Synthese van grafeen-hydroxyapatiet nanocomposieten voor potentieel gebruik in bone tissue engineering
27 juli 2022
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.
Dit werk verklaart de strategie om nieuwe composieten van nanohydroxyapatiet en grafeen nanoribbons met tegengestelde oriëntaties te fabriceren. Deze biomaterialen zijn belangrijk voor het ontwikkelen van botweefsel engineering steigers. Dit is een eenvoudige eenpotsynthese.
Het is een snelle, effectieve en economische methode. Dit werk is uiterst relevant in de context van de behandeling van botletsels en bijbehorende aandoeningen waarbij meer botweefselregeneratie een snelle genezing zal bevorderen. Om te beginnen synthetiseert u de ongerepte nanodeeltjes van hydroxyapatiet met behulp van 50 milliliter van het reactiemengsel.
Voeg druppelsgewijs 25% ammoniumhydroxide toe om een pH van ongeveer 10 te behouden. Roer daarna het reactiemengsel door ultrasone bestraling gedurende 30 minuten. Laat de resulterende oplossing 120 uur rijpen bij kamertemperatuur totdat het witte neerslag van nanodeeltjes hydroxyapatiet is neergedaald.
Herstel de nanodeeltjes hydroxyapatiet door centrifugering bij 1, 398 x g gedurende vijf minuten bij kamertemperatuur. Was het neerslag drie keer met gedeïoniseerd water. Om het nHAP / GNR-nanocomposiet voor te bereiden, gebruikt u een cofunctionalisatiestrategie, begint u met het oplossen van vijf milligram grafeennanoribbons in een mengsel van één molair calciumnitraattetrahydraat en 0,67 molair diammoniumwaterstoffosfaat tot een eindvolume van 50 milliliter.
Voeg tijdens deze reactie druppelsgewijs 25% ammoniumhydroxide toe om de pH op ongeveer 10 te houden. Roer het resulterende mengsel door ultrasoonbehandeling gedurende 30 minuten. Laat na voltooiing van de reactie de oplossing 120 uur ongestoord op kamertemperatuur tot rijping.
Let op de vorming van een gelatineus neerslag van nanodeeltjes hydroxyapatiet, dat de grafine-nanoribbons bedekt, waarna een wit neerslag van nHAP / GNR bezinkt. Was het neerslag driemaal door centrifugeren op 1, 398 x g gedurende vijf minuten bij kamertemperatuur, gevolgd door herverdeling in gedeïoniseerd water. Om GNR / nHAP-nanocomposieten te synthetiseren, suspensie u in de handel verkrijgbare nanodeeltjes hydroxyapatiet in een concentratie van vijf milligram per milliliter in 50 milliliter gedeïoniseerd water, aangevuld met vijf milligram grafine-nanoribbons.
Roer het resulterende mengsel door ultrasoonbehandeling gedurende 30 minuten en laat het mengsel daarna 120 uur ongestoord bij kamertemperatuur. Herstel na rijping het witte neerslag van het resulterende GNR/nHAP door centrifugatie bij 1,398 x g gedurende vijf minuten bij kamertemperatuur. Was het monster driemaal met gedeïoniseerd water.
De HRTEM-analyse van nHAP/GNR-nanocomposiet toonde nHAP-patches tussen 150 en 250 nanometer in lengte en breedte. Elementaire mapping bevestigde dat de geoxideerde nodale patches op de GNR's inderdaad nHAP waren vanwege de aanwezigheid van elementair calcium en fosfor. In GNR/nHAP nanocomposieten vormde de GNR dunne films op het oppervlak van de bolvormige nHAP nanodeeltjes.
De EDS-analyse toonde een duidelijke toename van het koolstofgehalte als gevolg van GNR's, terwijl de pieken specifiek voor calcium en fosfor te wijten waren aan nHAP. De duidelijke toename van het koolstofgehalte in het nHAP/GNR-spectrum is te wijten aan de meerderheid van de GNR's waarop slechts kleine stukjes vers gesynthetiseerd nHAP werden waargenomen. XRD-analyse bevestigde de zeshoekige kristalstructuur van de nHAP-sterke pieken die overeenkomen met respectievelijk 002, 102, 211, 300, 202, 310, 113, 222 en 213 vlakken en bevestigde de zuiverheid van de gesynthetiseerde nHAP.
TGA-analyse toonde een gestage afname van de massa na 200 graden Celsius tot 500 graden Celsius als gevolg van de kristallisatie van nHAP. Verdere verhitting leidde tot de ontbinding van de complexen. Verloren als gevolg van de aanwezigheid van GNR's bleek tussen 0,5 en 0,98% in GNR / nHAP en nHAP / GNR te liggen.
De volgorde van toevoeging van reagentia en reactieomstandigheden zijn het meest kritisch om de gewenste omgekeerde oriëntatie van de nanocomposieten te krijgen. Cellijnen-gebaseerde studies kunnen worden uitgevoerd om het potentieel van de nanocomposieten te controleren om osteogenese te bevorderen. Dit zal een nieuw gebied van oriëntatie-gemedieerde modulatie van cellulaire respons openen voor tissue engineering.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een methode voor het vervaardigen van nieuwe composieten van grafeen-nanoribbons en hydroxyapatiet-nanodeeltjes. Deze biomaterialen zijn van groot belang voor de ontwikkeling van scaffolds in botweefseltechnologie, ter bevordering van een snelle genezing van botletsels.
Belangrijkste studieonderdelen
Wetenschappelijk gebied
- Biomedische Techniek
- Tissue Engineering
- Materiaalkunde
Achtergrond
- Botletsels vereisen effectieve regeneratiestrategieën.
- Grafeen-nanoribbons en hydroxyapatiet-nanodeeltjes hebben unieke eigenschappen.
- Het combineren van deze materialen kan de prestaties van het scaffold verbeteren.
- Huidige synthesemethoden kunnen complex of kostbaar zijn.
Doel van de studie
- Om een eenvoudige en economische synthesemethode voor nanocomposieten te ontwikkelen.
- Om de potentiële toepassingen van deze composieten in weefseltechniek voor bot te onderzoeken.
- Om snelle genezing te bevorderen door verbeterde botregeneratie.
Gebruikte methoden
- Oplosfase-synthese van grafeennanoribbons en hydroxyapatiet-nanodeeltjes.
- One-pot synthesebenadering voor maximale efficiëntie.
- Karakterisering van de resulterende nanocomposieten.
- Evaluatie van de bioactiviteit in steiger-toepassingen.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle fabricage van nanocomposieten met de gewenste eigenschappen.
- Aangetoond potentieel voor gebruik in bioactieve scaffolds.
- Een snelle en effectieve synthesemethode is vastgesteld.
- Veelbelovende resultaten voor toepassingen bij botregeneratie.
Conclusies
- De nieuwe composieten vertonen een aanzienlijk potentieel in tissue engineering.
- Eenvoudige synthesismethoden kunnen leiden tot effectieve biomaterialen.
- Verder onderzoek is nodig om klinische toepassingen te verkennen.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Grafeen-hydroxyapatiet-nanocomposieten vertegenwoordigen een strategische vooruitgang voor botweefseltechnologie en bieden nieuwe materialen die de bioactiviteit van scaffolds en de cellulaire respons kunnen verbeteren. De mogelijkheid om de oriëntatie en integratie van nanocomposieten te beheersen, vergroot het voorspellende vertrouwen bij de selectie van biomaterialen in een vroeg stadium en vermindert de risico's bij translationele ontwikkeling. Deze innovaties stellen R&D-teams in staat om tegemoet te komen aan onvervulde behoeften in portfolio's voor regeneratieve geneeskunde.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Maakt analyse mogelijk van interacties tussen materiaal en cel die cruciaal zijn voor het ontwerp van scaffolds.
- Ondersteunt biologische risicoreductie door de integratie en oriëntatie van nanocomposieten te bevestigen.
- Verhoogt de voorspellende betrouwbaarheid bij de selectie van scaffold-kandidaten voor verdere ontwikkeling.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Bereidt gevalideerde nanocomposiet-systemen voor voor downstream celgebaseerde assays.
- Waarborgt reproduceerbaarheid en standaardisatie via gecontroleerde synthese en karakterisering.
- Maakt kwantitatieve beoordeling mogelijk van materiaaleigenschappen die relevant zijn voor de prestaties van de scaffold.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Stemt materiaaleigenschappen af op ziekterelevante modellen voor botregeneratie.
- Ondersteunt de continuïteit van ontdekking tot preklinische validatie van scaffolds.
- Biedt mechanistische risicoreductie door studies naar oriëntatie-gemedieerde modulatie mogelijk te maken.
Integratie van pipeline en workflow
Deze methoden voor de synthese van nanocomposieten passen binnen het continuüm van vroege ontdekking tot prekliniek, ter ondersteuning van de selectie van scaffold-kandidaten en translationele evaluatie.
- Ontdekkingsbiologie: Bevestigt de integratie en oriëntatie van nanomaterialen voor hypothese-gestuurd ontwerp van scaffolds.
- Screening: Levert reproduceerbare, gekarakteriseerde nanocomposieten voor vergelijkende celgebaseerde assays.
- Analytica: Biedt kwantitatieve resultaten via HRTEM, EDS, XRD en TGA voor benchmarking van materialen.
- Translationeel onderzoek: Maakt afstemming mogelijk met preklinische modellen voor botweefselengineering.
- Bedrijfmatige hergebruikbaarheid: Vestigt een platform voor de synthese van nanocomposieten met gecontroleerde oriëntatie voor diverse scaffoldprogramma's.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit bij de selectie van scaffoldmaterialen.
- Operationele waarde: Standaardiseert synthese- en karakteriseringsworkflows voor reproduceerbaarheid en schaalbaarheid.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go beslissingen en kapitaalefficiëntie in R&D voor regeneratieve geneeskunde.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering van scaffoldkandidaten voor verdere ontwikkeling.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in synthese van nanomaterialen en karakteriseringstechnieken.
- Toegang tot HRTEM-, EDS-, XRD- en TGA-instrumentatie is noodzakelijk voor kwaliteitscontrole.
- Vereist standaardisatie van syntheseprotocollen en analytische benchmarks tussen teams.
- Aanpassing voor verschillende steigerarchitecturen of celmodellen kan vereist zijn.
- De volgorde van toevoeging van reagentia en de reactieomstandigheden zijn kritisch voor de gewenste oriëntatie van het nanocomposiet.
