרוקסיד כדי לשמור על pH של כ-10. לאחר מכן, להתסיס את תערובת התגובה על ידי הקרנה אולטרסאונד במשך 30 דקות. אפשרו לתמיסה המתקבלת להבשיל למשך 120 שעות בטמפרטורת החדר עד שהתמיסה הלבנה של ננו-חלקיקים של הידרוקסיאפטיט תשקע.
לשחזר את הננו-חלקיקים של הידרוקסיאפטיט על ידי צנטריפוגה ב 1, 398 x g במשך חמש דקות בטמפרטורת החדר. לשטוף את המשקע עם מים deionized שלוש פעמים. כדי להכין את הננו-קומפוזיט nHAP/GNR, השתמשו באסטרטגיית קופונקציונליזציה, התחילו בהמסת חמישה מיליגרם של ננו-ננו-ננו-מולקולות גרפן בתערובת של סידן חנקתי טוחן אחד טוחן טמאום טוחן טמאמוני מימן פוספט לנפח סופי של 50 מיליליטר.
במהלך תגובה זו, הוסיפו 25% של אמוניום הידרוקסיד באופן טיפתי כדי לשמור על ה-pH על כ-10. התסיסו את התערובת המתקבלת על ידי אולטרה-סוניזציה למשך 30 דקות. לאחר השלמת התגובה, השאירו את התמיסה ללא הפרעה במשך 120 שעות בטמפרטורת החדר עד להתבגרות.
שימו לב להיווצרות של משקע ג'לטיני של ננו-חלקיקים של הידרוקסיאפטיט, אשר מצפה את הננו-נוריבונים של הגרפים, ולאחר מכן משקע לבן של nHAP/GNR מתיישב. לשטוף את המשקע שלוש פעמים על ידי צנטריפוגה ב 1, 398 x g במשך חמש דקות בטמפרטורת החדר ואחריו redispersioning במים deionized. כדי לסנתז ננו-קומפוזיטים מסוג GNR/nHAP, השעו ננו-חלקיקים זמינים מסחרית של הידרוקסיאפטיט בריכוז של חמישה מיליגרם למיליליטר ב-50 מיליליטר של מים שעברו דה-יוניזציה, בתוספת חמישה מיליגרם של ננו-גרפין.
התסיסו את התערובת המתקבלת על ידי אולטראסוניזציה במשך 30 דקות, ולאחר מכן, השאירו את התערובת ללא הפרעה במשך 120 שעות בטמפרטורת החדר. לאחר ההבשלה, שחזרו את המשקע הלבן של ה-GNR/nHAP שנוצר על ידי צנטריפוגה ב-1, 398 x g במשך חמש דקות בטמפרטורת החדר. שטפו את הדגימה שלוש פעמים באמצעות מים שעברו דה-יוניזציה.
ניתוח HRTEM של ננו-קומפוזיט nHAP/GNR הראה טלאי nHAP בין 150 ל-250 ננומטר באורך וברוחב. מיפוי היסודי אישר כי המדבקות הנודלות המתווכות על ה- GNRs אכן היו nHAP בשל נוכחותם של סידן יסודי וזרחן. בננו-קומפוזיטים של GNR/nHAP, ה-GNR יצר יריעות דקות על פני השטח של ננו-חלקיקי ה-nHAP הכדוריים.
ניתוח ה-EDS הראה עלייה ברורה בתכולת הפחמן עקב GNRs, בעוד שהשיאים הספציפיים לסידן וזרחן נבעו מ-nHAP. העלייה הניכרת בתכולת הפחמן בספקטרום ה-nHAP/GNR נובעת מרוב ה-GNR שעליהם נצפו רק טלאים קטנים של nHAP מסונתז טרי. ניתוח XRD אישר שהמבנה הגבישי המשושה של הפסגות החזקות של nHAP המקביל למישורים 002, 102, 211, 300, 202, 310, 113, 222 ו-213, בהתאמה, אישר את טוהר ה-nHAP המסונתז.
ניתוח TGA הראה ירידה מתמדת במסה לאחר 200 מעלות צלזיוס עד 500 מעלות צלזיוס עקב התגבשות של nHAP. חימום נוסף הוביל לפירוק המתחמים. אובדן עקב נוכחות של GNRs נמצא בין 0.5 ל 0.98% ב- GNR / nHAP ו- nHAP / GNR.
רצף התוספת של ריאגנטים ותנאי תגובה הם קריטיים ביותר כדי לקבל את הכיוון ההפוך הרצוי של הננו-קומפוזיטים. ניתן לבצע מחקרים מבוססי קווי תאים כדי לבדוק את הפוטנציאל של הננו-קומפוזיטים לקדם אוסטאוגנזה. זה יפתח תחום חדש של אפנון בתיווך אוריינטציה של התגובה התאית להנדסת רקמות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג שיטה לייצור של קומפוזיטים חדשניים של ננו-סרטי גרפן וננו-חלקיקים של הידרוקסיאפטיט. ביומטריאלים אלה בעלי חשיבות משמעותית לפיתוח פיגומים (scaffolds) בהנדסת רקמות עצם, המקדמים ריפוי מהיר של פגיעות בעצם.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- הנדסה ביו-רפואית
- הנדסת רקמות
- מדע החומרים
רקע
- פגיעות בעצמות דורשות אסטרטגיות רגנרציה יעילות.
- לסרטי ננו-גרפן ולננו-חלקיקי הידרוקסיאפטיט יש תכונות ייחודיות.
- שילוב של חומרים אלו יכול לשפר את ביצועי הפיגום.
- שיטות סינתזה נוכחיות עשויות להיות מורכבות או יקרות.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטת סינתזה פשוטה וכלכלית עבור ננו-composite-ים.
- בחינת היישומים הפוטנציאליים של composite-ים אלו בהנדסת רקמת עצם.
- קידום ריפוי מהיר באמצעות שיפור רגנרציה של העצם.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- סינתזה של ננו-סרטי גרפן וננו-חלקיקי הידרוקסיאפטיט בשלב תמיסתי.
- גישת סינתזה בסיר אחת (One-pot) לצורך יעילות.
- אפיון של הננו-קומפוזיטים שהתקבלו.
- הערכת ביו-אקטיביות ביישומים של פיגומים (scaffolds).
תוצאות עיקריות
- ייצור מוצלח של ננו-composite עם התכונות הרצויות.
- הפגנת פוטנציאל לשימוש בפיגומים ביו-אקטיביים.
- ביסוס שיטת סינתזה מהירה ואפקטיבית.
- תוצאות מבטיחות ליישומים של רגנרציה של עצם.
מסקנות
- ה composite-ים החדשניים מראים פוטנציאל משמעותי בהנדסת רקמות.
- שיטות סינתזה פשוטות יכולות להוביל לביומטריאלים יעילים.
- נדרש מחקר נוסף כדי לבחון יישומים קליניים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
ננו-composite של גרפן-הידרוקסיאפטיט מהווים התקדמות אסטרטגית להנדסת רקמת עצם, ומציעים חומרים חדשים שעשויים לשפר את הביו-אקטיביות של הפיגומים ואת התגובה התאית. היכולת לשלוט באוריינטציה ובאינטגרציה של הננו-composite תומכת בביטחון חיזוי בבחירת חומרי ביומטריים בשלבים מוקדמים ומפחיתה סיכונים בפיתוח תרגומי. חידושים אלו מאפשרים לצוותי מו"פ לתת מענה לצרכים שטרם סופקו בפורטפוליו של רפואה רגנרטיבית.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה של אינטראקציות בין חומר לתא, החיוניות לתכנון פיגומים.
- תומך בהפחתת סיכונים ביולוגיים על ידי אישור השילוב והאוריינטציה של הננו-composite.
- מסייע בביטחון חיזוי בבחירת מועמדים לפיגומים להמשך פיתוח.
סריקה ופיתוח בדיקות
- מכין מערכות ננו-קומפוזיט מאומתות עבור בדיקות מבוססות תאים בהמשך התהליך.
- מבטיח הדירות וסטנדרטיזציה באמצעות סינתזה ואפיון מבוקרים.
- מאפשר הערכה כמותית של תכונות החומר הרלוונטיות לביצועי הפיגום.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה את תכונות החומר למודלים רלוונטיים למחלה עבור רגנרציה של עצם.
- תומך ברצף החל משלב הגילוי ועד לאישור פרה-קליני של הפיגום.
- מספק הפחתת סיכונים מנגנונית על ידי אפשור מחקרי מודולציה המתווכים על ידי אוריינטציה.
שילוב תהליכי עבודה (Pipeline & Workflow Integration)
שיטות סינתזה אלו של ננו-קומפוזיטים משתלבות ברצף שבין שלבי הגילוי המוקדמים למסלול הפרה-קליני, ובכך הן תומכות בבחירת מועמדים לפיגומים ובהערכה תרגומית.
- ביולוגיה של הגילוי: מאשרת את האינטגרציה והאוריינטציה של ננו-חומרים לצורך תכנון פיגומים מונחה-השערה.
- סריקה: מספקת ננו-composite-ים מאופיינים וניתנים לשחזור עבור בדיקות השוואתיות מבוססות תאים.
- אנליזה: מספקת פלטים כמותיים באמצעות HRTEM, EDS, XRD ו-TGA לצורך ביצוע השוואות (benchmarking) של חומרים.
- מחקר תרגומי: מאפשרת התאמה למודלים פרה-קליניים להנדסת רקמת עצם.
- שימוש חוזר ארגוני: מקריאה פלטפורמה לסינתזה של ננו-composite-ים בשליטה על האוריינטציה עבור תוכניות פיתוח פיגומים שונות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מכניסטית בבחירת חומרים לפיגומים.
- ערך תפעולי: מתקנן את זרימות העבודה של הסינתזה והאפיון לצורך הדירות ויכולת הרחבה.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת ההחלטות לגבי המשך התהליך (go/no-go) ואת היעילות ההונית במחקר ופיתוח של רפואה רגנרטיבית.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתיעודוף מותאם סיכון של מועמדים לפיגומים לצורך קידומם.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בסינתזה של ננו-חומרים ובטכניקות אפיון.
- נדרשת גישה למכשור HRTEM, EDS, XRD ו-TGA לצורך בקרת איכות.
- נדרשת סטנדרטיזציה בין-צוותית של פרוטוקולי סינתזה ומדדי ייחוס אנליטיים.
- עשוי להידרש התאמה למבני פיגומים (scaffolds) שונים או למודלים תאיים שונים.
- סדר הוספת הריאגנטים ותנאי התגובה הם קריטיים להשגת האוריינטציה הרצויה של הננו-composite.
