Sintesi di nanocompositi di grafene-idrossiapatite per un potenziale utilizzo nell'ingegneria dei tessuti ossei
27 luglio 2022
Nuovi nanocompositi di nanonastri di grafene e nanoparticelle di idrossiapatite sono stati preparati utilizzando la sintesi in fase di soluzione. Questi ibridi quando impiegati in scaffold bioattivi possono presentare potenziali applicazioni nell'ingegneria tissutale e nella rigenerazione ossea.
Questo lavoro spiega la strategia per fabbricare nuovi compositi di nano idrossiapatite e nanonastri di grafene con orientamenti opposti. Questi biomateriali sono significativi per lo sviluppo di scaffold di ingegneria del tessuto osseo. Questa è una semplice sintesi di un vaso.
È un metodo rapido, efficace ed economico. Questo lavoro è estremamente rilevante nel contesto del trattamento delle lesioni ossee e dei disturbi associati in cui una maggiore rigenerazione del tessuto osseo promuoverà una rapida guarigione. Per iniziare, sintetizzare le nanoparticelle incontaminate di idrossiapatite usando 50 millilitri della miscela di reazione.
A goccia, aggiungere il 25% di ammonioidrossidro per mantenere un pH di circa 10. Successivamente, agitare la miscela di reazione mediante irradiazione ad ultrasuoni per 30 minuti. Lasciare maturare la soluzione risultante per 120 ore a temperatura ambiente fino a quando il precipitato bianco di nanoparticelle di idrossiapatite si deposita.
Recuperare le nanoparticelle di idrossiapatite mediante centrifugazione a 1.398 x g per cinque minuti a temperatura ambiente. Lavare il precipitato con acqua deionizzata tre volte. Per preparare il nanocomposito nHAP / GNR, utilizzare una strategia di cofunzionalizzazione, iniziare con la dissoluzione di cinque milligrammi di nanonastri di grafene in una miscela di un nitrato di calcio molare tetraidrato e 0,67 molare di diammonio idrogeno fosfato a un volume finale di 50 millilitri.
Durante questa reazione, aggiungere il 25% di idrossido di ammonio a goccia per mantenere il pH a circa 10. Agitare la miscela risultante mediante ultrasuoni per 30 minuti. Dopo il completamento della reazione, lasciare la soluzione indisturbata per 120 ore a temperatura ambiente fino alla maturazione.
Osservare per la formazione di un precipitato gelatinoso di nanoparticelle di idrossiapatite, che ricopre i nanonastri di grafina, in seguito al quale si deposita un precipitato bianco di nHAP/GNR. Lavare il precipitato tre volte mediante centrifugazione a 1.398 x g per cinque minuti a temperatura ambiente seguita da ridispersione in acqua deionizzata. Per sintetizzare nanocompositi GNR/nHAP, sospendere le nanoparticelle di idrossiapatite disponibili in commercio ad una concentrazione di cinque milligrammi per millilitro in 50 millilitri di acqua deionizzata, integrate con cinque milligrammi di nanonabboni di grafina.
Agitare la miscela risultante mediante ultrasuoni per 30 minuti e, successivamente, lasciare la miscela indisturbata per 120 ore a temperatura ambiente. Dopo la maturazione, recuperare il precipitato bianco del GNR/nHAP risultante mediante centrifugazione a 1.398 x g per cinque minuti a temperatura ambiente. Lavare il campione tre volte usando acqua deionizzata.
L'analisi HRTEM del nanocomposito nHAP / GNR ha mostrato patch nHAP tra 150 e 250 nanometri di lunghezza e larghezza. La mappatura elementare ha confermato che le macchie nodali intermediate sui GNR erano effettivamente nHAP a causa della presenza di calcio e fosforo elementari. Nei nanocompositi GNR/nHAP, il GNR ha formato film sottili sulla superficie delle nanoparticelle sferiche nHAP.
L'analisi EDS ha mostrato un chiaro aumento del contenuto di carbonio dovuto ai GGR, mentre i picchi specifici di calcio e fosforo erano dovuti a nHAP. Il marcato aumento del contenuto di carbonio nello spettro nHAP/GNR è dovuto alla maggior parte dei GNR su cui sono state osservate solo piccole macchie di nHAP appena sintetizzato. L'analisi XRD ha confermato che la struttura cristallina esagonale dei picchi forti nHAP corrispondenti rispettivamente a 002, 102, 211, 300, 202, 310, 113, 222 e 213 piani, ha confermato la purezza del nHAP as-sintetizzato.
L'analisi TGA ha mostrato una costante diminuzione della massa dopo 200 gradi Celsius fino a 500 gradi Celsius a causa della cristallizzazione di nHAP. Un ulteriore riscaldamento ha portato alla decomposizione dei complessi. La perdita a causa della presenza di GNR è risultata essere compresa tra lo 0,5 e lo 0,98% in GNR / nHAP e nHAP / GNR.
La sequenza di aggiunta dei reagenti e le condizioni di reazione sono più critiche per ottenere l'orientamento inverso desiderato dei nanocompositi. Studi basati su linee cellulari possono essere eseguiti per verificare il potenziale dei nanocompositi per promuovere l'osteogenesi. Ciò aprirà una nuova area di modulazione mediata dall'orientamento della risposta cellulare per l'ingegneria tissutale.
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Panoramica
Questo studio presenta un metodo per la fabbricazione di nuovi compositi costituiti da nanorubanelli di grafene e nanoparticelle di idrossiapatite. Questi biomateriali sono importanti per lo sviluppo di impalcature nell'ingegneria tissutale ossea, favorendo una rapida guarigione delle lesioni ossee.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Ingegneria biomedica
- Ingegneria dei tessuti
- Scienza dei materiali
Sfondo
- Le lesioni ossee richiedono strategie efficaci di rigenerazione.
- Le nanostrisce di grafene e le nanoparticelle di idrossiapatite possiedono proprietà uniche.
- La combinazione di questi materiali può migliorare le prestazioni dello scaffold.
- I metodi attuali di sintesi possono risultare complessi o costosi.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo di sintesi semplice ed economico per nanocompositi.
- Studiare le possibili applicazioni di questi compositi nell'ingegneria dei tessuti ossei.
- Promuovere una rapida guarigione mediante un potenziamento della rigenerazione ossea.
Metodi Utilizzati
- Sintesi in fase soluzione di nanorubani di grafene e nanoparticelle di idrossiapatite.
- Approccio di sintesi in un unico reattore per maggiore efficienza.
- Caratterizzazione dei nanocompositi ottenuti.
- Valutazione della bioattività in applicazioni di impalcature.
Risultati principali
- Realizzazione con successo di nanocompositi con proprietà desiderate.
- Potenziale dimostrato per l'uso in impalcature bioattive.
- Metodo di sintesi rapido ed efficace stabilito.
- Risultati promettenti per applicazioni nella rigenerazione ossea.
Conclusioni
- I nuovi compositi mostrano un potenziale significativo nell'ingegneria tissutale.
- Metodi di sintesi semplici possono portare a biomateriali efficaci.
- Sono necessarie ulteriori ricerche per esplorare le applicazioni cliniche.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
I nanocompositi di grafene-idrossiapatite rappresentano un progresso strategico nell'ingegneria dei tessuti ossei, offrendo nuovi materiali in grado di migliorare la bioattività dello scaffold e la risposta cellulare. La possibilità di controllare l'orientamento e l'integrazione del nanocomposito sostiene una previsione affidabile nella selezione precoce dei biomateriali e riduce i rischi nello sviluppo traslazionale. Queste innovazioni permettono ai team di ricerca e sviluppo di affrontare esigenze insoddisfatte nei portafogli di medicina rigenerativa.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette l'analisi delle interazioni materiale-cella fondamentali per la progettazione di scaffold.
- Supporta la riduzione del rischio biologico confermando l'integrazione e l'orientamento del nanocomposito.
- Facilita una previsione affidabile nella selezione di candidati scaffold per ulteriori sviluppi.
Sviluppo di screening e saggi
- Prepara sistemi nanocompositi validati per saggi cellulari successivi.
- Garantisce riproducibilità e standardizzazione attraverso una sintesi e caratterizzazione controllate.
- Consente la valutazione quantitativa delle proprietà del materiale rilevanti per le prestazioni dello scaffold.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Allinea le proprietà del materiale a modelli pertinenti alla patologia per la rigenerazione ossea.
- Supporta la continuità dalla scoperta alla validazione preclinica dell'impalcatura.
- Fornisce una riduzione del rischio meccanicistica consentendo studi di modulazione mediati dall'orientamento.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questi metodi di sintesi di nanocompositi si collocano all'interno del continuum dalla scoperta iniziale alla fase preclinica, supportando la selezione dei candidati per lo scaffold e la valutazione traslazionale.
- Biologia della Scoperta: Conferma l'integrazione e l'orientamento dei nanomateriali per la progettazione di scaffold basata su ipotesi.
- Screening: Fornisce nanocompositi riproducibili e caratterizzati per saggi comparativi basati su cellule.
- Analisi: Fornisce risultati quantitativi tramite HRTEM, EDS, XRD e TGA per il confronto dei materiali.
- Ricerca Translazionale: Permette l'allineamento con modelli preclinici per l'ingegneria del tessuto osseo.
- Riutilizzo Aziendale: Stabilisce una piattaforma per la sintesi di nanocompositi con orientamento controllato in diversi programmi di scaffold.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva e riduce l'ambiguità meccanicistica nella selezione dei materiali per gli scaffold.
- Valore operativo: Standardizza i flussi di lavoro di sintesi e caratterizzazione per garantire riproducibilità e scalabilità.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione e l'efficienza nell'uso del capitale nella ricerca e sviluppo in medicina rigenerativa.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione corretta rispetto al rischio dei candidati scaffold per il progresso dello sviluppo.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nelle tecniche di sintesi e caratterizzazione dei nanomateriali.
- Necessita dell'accesso a strumentazione HRTEM, EDS, XRD e TGA per il controllo di qualità.
- Esige una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro riguardo ai protocolli di sintesi e ai parametri analitici di riferimento.
- Potrebbe richiedere adattamenti per diverse architetture di impalcature o modelli cellulari.
- La sequenza di aggiunta dei reagenti e le condizioni di reazione sono fondamentali per ottenere l'orientamento desiderato del nanocomposito.
