Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Synthese van grafeen-hydroxyapatiet nanocomposieten voor potentieel gebruik in bone tissue engineering

3.4K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/63985

⸱

27 juli 2022

 ,  ,  ,  , 
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

In dit artikel

Samenvatting

Nieuwe nanocomposieten van grafeen nanoribbons en hydroxyapatiet nanodeeltjes werden bereid met behulp van oplossingsfase synthese. Deze hybriden kunnen, wanneer ze worden gebruikt in bioactieve steigers, potentiële toepassingen vertonen in tissue engineering en botregeneratie.

Samenvatting

Het ontwikkelen van nieuwe materialen voor botweefseltechnologie is een van de belangrijkste stuwkrachtgebieden van nanogeneeskunde. Verschillende nanocomposieten zijn vervaardigd met hydroxyapatiet om celtrouw, proliferatie en osteogenese te vergemakkelijken. In deze studie werden hybride nanocomposieten met succes ontwikkeld met behulp van grafeen nanoribbons (GNR's) en nanodeeltjes van hydroxyapatiet (nHAPs), die bij gebruik in bioactieve steigers mogelijk de regeneratie van botweefsel kunnen verbeteren. Deze nanostructuren kunnen biocompatibel zijn. Hier werden twee benaderingen gebruikt voor het voorbereiden van de nieuwe materialen. In één benadering werd een co-functionalisatiestrategie gebruikt waarbij nHAP tegelijkertijd werd gesynthetiseerd en geconjugeerd tot GNR's, wat resulteerde in nanohybriden van nHAP op GNR-oppervlakken (aangeduid als nHAP / GNR). Hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HRTEM) bevestigde dat de nHAP/GNR-composiet bestaat uit slanke, dunne structuren van GNR's (maximale lengte van 1,8 μm) met discrete patches (150-250 nm) naaldachtige nHAP (40-50 nm lang). In de andere benadering werd commercieel verkrijgbare nHAP geconjugeerd met GNR's die GNR-gecoat nHAP vormden (aangeduid als GNR / nHAP) (d.w.z. met een tegenovergestelde oriëntatie ten opzichte van het nHAP / GNR-nanohybride). Het nanohybride gevormd met behulp van de laatste methode vertoonde nHAP-nanosferen met een diameter variërend van 50 nm tot 70 nm bedekt met een netwerk van GNR's op het oppervlak. Energiedispersieve spectra, elementaire mapping en Fourier transform infrared (FTIR) spectra bevestigden de succesvolle integratie van nHAP en GNR's in beide nanohybriden. Thermogravimetrische analyse (TGA) gaf aan dat het verlies bij verhoogde verwarmingstemperaturen als gevolg van de aanwezigheid van GNR's respectievelijk 0,5% en 0,98% was voor GNR/nHAP en nHAP/GNR. De nHAP-GNR nanohybriden met tegengestelde oriëntaties vertegenwoordigen belangrijke materialen voor gebruik in bioactieve steigers om mogelijk cellulaire functies te bevorderen voor het verbeteren van botweefseltechnologietoepassingen.

Inleiding

Grafeen heeft plaatachtige tweedimensionale structuren die zijn samengesteld uit sp-gehybridiseerde koolstof. Verschillende andere allotropen kunnen worden toegeschreven aan het uitgebreide honingraatnetwerk van grafeen (bijvoorbeeld het stapelen van grafeenvellen vormt 3D-grafiet terwijl het afrollen van hetzelfde materiaal resulteert in de vorming van 1D-nanobuisjes1). Evenzo worden 0D-fullerenen gevormd als gevolg van hetinpakken van 2. Grafeen heeft aantrekkelijke fysisch-chemische en opto-elektronische eigenschappen, waaronder een ambipolair veldeffect en een quantum Hall-effect bij kamertemperatuur 3,4. Detectie van adsorptiegebeurtenissen met één molecuul en extreem hoge dragermobiliteit dragen bij aan de aantrekkelijke eigenschappen van grafeen 5,6. Verder worden grafeen nanoribbons (GNR's) met smalle breedtes en een groot gemiddeld vrij pad, lage weerstand met een hoge stroomdichtheid en hoge elektronenmobiliteit beschouwd als veelbelovende onderling verbonden materialen7. Vandaar dat GNR's worden onderzocht voor toepassingen in een groot aantal apparaten, en meer recent in nanogeneeskunde, met name tissue engineering en medicijnafgifte8.

Onder de verschillende traumatische aandoeningen worden botletsels beschouwd als een van de meest uitdagende vanwege problemen bij het stabiliseren van de fractuur, regeneratie en vervanging door nieuw bot, weerstand bieden aan infectie en bot niet-unies opnieuw uitlijnen 9,10. Chirurgische ingrepen blijven het enige alternatief voor femurschachtfracturen. Opgemerkt moet worden dat bijna $ 52 miljoen elk jaar wordt besteed aan de behandeling van botletsels in Midden-Amerika en Europa11.

Bioactieve steigers voor botweefseltechnologietoepassingen kunnen effectiever zijn door nano-hydroxyapatiet (nHAP) op te nemen, omdat ze lijken op de micro- en nano-architecturale eigenschappen van het bot zelf12. HAP, chemisch weergegeven als Ca10(PO4)6(OH)2 met een Ca/P molaire verhouding van 1,67, heeft de meeste voorkeur voor biomedische toepassingen, met name voor de behandeling van parodontale defecten, de vervanging van harde weefsels en het vervaardigen van implantaten voor orthopedische operaties13,14. De fabricage van op nHAP gebaseerde biomaterialen versterkt met GNR's kan dus superieure biocompatibiliteit bezitten en kan voordelig zijn vanwege hun vermogen om osseo-integratie te bevorderen en osteogeleidend te zijn 15,16. Dergelijke hybride composietsteigers kunnen biologische eigenschappen behouden, zoals celaanhanging, verspreiding, proliferatie en differentiatie17. Hierin rapporteren we de fabricage van twee nieuwe nanocomposieten voor botweefseltechnologie door de ruimtelijke rangschikking van nHAP en GNR's rationeel te wijzigen, zoals geïllustreerd in figuur 1. De chemische en structurele eigenschappen van de twee verschillende nHAP-GNR-regelingen werden hier geëvalueerd.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Synthese van nHAP door neerslag

  1. Synthetiseer de ongerepte nHAP met behulp van 50 ml van het reactiemengsel dat 1 M Ca(NO3)2∙4H2O en 0,67 M (NH4)H2PO4 bevat, gevolgd door de druppelsgewijze toevoeging van NH4OH (25%) om een pH rond 1018 te behouden.
  2. Roer daarna het reactiemengsel door ultrasone bestraling (UI) gedurende 30 minuten (500 W vermogen en 20 kHz ultrasone frequentie).
  3. Laat de resulterende oplossing 120 uur rijpen bij kamertemperatuur totdat het witte neerslag van nHAP is neergedaald. Herstel de nHAP door centrifugatie bij 1398 x g gedurende 5 minuten bij kamertemperatuur.
  4. Was het neerslag 3x met gedeïoniseerd (DI) water en lyofiel gedurende 48 uur. Bewaar het droge poeder bij 4 °C.

2. Bereiding van nHAP/GNR nanocomposieten

OPMERKING: Hieronder worden twee benaderingen beschreven voor het fabriceren van nHAP/GNR (d.w.z. nHAP op GNR-oppervlakken) en GNR/nHAP (GNR-gecoate nHAP) nanocomposieten die twee verschillende ruimtelijke arrangementen van nHAP en GNR's vertegenwoordigen (figuur 1).

  1. Synthese van nHAP/GNR
    1. Om het nHAP/GNRs nanocomposiet voor te bereiden, gebruikt u een co-functionalisatiestrategie waarbij nHAP tegelijkertijd kan worden gesynthetiseerd en geconjugeerd tot GNR's, als volgt.
    2. Los 5 mg GNR's (Materiaaltabel) op in een mengsel van 1 M calciumnitraattetrahydraat [Ca(NO3)2·4H2O] en 0,67 M diammoniumwaterstoffosfaat [(NH4)2HPO4] tot een eindvolume van 50 ml19.
    3. Voeg tijdens deze reactie druppelsgewijs 25% van NH4OH toe om de pH op ~10 te houden. Roer het resulterende mengsel door UI gedurende 30 minuten.
    4. Laat na voltooiing van de reactie de oplossing 120 uur ongestoord op kamertemperatuur tot rijping.
    5. Observeer de vorming van een gelatineus neerslag van nHAP dat de GNR's bedekt, waarna een wit neerslag van nHAP / GNR's bezinkt.
    6. Was het neerslag 3x door centrifugatie bij 1398 x g gedurende 5 minuten bij kamertemperatuur, gevolgd door herdispersie in DI-water.
    7. Lyofiliseer het teruggewonnen gewassen neerslag gedurende 48 uur. Bewaar het droge poeder bij 4 °C.
    8. Gebruik ongerepte nHAP en GNR's als controlemonsters.
  2. Synthese van GNR/nHAP nanocomposiet
    1. Suspensie in de handel verkrijgbare nHAP in een concentratie van 5 mg /ml in 50 ml DI-water aangevuld met 5 mg GNR's.
    2. Roer het resulterende mengsel gedurende 30 minuten met UI en laat het mengsel daarna 120 uur ongestoord op kamertemperatuur.
    3. Herstel na rijping het witte neerslag van het resulterende GNR/nHAP door centrifugatie bij 1398 x g gedurende 5 minuten bij kamertemperatuur.
    4. Was het monster 3x met DI-water, lyofiel het gedurende 48 uur en bewaar het droge poeder bij 4 °C voor verder gebruik.

3. Karakterisering van nHAP, nHAP/GNR en GNR/nHAP

  1. Gebruik een hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscoop (HRTEM) (zie Tabel van materialen) om de morfologie en grootte van de nanocomposieten te karakteriseren11.
  2. Analyseer de elementaire samenstelling van de nanocomposieten met behulp van energiedispersieve spectroscopie (EDS) en voer elementaire mapping uit met behulp van de scanning transmission electron microscope (STEM)11.
  3. Voer Fouriertransformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) uit voor de nette monsters op golfnummers van 500-4000 cm−1 om de chemische groepen in het nanocomposiet16 te analyseren.
  4. Voer poeder X-ray diffractie (XRD) analyse uit van de as-gesynthetiseerde nHAP met behulp van een röntgengolflengte van 1.5406 Å, stroom- en spanningsinstellingen van respectievelijk 40 mA en 40 kV, en 2θ variërend van 20 ° tot 90 °.
  5. Evalueer de procentuele belasting van GNR in het nanocomposiet met behulp van thermogravimetrische analyse (TGA) door de monsters te verwarmen van kamertemperatuur tot 1000 °C met een snelheid van 10 °C/min onder stikstofstroom.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

HRTEM analyse
Individueel waren GNR's slanke bamboe-achtige structuren met enkele bochten op enige afstand, zoals waargenomen in figuur 2. De langste GNR was 1.841 μm terwijl de kleinste gebogen GNR 497 nm was. De nanoribbons vertoonden vaak een zichtbare variatie in breedte die kan worden toegeschreven aan het draaien om op veel plaatsen spiraalvormige configuraties te vormen. Een dergelijke unidirectionele uitlijning van GNR's kan bijdragen tot het verkrijgen van aantre...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Hoewel verschillende metalen, polymeren, keramiek en hun combinaties zijn onderzocht als orthopedische implantaten en fixatieaccessoires, wordt HAP beschouwd als een van de meest geprefereerde materialen vanwege de chemische gelijkenis met het bot zelf en de daaruit voortvloeiende hoge cytocompatibiliteit 20,21,22. In deze studie was de oriëntatie van HAP gevarieerd, wat een aanzienlijke impact kan hebben op de unieke eigenschap...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben geen belangenconflicten.

Dankbetuigingen

Dr. Sougata Ghosh erkent het Department of Science and Technology (DST), het Ministerie van Wetenschap en Technologie, de Regering van India en het Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research, India voor financiering onder de Post-Doctoral Overseas Fellowship in Nano Science and Technology (Ref. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 van 19 augustus 2019). Dr. Sougata Ghosh erkent Kasetsart University, Bangkok, Thailand voor een postdoctorale beurs en financiering in het kader van het Reinventing University Program (Ref. Nr. 6501.0207/10870 van 9 november 2021). De auteurs willen de Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) bedanken voor hulp bij de karakteriseringsexperimenten. KANCF is een gedeelde multidisciplinaire onderzoeks- en onderwijsfaciliteit binnen het Kostas Research Institute (KRI) aan de Northeastern University.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Ammonium fosfaat monobasischSigma-Aldrich216003-100GSynthese
Calciumnitraat tetrahydraatSigma-Aldrich237124Synthese
CentrifugeHettichEBA 200SHerstel
Fourier transform infraroodspectrometerBruckerVertex 70Karakterisering
Grafeen nanolintSigma-Aldrich922714Synthese
Hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscoopThermo Fisher ScientificThemis Titan 300Karakterisering
MagneetschuimerIKAC-MAG HS7 S68Functionalisering
MicropipettenTreffLab06H35687Reagensvoorbereiding
pH-meterEutech pH5+ECPH503PLUSKReagensvoorbereiding
Thermogravimetrisch analyyzerTA InstrumentsSDT Q600Karakterisering
UltrasoonbadBandelinDT100Functionalisering
Universele ovenMemmertUF55Functionalisering
WeegschaalPrecisaXB220AReagensvoorbereiding
RöntgendiffractometerBruckerD8-AdvancedKarakterisering

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Synthese van nanocomposietengrafeennanoribbonshydroxyapatiet nanodeeltjesbioactieve scaffoldsultrasonicatiemethodetransmissie elektronenmicroscopieelementaire mappingbevordering van osteogenese
Synthese van grafeen-hydroxyapatiet nanocomposieten voor potentieel gebruik in bone tissue engineering
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.