Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Синтез графен-гидроксиапатитовых нанокомпозитов для потенциального использования в инженерии костной ткани

3.4K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/63985

⸱

27 июля 2022 г.

 ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Новые нанокомпозиты графеновых нанолент и наночастиц гидроксиапатита были получены с использованием растворно-фазового синтеза. Эти гибриды при использовании в биологически активных каркасах могут демонстрировать потенциальное применение в тканевой инженерии и регенерации костей.

Аннотация

Разработка новых материалов для инженерии костной ткани является одной из наиболее важных областей наномедицины. Несколько нанокомпозитов были изготовлены с гидроксиапатитом для облегчения клеточной адгезии, пролиферации и остеогенеза. В этом исследовании гибридные нанокомпозиты были успешно разработаны с использованием графеновых нанолент (GNR) и наночастиц гидроксиапатита (nHAPs), которые при использовании в биологически активных каркасах могут потенциально улучшить регенерацию костной ткани. Эти наноструктуры могут быть биосовместимыми. Здесь для подготовки новых материалов использовались два подхода. В одном подходе использовалась стратегия кофункционализации, при которой nHAP синтезировался и сопрягался с GNR одновременно, что приводило к наногибридам nHAP на поверхностях GNR (обозначаемым как nHAP/GNR). Просвечивающая электронная микроскопия с высоким разрешением (HRTEM) подтвердила, что композит nHAP/GNR состоит из тонких, тонких структур GNR (максимальная длина 1,8 мкм) с дискретными пятнами (150-250 нм) игольчатого nHAP (40-50 нм в длину). В другом подходе коммерчески доступный nHAP был сопряжен с ГНРс, образующими nHAP с покрытием GNR (обозначаемым как GNR/nHAP) (т.е. с противоположной ориентацией относительно наногибрида nHAP/GNR). Наногибриды, сформированные с помощью последнего метода, выставляли nHAP-наносферы диаметром от 50 нм до 70 нм, покрытые сетью ГНР на поверхности. Спектры дисперсии энергии, элементарное отображение и инфракрасные спектры преобразования Фурье (FTIR) подтвердили успешную интеграцию nHAP и GNR в обоих наногибридах. Термогравиметрический анализ (TGA) показал, что потери при повышенных температурах нагрева из-за присутствия ГНРс составляли соответственно 0,5% и 0,98% для GNR/nHAP и nHAP/GNR. Наногибриды nHAP-GNR с противоположными ориентациями представляют собой значимые материалы для использования в биологически активных каркасах для потенциального стимулирования клеточных функций для улучшения инженерных приложений костной ткани.

Введение

Графен имеет листовидные двумерные структуры, состоящие из sp-гибридизированного углерода. Несколько других аллотропов могут быть отнесены к расширенной сотовой сети графена (например, укладка графеновых листов образует 3D-графит при скатывании с того же материала, что приводит к образованию 1D-нанотрубок1). Аналогично, 0D фуллерены образуются из-за обертывания2. Графен обладает привлекательными физико-химическими и оптоэлектронными свойствами, которые включают амбиполярный полевой эффект и квантовый эффект Холла при комнатной температуре 3,4. Обнаружение одномолекулярных адсорбционных событий и чрезвычайно высокая подвижность носителей добавляют к привлекательным свойствам графена 5,6. Кроме того, графеновые наноленты (GNR) с узкой шириной и большим средним свободным путем, низким удельным сопротивлением с высокой плотностью тока и высокой подвижностью электронов считаются перспективными взаимосвязанными материалами7. Следовательно, ГНР изучаются для применения во множестве устройств, а в последнее время и в наномедицине, особенно в тканевой инженерии и доставке лекарств8.

Среди различных травматических заболеваний травмы костей считаются одними из самых сложных из-за трудностей в стабилизации перелома, регенерации и замене новой костью, сопротивления инфекции и повторного выравнивания костных несоединений 9,10. Хирургические процедуры остаются единственной альтернативой переломам бедренного мозга. Следует отметить, что почти 52 миллиона долларов ежегодно тратится на лечение травм костей в Центральной Америке и Европе11.

Биоактивные каркасы для инженерных применений костной ткани могут быть более эффективными путем включения наногидроксиапатита (nHAP), поскольку они напоминают микро- и наноархитектурные свойства самой кости12. HAP, химически представленный как Ca10(PO4)6(OH)2 с молярным соотношением Ca/P 1,67, является наиболее предпочтительным для биомедицинских применений, особенно для лечения пародонтальных дефектов, замещения твердых тканей и изготовления имплантатов для ортопедических операций13,14. Таким образом, изготовление биоматериалов на основе nHAP, усиленных ГНР, может обладать превосходной биосовместимостью и может быть выгодным из-за их способности способствовать остеоинтеграции и быть остеокондуктивным15,16. Такие гибридные композитные каркасы могут сохранять биологические свойства, такие как сцепление клеток, распространение, пролиферация и дифференцировка17. Здесь мы сообщаем о создании двух новых нанокомпозитов для инженерии костной ткани путем рационального изменения пространственного расположения nHAP и GNR, как показано на рисунке 1. Здесь были оценены химические и структурные свойства двух различных механизмов nHAP-GNR.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Синтез nHAP по осадкам

  1. Синтезируют нетронутый nHAP, используя 50 мл реакционной смеси, содержащей 1 M Ca(NO3)2∙4H2O и 0,67 M (NH4)H2PO4 с последующим добавлением по каплям NH4OH (25%) для поддержания рН около 1018.
  2. После этого перемешивают реакционную смесь ультразвуковым облучением (UI) в течение 30 мин (мощность 500 Вт и ультразвуковая частота 20 кГц).
  3. Дайте полученному раствору созреть в течение 120 ч при комнатной температуре, пока белый осадок nHAP не осядет. Восстанавливают nHAP центрифугированием при 1398 х г в течение 5 мин при комнатной температуре.
  4. Промыть осадок деионизированной (DI) водой 3x и лиофилизировать в течение 48 ч. Хранить сухой порошок при температуре 4 °C.

2. Подготовка нанокомпозитов nHAP/GNR

ПРИМЕЧАНИЕ: Ниже описываются два подхода к изготовлению нанокомпозитов nHAP/GNR (т.е. nHAP на поверхностях GNR) и GNR/nHAP (nHAP с покрытием GNR), которые представляют собой два различных пространственных расположения nHAP и GNR (рисунок 1).

  1. Синтез нХАП/НРГ
    1. Чтобы подготовить нанокомпозит nHAP/GNRs, используйте стратегию кофункционализации, где nHAP может быть синтезирован и сопряжен с GNR одновременно, следующим образом.
    2. Растворить 5 мг ГНР (Таблица материалов) в смеси тетрагидрата 1 М нитрата кальция [Ca(NO3)2·4H2O] и 0,67 М диаммоний-гидрофосфата [(NH4)2HPO4] до конечного объема19 50 мл.
    3. Во время этой реакции добавляют 25% NH4OH по каплям, чтобы поддерживать рН на уровне ~ 10. Перемешайте полученную смесь с помощью пользовательского интерфейса в течение 30 мин.
    4. После завершения реакции оставьте раствор нетронутым в течение 120 ч при комнатной температуре до созревания.
    5. Наблюдайте за образованием желатинового осадка nHAP, который покрывает GNR, после чего оседает белый осадок nHAP/GNR.
    6. Промыть осадок в 3 раза центрифугированием при 1398 х г в течение 5 мин при комнатной температуре с последующей повторной диспергированием в воде DI.
    7. Лиофилизируют восстановленный промытый осадок в течение 48 ч. Хранить сухой порошок при температуре 4 °C.
    8. Используйте нетронутые nHAP и GNR в качестве контрольных образцов.
  2. Синтез нанокомпозита GNR/nHAP
    1. Суспендировать коммерчески доступный nHAP в концентрации 5 мг/мл в 50 мл воды DI, дополненной 5 мг ГНРС.
    2. Полученное смесь перемешивают UI в течение 30 мин, а затем оставляют смесь ненарушенной в течение 120 ч при комнатной температуре.
    3. После созревания восстанавливают белый осадок полученного GNR/nHAP центрифугированием при 1398 х г в течение 5 мин при комнатной температуре.
    4. Промыть образец 3 раза водой DI, лиофилизировать его в течение 48 ч и хранить сухой порошок при 4 °C для дальнейшего использования.

3. Характеристика nHAP, nHAP/GNR и GNR/nHAP

  1. Используйте просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения (HRTEM) (см. Таблицу материалов) для характеристики морфологии и размера нанокомпозитов11.
  2. Проанализировать элементный состав нанокомпозитов с использованием энергодисперсионной спектроскопии (ЭЦП) и выполнить элементное картирование с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (STEM)11.
  3. Выполнить инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье (FTIR) для аккуратных образцов с волновыми числами 500-4000 см−1 для анализа химических групп в нанокомпозите16.
  4. Выполняют порошковый рентгеновский дифракционный (XRD) анализ ас-синтезированного nHAP с использованием длины волны рентгеновского излучения 1,5406 Å, значений тока и напряжения 40 мА и 40 кВ соответственно и 2θ в диапазоне от 20° до 90°.
  5. Оценить процент загрузки GNR в нанокомпозите с помощью термогравиметрического анализа (TGA) путем нагрева образцов от комнатной температуры до 1000 °C со скоростью 10 °C / мин при потоке азота.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Анализ HRTEM
По отдельности ГНР представляли собой тонкие бамбуковые структуры с некоторыми изгибами на некотором расстоянии, как показано на рисунке 2. Самый длинный GNR составлял 1,841 мкм, в то время как самый маленький изогнутый GNR составлял 497 нм. Наноленты часто показывали видимое изменение ширины, которое может быть связано с скручиванием для формирования спиральных конфигураций во многих местах. Такое однонаправленное выравнивание ГНР может помочь получить привл...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Хотя различные металлы, полимеры, керамика и их комбинации были исследованы в качестве ортопедических имплантатов и фиксирующих аксессуаров, HAP считается одним из наиболее предпочтительных материалов из-за его химического сходства с самой костью и, как следствие, высокой цитосовместимости 20,21,22. В этом исследовании ориентация HAP была разнообразной, что может оказать значительное влияние на его уникальные свойства, такие как...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

У авторов нет конфликта интересов.

Благодарности

Д-р Сугата Гош выражает признательность Департаменту науки и техники (DST), Министерству науки и технологий, правительству Индии и Центру перспективных научных исследований имени Джавахарлала Неру, Индия, за финансирование в рамках постдокторской зарубежной стипендии в области нанонауки и техники (Ref. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 от 19 августа 2019 года). Д-р Сугата Гош благодарит Университет Касецарт, Бангкок, Таиланд, за постдокторскую стипендию и финансирование в рамках программы «Переосмысление университета» (No 6501.0207/10870 от 9 ноября 2021 года). Авторы хотели бы поблагодарить Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) за помощь в экспериментах по определению характеристик. KANCF является общим междисциплинарным научно-исследовательским и образовательным учреждением в рамках Научно-исследовательского института Костаса (KRI) в Северо-Восточном университете.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Аммонийфосфат одноосновнойSigma-Aldrich216003-100GСинтез
Тетрагидрат нитрата кальцияSigma-Aldrich237124
Синтез ЦентрифугаHettichEBA 200SRecovery
Преобразование Фурье инфракрасный спектрометрBruckerVertex 70Характеризация
Графеновая нанолентаSigma-Aldrich922714Synthesis
Просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешенияThermo Fisher ScientificThemis Titan 300
Характеризация Магнитная мешалкаIKAC-MAG HS7 S68Функционализация
МикропипеткиTreffLab06H35687Препарат реагента
pH-метрEutech pH5+ECPH503PLUSKПодготовка реагентов
Термогравиметрический анализаторTA InstrumentsSDT Q600Определение характеристик
Ультразвуковая ваннаBandelinDT100Функционализация
Универсальная печьMemmertUF55Функционализация
весовPrecisaXB220AПодготовка реагентов
Рентгеновский дифрактометрBruckerD8-Расширеннаяопределение характеристик

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Синтез графен-гидроксиапатитовых нанокомпозитов для потенциального использования в инженерии костной ткани
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.