Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Synteza nanokompozytów grafen-hydroksyapatyt do potencjalnych zastosowań w inżynierii tkanki kostnej

3.4K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/63985

⸱

27 lipca 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

W tym artykule

Podsumowanie

Nowatorskie nanokompozyty nanowstążek grafenu i nanocząstek hydroksyapatytu zostały przygotowane przy użyciu syntezy w fazie roztworu. Hybrydy te, zastosowane w bioaktywnych rusztowaniach, mogą wykazywać potencjalne zastosowania w inżynierii tkankowej i regeneracji kości.

Streszczenie

Opracowywanie nowych materiałów do inżynierii tkanki kostnej jest jednym z najważniejszych obszarów rozwoju nanomedycyny. Z hydroksyapatytem wyprodukowano kilka nanokompozytów, aby ułatwić przyleganie komórek, proliferację i osteogenezę. W tym badaniu udało się opracować hybrydowe nanokompozyty z wykorzystaniem nanowstążek grafenowych (GNR) i nanocząstek hydroksyapatytu (nHAP), które zastosowane w bioaktywnych rusztowaniach mogą potencjalnie poprawić regenerację tkanki kostnej. Te nanostruktury mogą być biokompatybilne. W tym przypadku zastosowano dwa podejścia do przygotowania nowych materiałów. W jednym z podejść zastosowano strategię kofunkcjonalizacji, w której nHAP został zsyntetyzowany i sprzężony z GNR jednocześnie, w wyniku czego powstały nanohybrydy nHAP na powierzchniach GNR (oznaczone jako nHAP/GNR). Transmisyjna mikroskopia elektronowa o wysokiej rozdzielczości (HRTEM) potwierdziła, że kompozyt nHAP/GNR składa się ze smukłych, cienkich struktur GNR (maksymalna długość 1,8 μm) z dyskretnymi plamami (150-250 nm) igiełkowatych nHAP (o długości 40-50 nm). W drugim podejściu, komercyjnie dostępny nHAP sprzężono z GNR-ami, tworząc nHAP pokryty GNR (oznaczony jako GNR/nHAP) (tj. o przeciwnej orientacji w stosunku do nanohybrydy nHAP/GNR). Powstała przy użyciu tej drugiej metody nanohybryda wykazywała nanosfery nHAP o średnicy od 50 nm do 70 nm pokryte na powierzchni siecią GNR. Widma dyspersji energii, mapowanie pierwiastków i widma w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) potwierdziły udaną integrację nHAP i GNR w obu nanohybrydach. Analiza termograwimetryczna (TGA) wykazała, że strata przy podwyższonych temperaturach ogrzewania spowodowana obecnością GNR wynosiła odpowiednio 0,5% i 0,98% dla GNR/nHAP i nHAP/GNR. Nanohybrydy nHAP-GNR o przeciwnych orientacjach stanowią istotne materiały do wykorzystania w bioaktywnych rusztowaniach, aby potencjalnie wspierać funkcje komórkowe w celu poprawy zastosowań inżynierii tkanki kostnej.

Wprowadzenie

Grafen ma dwuwymiarowe struktury przypominające arkusze, składające się z węgla zhybrydyzowanego metodą sp. Kilka innych alotropów można przypisać rozszerzonej sieci grafenu o strukturze plastra miodu (np. układanie arkuszy grafenu tworzy grafit 3D, podczas gdy zwijanie tego samego materiału powoduje powstawanie nanorurek 1D1). Podobnie, fulereny 0D są tworzone w wyniku wrapping2. Grafen ma atrakcyjne właściwości fizykochemiczne i optoelektroniczne, które obejmują ambipolarny efekt pola i kwantowy efekt Halla w temperaturze pokojowej3,4. Wykrywanie zdarzeń adsorpcji pojedynczych cząsteczek i niezwykle wysoka ruchliwość nośnika zwiększają atrakcyjność grafenu5,6. Co więcej, nanowstążki grafenowe (GNR) o wąskich szerokościach i dużej średniej ścieżce swobodnej, niskiej rezystywności przy dużej gęstości prądu i wysokiej ruchliwości elektronów są uważane za obiecujące materiały łączące7. W związku z tym GNR są badane pod kątem zastosowań w niezliczonych urządzeniach, a ostatnio w nanomedycynie, w szczególności w inżynierii tkankowej i dostarczaniu leków8.

Wśród różnych dolegliwości urazowych, urazy kości są uważane za jedne z najtrudniejszych ze względu na trudności w ustabilizowaniu złamania, regeneracji i zastąpieniu nowej kości, opieraniu się infekcji i ponownym wyrównaniu niezrostów kostnych9,10. Jedyną alternatywą w przypadku złamań trzonu kości udowej pozostają zabiegi chirurgiczne. Należy zauważyć, że prawie 52 miliony dolarów są wydawane każdego roku na leczenie urazów kości w Ameryce Środkowej i Europie11.

Bioaktywne rusztowania do zastosowań w inżynierii tkanki kostnej mogą być bardziej skuteczne dzięki zastosowaniu nano-hydroksyapatytu (nHAP), ponieważ przypominają mikro i nano właściwości architektoniczne samej kości12. HAP, chemicznie reprezentowany jako Ca10(PO4)6(OH)2 o stosunku molowym Ca/P wynoszącym 1,67, jest najbardziej preferowany do zastosowań biomedycznych, szczególnie do leczenia wad przyzębia, zastępowania tkanek twardych i wytwarzania implantów do operacji ortopedycznych13,14. W związku z tym wytwarzanie biomateriałów na bazie nHAP wzmocnionych GNR może mieć lepszą biokompatybilność i może być korzystne ze względu na ich zdolność do promowania osteointegracji i osteokondukcyjnego15,16. Takie hybrydowe rusztowania kompozytowe mogą zachować właściwości biologiczne, takie jak przyleganie komórek, rozprzestrzenianie się, proliferacja i różnicowanie17. W niniejszym artykule przedstawiamy wytworzenie dwóch nowych nanokompozytów do inżynierii tkanki kostnej poprzez racjonalną zmianę przestrzennego układu nHAP i GNR, jak pokazano na Rysunek 1. Oceniono tutaj właściwości chemiczne i strukturalne dwóch różnych układów nHAP-GNR.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Synteza nHAP przez wytrącanie

  1. Zsyntetyzuj nieskazitelny nHAP przy użyciu 50 ml mieszaniny reakcyjnej zawierającej 1 M Ca(NO3)2∙4H2O i 0,67 M (NH4)H2PO4 , a następnie dodaj kroplami NH4OH (25%), aby utrzymać pH około 1018.
  2. Następnie mieszać mieszaninę reakcyjną przez naświetlanie ultradźwiękami (UI) przez 30 minut (moc 500 W i częstotliwość ultradźwięków 20 kHz).
  3. Pozostawić powstały roztwór do dojrzewania przez 120 godzin w temperaturze pokojowej, aż do opadnięcia białego osadu nHAP. Odzyskać nHAP przez odwirowanie przy 1398 x g przez 5 minut w temperaturze pokojowej.
  4. Przemyć osad wodą dejonizowaną (DI) 3x i liofilizować przez 48 godzin. Suchy proszek przechowywać w temperaturze 4 °C.

2. Przygotowanie nanokompozytów nHAP/GNR

UWAGA: Poniżej opisano dwa podejścia do wytwarzania nanokompozytów nHAP/GNR (tj. nHAP na powierzchniach GNR) i GNR/nHAP (nHAP pokrytych GNR), które reprezentują dwa różne układy przestrzenne nHAP i GNR (Rysunek 1).

  1. Synteza nHAP/GNR
    1. Aby przygotować nanokompozyt nHAP/GNRs, należy zastosować strategię kofunkcjonalizacji, w której nHAP może być jednocześnie syntetyzowany i sprzężany z GNR, w następujący sposób.
    2. Rozpuścić 5 mg GNR (tabela materiałów) w mieszaninie 1 M czterowodnego azotanu wapnia [Ca(NO3)2·4H2O] i 0,67 M wodorofosforanu diamonu [(NH4)2HPO4] do 50 ml objętości końcowej19.
    3. Podczas tej reakcji dodawaj kroplami 25% NH4OH, aby utrzymać pH na poziomie ~10. Mieszać powstałą mieszaninę za pomocą UI przez 30 minut.
    4. Po zakończeniu reakcji pozostawić roztwór w spokoju przez 120 godzin w temperaturze pokojowej do momentu dojrzewania.
    5. Obserwuj tworzenie się galaretowatego osadu nHAP, który pokrywa GNR, po czym osadza się biały osad nHAP/GNR.
    6. Przepłukać osad 3x przez odwirowanie przy 1398 x g przez 5 minut w temperaturze pokojowej, a następnie ponownie rozproszyć w wodzie DI.
    7. Odzyskany przemyty osad należy poddać liofilizacji przez 48 godzin. Suchy proszek należy przechowywać w temperaturze 4 °C.
    8. Użyj nieskazitelnych nHAP i GNR jako próbek kontrolnych.
  2. Synteza nanokompozytu GNR/nHAP
    1. Zawiesić dostępny w handlu nHAP w stężeniu 5 mg/ml w 50 ml wody demineralizowanej uzupełnionej 5 mg GNR.
    2. Powstałą mieszaninę mieszać za pomocą UI przez 30 minut, a następnie pozostawić mieszaninę w nienaruszonym stanie przez 120 godzin w temperaturze pokojowej.
    3. Po dojrzewaniu odzyskać biały osad powstałego GNR/nHAP przez odwirowanie przy 1398 x g przez 5 minut w temperaturze pokojowej.
    4. Umyć próbkę 3x wodą demineralizowaną, liofilizować przez 48 godzin, a suchy proszek przechowywać w temperaturze 4 °C do dalszego wykorzystania.

3. Charakterystyka nHAP, nHAP/GNR i GNR/nHAP

  1. Użyj transmisyjnego mikroskopu elektronowego o wysokiej rozdzielczości (HRTEM) (patrz Tabela materiałów), aby scharakteryzować morfologię i rozmiar nanokompozytów11.
  2. Przeanalizuj skład pierwiastkowy nanokompozytów za pomocą spektroskopii dyspersji energii (EDS) i wykonaj mapowanie pierwiastków za pomocą skaningowego transmisyjnego mikroskopu elektronowego (STEM)11.
  3. Wykonaj spektroskopię w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) dla czystych próbek o liczbach falowych 500-4000 cm−1, aby przeanalizować grupy chemiczne w nanokompozyt16.
  4. Przeprowadzić analizę dyfrakcji rentgenowskiej proszku (XRD) zsyntetyzowanego nHAP przy użyciu długości fali promieniowania rentgenowskiego 1,5406 A, ustawień prądu i napięcia odpowiednio 40 mA i 40 kV oraz 2 θ w zakresie od 20° do 90°.
  5. Ocenić procentowe obciążenie GNR w nanokompozycie za pomocą analizy termograwimetrycznej (TGA), podgrzewając próbki z temperatury pokojowej do 1000 °C z szybkością 10 °C/min pod wpływem przepływu azotu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Analiza HRTEM
Indywidualnie GNR stanowiły smukłe struktury przypominające bambus z zakrzywieniami w pewnych odstępach, co zaobserwowano na Rysunku 2. Najdłuższy GNR miał długość 1,841 µm, natomiast najmniejszy zakrzywiony GNR mierzył 497 nm. Nanowstążki często wykazywały widoczną zmienność szerokości, co można przypisać skręcaniu się i tworzeniu konfiguracji helikalnych w wielu miejscach. Takie jednokierunkowe wyrównanie GNR może pomóc w uzyskaniu pożądanych właściwości,...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Chociaż różne metale, polimery, ceramika i ich kombinacje były badane jako implanty ortopedyczne i akcesoria do mocowania, HAP jest uważany za jeden z najbardziej preferowanych materiałów ze względu na jego chemiczne podobieństwo do samej kości i wynikającą z tego wysoką cytokompatybilność 20,21,22. W tym badaniu orientacja HAP była zróżnicowana, co może mieć znaczący wpływ na jego unikalne właściwości, takie jak promowanie oste...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie pozostają w konflikcie interesów.

Podziękowania

Dr. Sougata Ghosh dziękuje Departamentowi Nauki i Technologii (DST), Ministerstwu Nauki i Technologii, Rządowi Indii oraz Centrum Zaawansowanych Badań Naukowych im. Jawaharlala Nehru w Indiach za finansowanie w ramach Post-Doctoral Overseas Fellowship in Nano Science and Technology (Ref. JNC/AO/A.0610.1(4) 2019-2260 z dnia 19 sierpnia 2019 r.). Dr Sougata Ghosh dziękuje Uniwersytetowi Kasetsart, Bangkok w Tajlandii na stypendium podoktorskie oraz finansowanie w ramach programu Reinventing University (nr ref. 6501.0207/10870 z dnia 9 listopada 2021 r.). Autorzy pragną podziękować Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) za pomoc w eksperymentach charakteryzacyjnych. KANCF jest wspólną multidyscyplinarną placówką badawczą i edukacyjną w ramach Instytutu Badawczego Kostas (KRI) na Uniwersytecie Północno-Wschodnim.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Fosforan amonu monozasadowySigma-Aldrich216003-100GSynteza
Czterowodny azotan wapniaSigma-Aldrich237124 Wirówka do syntezy
HettichEBA 200SRecovery
Spektrometr podczerwieni z transformacją FourieraBruckerVertex 70Charakterystyka
NanowstążkagrafenowaSigma-Aldrich922714Synthesis
Transmisyjny mikroskop elektronowy o wysokiej rozdzielczościThermo Fisher ScientificThemis Titan 300Charakterystyka
Mieszadło magnetyczneIKAC-MAG HS7 S68Funkcjonalizacja
MikropipetyTreffLab06H35687Przygotowanie odczynnika
pH-metrEutech pH5+ECPH503PLUSKPrzygotowanie odczynnika
Analizator termograwimetrycznyTA InstrumentsSDT Q600Charakterystyka
Kąpiel ultradźwiękowaBandelinDT100Funkcjonalizacja
Piekarnik uniwersalnyMemmertUF55Funkcjonalizacja
Wagaważąca PrecisaXB220APrzygotowanie odczynnika
Dyfraktometr rentgenowskiBruckerD8-Zaawansowanacharakteryzacja

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Synteza nanokompozyt wnanowst ki grafenowenanocz steczki hydroksyapatyturusztowania bioaktywnemetoda sonikacjitransmisyjna mikroskopia elektronowamapowanie pierwiastkowepromowanie osteogenezy
Synteza nanokompozytów grafen-hydroksyapatyt do potencjalnych zastosowań w inżynierii tkanki kostnej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.