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방법 논문

뼈 조직 공학에 잠재적 인 사용을위한 그래핀 - 히드 록시 아파타이트 나노 복합체의 합성

3.4K 조회수

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DOI:

10.3791/63985

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2022년 7월 27일

 ,  ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

그래핀 나노리본 및 하이드록시아파타이트 나노입자의 신규한 나노복합체는 용액상 합성을 사용하여 제조하였다. 이들 하이브리드는 생체활성 스캐폴드에 사용될 때 조직 공학 및 뼈 재생에 잠재적인 응용을 나타낼 수 있다.

초록

뼈 조직 공학을위한 새로운 재료를 개발하는 것은 나노 의학의 가장 중요한 추진 분야 중 하나입니다. 몇몇 나노복합체는 세포 부착, 증식 및 골형성을 촉진하기 위해 하이드록시아파타이트로 제작되었다. 이 연구에서, 하이브리드 나노복합체는 그래핀 나노리본(GNR)과 하이드록시아파타이트(nHAPs)의 나노입자를 사용하여 성공적으로 개발되었으며, 이는 생리활성 스캐폴드에 사용될 때 잠재적으로 골 조직 재생을 향상시킬 수 있다. 이들 나노구조체는 생체적합성일 수 있다. 여기에서는 새로운 재료를 준비하는 데 두 가지 접근법이 사용되었습니다. 한 접근법에서, nHAP가 합성되고 GNR에 동시에 접합되는 공동 기능화 전략이 사용되었고, GNR 표면 (nHAP / GNR로 표시됨)에서 nHAP의 나노 하이브리드가 발생했습니다. 고분해능 투과 전자 현미경 (HRTEM)은 nHAP / GNR 복합체가 바늘 모양의 nHAP (길이 40-50 nm)의 개별 패치 (150-250 nm)가있는 GNR (최대 길이 1.8 μm)의 가늘고 얇은 구조로 구성되어 있음을 확인했습니다. 다른 접근법에서, 상업적으로 이용가능한 nHAP는 GNR-코팅된 nHAP (GNR/nHAP로 표시됨)를 형성하는 GNR들과 접합되었다(즉, nHAP/GNR 나노하이브리드에 비해 반대 배향을 가짐). 후자의 방법을 사용하여 형성된 나노하이브리드는 표면에 GNR의 네트워크로 덮인 50 nm 내지 70 nm 범위의 직경을 갖는 nHAP 나노구를 나타내었다. 에너지 분산 스펙트럼, 원소 매핑 및 푸리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼은 두 나노하이브리드 모두에서 nHAP 및 GNR의 성공적인 통합을 확인하였다. 열 중량 분석 (TGA)은 GNR의 존재로 인한 상승 된 가열 온도에서의 손실이 GNR / nHAP 및 nHAP / GNR의 경우 각각 0.5 % 및 0.98 %임을 나타냅니다. 반대 방향을 가진 nHAP-GNR 나노하이브리드는 골 조직 공학 응용을 개선하기 위한 세포 기능을 잠재적으로 촉진하기 위해 생리활성 스캐폴드에 사용하기 위한 중요한 물질을 나타낸다.

서론

그래핀은 sp-혼성화 탄소로 구성된 시트형 이차원 구조를 갖는다. 몇몇 다른 동소체는 그래핀의 확장된 벌집 네트워크에 기인할 수 있다(예를 들어, 그래핀 시트의 적층은 동일한 물질을 굴려내면서 3D 흑연을 형성하면서 1D 나노튜브(1)의 형성을 초래한다). 마찬가지로, 0D 풀러렌은 래핑2로 인해 형성됩니다. 그래 핀은 실온에서 양극성 전계 효과와 양자 홀 효과를 포함하는 매력적인 물리 화학적 및 광전자 특성을 가지고 있습니다 3,4. 단일 분자 흡착 이벤트의 검출과 매우 높은 운반체 이동성은 그래핀 5,6의 매력적인 특성을 추가한다. 또한, 좁은 폭과 큰 평균 자유 경로, 높은 전류 밀도를 갖는 낮은 저항률 및 높은 전자 이동성을 갖는 그래핀 나노리본(GNR)은 유망한 상호 연결 물질7로 간주된다. 따라서 GNR은 무수한 장치에서의 응용 분야, 그리고 최근에는 나노 의학, 특히 조직 공학 및 약물 전달8에서 탐구되고 있습니다.

다양한 외상성 질환 중에서 뼈 부상은 골절을 안정화하고, 새로운 뼈로 재생 및 교체하고, 감염에 저항하고, 뼈 비 연합(9,10)을 재정렬하는 데 어려움이 있기 때문에 가장 어려운 것 중 하나로 간주됩니다. 외과 적 절차는 대퇴골 샤프트 골절의 유일한 대안으로 남아 있습니다. 거의 $ 52 백만은 중앙 아메리카와 유럽11에서 뼈 부상을 치료하는 데 매년 지출된다는 점에 유의해야합니다.

뼈 조직 공학 응용을 위한 생리활성 스캐폴드는 뼈 자체의 마이크로와 나노 건축 특성(12)과 유사하기 때문에 나노하이드록시아파타이트(nHAP)를 통합함으로써 보다 효과적일 수 있다. Ca/P 몰비가 1.67인Ca10(PO4)6(OH)2로 화학적으로 표현되는 HAP는 생물 의학 응용, 특히 치주 결함 치료, 경질 조직의 치환 및 정형외과 수술용 임플란트 제작에 가장 적합합니다(13,14). 따라서, GNRs로 강화된 nHAP 기반 생체 재료의 제조는 우수한 생체적합성을 보유할 수 있고, 골유착을 촉진하고 골전도성(15,16)이 될 수 있는 그들의 능력으로 인해 유리할 수 있다. 이러한 하이브리드 복합 스캐폴드는 세포 부착, 확산, 증식 및 분화(17)와 같은 생물학적 특성을 보존할 수 있다. 본원에서, 우리는 도 1에 예시된 바와 같이 nHAP 및 GNRs의 공간적 배열을 합리적으로 변경함으로써 골 조직 공학을 위한 두 개의 새로운 나노복합체의 제조를 보고한다. 두 개의 상이한 nHAP-GNR 배열의 화학적 및 구조적 특성이 여기에서 평가되었다.

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프로토콜

1. 침전에 의한 nHAP의 합성

  1. 1 M Ca(NO3)2∙4H2O 및 0.67 M(NH4)H2PO4를 함유하는 반응 혼합물 50 mL를 사용하여 깨끗한 nHAP를 합성한 다음,NH4OH(25%)를 적가하여 pH를 1018 전후로 유지한다.
  2. 그 후, 반응 혼합물을 30분 동안 초음파 조사(UI)에 의해 교반시킨다(500 W 전력 및 20 kHz 초음파 주파수).
  3. 생성된 용액을 nHAP의 백색 침전물이 침전될 때까지 실온에서 120 h 동안 성숙시키십시오. 실온에서 5 분 동안 1398 x g에서 원심분리하여 nHAP를 회수하였다.
  4. 침전물을 탈이온화(DI) 물 3x로 세척하고 48시간 동안 동결건조시킨다. 건조 분말을 4°C에서 보관한다.

2. nHAP/GNR 나노복합체의 제조

참고: 다음은 nHAP와 GNR의 두 가지 서로 다른 공간 배열을 나타내는 nHAP/GNR(즉, GNR 표면의 nHAP) 및 GNR/nHAP(GNR 코팅 nHAP) 나노복합체를 제조하기 위한 두 가지 접근 방식을 설명합니다(그림 1).

  1. nHAP/GNR의 합성
    1. nHAP / GNR 나노 복합체를 제조하려면 다음과 같이 nHAP를 합성하고 GNR에 동시에 접합 할 수있는 공동 기능화 전략을 사용하십시오.
    2. 5 mg의 GNR (물질표)을 1 M 질산 칼슘 사수화물 [Ca(NO3)2·4H2O] 및 0.67 M 디암모늄 수소 포스페이트 [(NH4)2HPO4]의 혼합물에 용해시켜 최종 부피19 mL 50 mL로 한다.
    3. 이 반응 동안,NH4OH의 25%를 적가하여 pH를 ∼10으로 유지한다. 생성된 혼합물을 UI로 30분 동안 교반한다.
    4. 반응 종료 후, 용액을 성숙될 때까지 실온에서 120 h 동안 방해받지 않고 방치한다.
    5. GNR을 코팅하는 nHAP의 젤라틴 침전물의 형성을 관찰하고, 그 다음에 nHAP / GNR의 백색 침전물이 침전됩니다.
    6. 실온에서 5분 동안 1398 x g 에서 원심분리하여 침전물을 3x 세척한 다음, DI 물에 재분산시켰다.
    7. 회수된 세척된 침전물을 48시간 동안 동결건조시킨다. 건조 분말을 4°C에서 보관한다.
    8. 원시 nHAP 및 GNR을 대조군 샘플로 사용하십시오.
  2. GNR/nHAP 나노복합체의 합성
    1. 시판되는 nHAP를 GNR 5mg으로 보충된 DI 물 50mL에 5mg/mL의 농도로 현탁시킨다.
    2. 생성된 혼합물을 UI에 의해 30분 동안 교반하고, 그 후 혼합물을 실온에서 120 h 동안 방해받지 않고 방치한다.
    3. 성숙 후, 실온에서 5 분 동안 1398 x g에서 원심분리하여 생성된 GNR/nHAP의 백색 침전물을 회수하였다.
    4. DI 물을 사용하여 샘플을 3x 세척하고, 이를 48시간 동안 동결건조하고, 추가 사용을 위해 건조 분말을 4°C에서 저장한다.

3. nHAP, nHAP / GNR 및 GNR / nHAP의 특성 분석

  1. 고분해능 투과 전자 현미경 (HRTEM) ( 재료 표 참조)을 사용하여 나노 복합체11의 형태와 크기를 특성화하십시오.
  2. 에너지 분산 분광법 (EDS)을 사용하는 나노 복합체의 원소 조성을 분석하고 주사 투과 전자 현미경 (STEM)11을 사용하여 원소 매핑을 수행하십시오.
  3. 500-4000 cm-1의 파장에서 깔끔한 샘플에 대한 푸리에 변환 적외선 (FTIR) 분광법을 수행하여 나노 복합체 (16)의 화학 그룹을 분석하십시오.
  4. 합성된 nHAP의 분말 X선 회절(XRD) 분석을 1.5406 Å의 X선 파장, 각각 40 mA 및 40 kV의 전류 및 전압 설정, 및 2θ 범위의 20° 내지 90°를 사용하여 수행한다.
  5. 질소 흐름 하에서 샘플을 실온에서 10°C/분의 속도로 1000°C로 가열하여 열중량 분석(TGA)을 사용하여 나노복합체에서 GNR의 로딩 퍼센트를 평가한다.

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결과

HRTEM 분석
개별적으로, GNRs는 그림 2에서 관찰된 바와 같이 어느 정도 거리에서 약간의 굴곡을 갖는 가느다란 대나무와 같은 구조였다. 가장 긴 GNR은 1.841 μm이고 가장 작은 구부러진 GNR은 497 nm였다. 나노 리본은 종종 많은 곳에서 나선형 구성을 형성하기 위해 비틀림에 기인 할 수있는 너비의 가시적 인 변화를 나타 냈습니다. GNR의 이러한 단방향 정렬은 자기 특성, 전도성, 또는 열 수송(7)과 같은 매력적인 특징을 얻는 것을 도울 수 있다.

실온에서 질산칼슘 사수화물 및 인산이암모늄을 사용하여 합성된 nHAPs(단계 1)는 40nm 내지 50nm 범위의 크기를 갖는 막대 모양 또는 바늘 형상이었다(도 3). 합성된 나노물질은 응집 및 결정질 성장으로 인한 덩어리에서 발...

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토론

다양한 금속, 중합체, 세라믹 및 이들의 조합이 정형외과 임플란트 및 고정 액세서리로서 연구되었지만, HAP는 뼈 자체와의 화학적 유사성 및 결과적으로 높은 세포 적합성20,21,22로 인해 가장 바람직한 물질 중 하나로 간주됩니다. 본 연구에서, HAP의 배향은 다양하였으며, 이는 골형성의 촉진, 골유착 및 골전도성과 같은 그의 독특한 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 또한, HAP의 방향을 변경하면 신체의 긴 뼈가 HA와 콜라겐의 이방성 정렬을 가지고 있기 때문에 나노 복합체의 기계적 특성에 영향을 미쳐 자연 뼈의 기계적 특성에 영향을 줄 수 있으며 입방 뼈는 콜라겐과 HA의 무작위 배열을 가지고 있기 때문입니다. 천연 HAP가 인간의 치아와 뼈의 주요 구성 요소이지만, 그 물리적 특성은 CaP 상23의 반응 시간...

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공개 사항

저자는 이해 상충이 없습니다.

감사의 글

Sougata Ghosh 박사는 과학 기술부 (DST), 과학 기술부, 인도 정부 및 Jawaharlal Nehru 첨단 과학 연구 센터가 나노 과학 기술 박사 후 해외 펠로우십에 따라 자금을 지원했음을 인정합니다 (Ref. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 년 8 월 19 일자 2019-2260). Sougata Ghosh 박사는 태국 방콕의 Kasetsart University에서 박사 후 펠로우십을 수여하고 Reinventing University Program (Ref. No. 6501.0207/10870 일자 2021 년 11 월 9 일자)에 따라 자금을 지원합니다. 저자들은 특성화 실험에 도움을 주신 Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF)에 감사드립니다. KANCF는 노스이스턴 대학교의 코스타스 연구소(KRI) 내의 공동 종합 연구 및 교육 시설입니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
인산 암모늄 일 염기성시그마 -알드리치216003-100G합성
질산 칼슘 사수화물시그마-알드리치237124합성
원심 분리기HettichEBA 200S회수
푸리에 변환 적외선 분광계BruckerVertex 70특성화
그래핀 나노 리본Sigma-Aldrich922714합성
고해상도 투과 전자 현미경Thermo Fisher ScientificThemis Titan 300특성화
자기 교반기IKAC-MAG HS7 S68기능화
마이크로피펫TreffLab06H35687시약 준비
pH 측정기Eutech pH5+ECPH503PLUSK시약 준비
/ 열 중량 분석기TA InstrumentsSDT Q600특성화
: 초음파 수조BandelinDT100기능화
: 범용 오븐memmertUF55기능화
계량 저울PrecisaXB220A시약 :
X 선 회절계BruckerD8-Advanced특성화

참고문헌

  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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