Синтез графен-гидроксиапатитовых нанокомпозитов для потенциального использования в инженерии костной ткани
27 июля 2022 г.
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.
Эта работа объясняет стратегию изготовления новых композитов наногидроксиапатитов и графеновых нанолент с противоположными ориентациями. Эти биоматериалы важны для разработки инженерных каркасов костной ткани. Это простой синтез одного горшка.
Это быстрый, эффективный и экономичный метод. Эта работа чрезвычайно актуальна в контексте лечения травм костей и связанных с ними заболеваний, где большая регенерация костной ткани будет способствовать быстрому заживлению. Для начала синтезируют нетронутые наночастицы гидроксиапатита, используя 50 миллилитров реакционной смеси.
По каплям добавьте 25% гидроксида аммония для поддержания рН около 10. После этого перемешайте реакционную смесь ультразвуковым облучением в течение 30 минут. Дайте полученному раствору созреть в течение 120 часов при комнатной температуре, пока белый осадок наночастиц гидроксиапатита не осядет.
Восстанавливают наночастицы гидроксиапатита центрифугированием при 1, 398 х г в течение пяти минут при комнатной температуре. Промыть осадок деионизированной водой три раза. Чтобы подготовить нанокомпозит nHAP/GNR, используйте стратегию кофункционализации, начните с растворения пяти миллиграммов графеновых нанолент в смеси одного молярного тетрагидрата нитрата кальция и 0,67 молярного диаммонийфосфата водорода до конечного объема 50 миллилитров.
Во время этой реакции добавляют 25% гидроксида аммония по каплям, чтобы поддерживать рН примерно на уровне 10. Перемешайте полученную смесь ультразвуком в течение 30 минут. После завершения реакции оставьте раствор нетронутым в течение 120 часов при комнатной температуре до созревания.
Наблюдают за образованием желатинового осадка наночастиц гидроксиапатита, который покрывает графиновые наноленты, после чего оседает белый осадок nHAP/GNR. Промыть осадок три раза центрифугированием при 1, 398 х г в течение пяти минут при комнатной температуре с последующим повторным окрашиванием в деионизированной воде. Для синтеза нанокомпозитов GNR/nHAP суспендируют коммерчески доступные наночастицы гидроксиапатита в концентрации пяти миллиграммов на миллилитр в 50 миллилитрах деионизированной воды, дополненной пятью миллиграммами графиновых нанолент.
Полученное смесь перемешивают ультразвуком в течение 30 минут, а затем оставляют смесь ненарушенной в течение 120 часов при комнатной температуре. После созревания восстанавливают белый осадок полученного GNR/nHAP центрифугированием при 1, 398 х г в течение пяти минут при комнатной температуре. Промыть образец три раза, используя деионизированную воду.
Анализ нанокомпозита nHAP/GNR показал, что участки nHAP имеют длину и ширину от 150 до 250 нанометров. Элементарное картирование подтвердило, что опосредованные узловые пятна на ГНР действительно были nHAP из-за присутствия элементарного кальция и фосфора. В нанокомпозитах GNR/nHAP GNR образовывала тонкие пленки на поверхности сферических наночастиц nHAP.
Анализ EDS показал явное увеличение содержания углерода из-за ГНР, в то время как пики, характерные для кальция и фосфора, были связаны с nHAP. Заметное увеличение содержания углерода в спектре nHAP/GNR обусловлено большинством ГНЗ, на которых наблюдались лишь небольшие участки свежесинтезированного nHAP. XRD-анализ подтвердил гексагональную кристаллическую структуру сильных пиков nHAP, соответствующих плоскостям 002, 102, 211, 300, 202, 310, 113, 222 и 213 соответственно, подтвердил чистоту синтезированного nHAP.
Анализ TGA показал устойчивое снижение массы после 200 градусов Цельсия до 500 градусов Цельсия из-за кристаллизации nHAP. Дальнейший нагрев привел к разложению комплексов. Было установлено, что потеря из-за наличия ГНЗ составляет от 0,5 до 0,98% в GNR/nHAP и nHAP/GNR.
Последовательность добавления реагентов и условия реакции наиболее критичны для получения желаемой обратной ориентации нанокомпозитов. Исследования на основе клеточных линий могут быть выполнены для проверки потенциала нанокомпозитов для стимулирования остеогенеза. Это откроет новую область ориентационно-опосредованной модуляции клеточного ответа для тканевой инженерии.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной работе представлен метод изготовления новых композитов из графеновых нанолент и наночастиц гидроксиапатита. Эти биоматериалы имеют важное значение для разработки скаффолдов в инженерии костной ткани, способствуя быстрому заживлению повреждений костей.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биомедицинская инженерия
- Тканевая инженерия
- Материаловедение
Теоретическая часть
- Повреждения костной ткани требуют разработки эффективных стратегий регенерации.
- Графеновые наноленты и наночастицы гидроксиапатита обладают уникальными свойствами.
- Комбинирование этих материалов может улучшить характеристики скаффолда.
- Современные методы синтеза могут быть сложными или дорогостоящими.
Цель исследования
- Разработать простой и экономичный метод синтеза нанокомпозитов.
- Изучить возможности применения этих композитов в инженерии костной ткани.
- Способствовать быстрому заживлению за счет усиления регенерации кости.
Используемые методы
- Синтез графеновых нанолент и наночастиц гидроксиапатита в растворе.
- Одностадийный метод синтеза для повышения эффективности.
- Характеристика полученных нанокомпозитов.
- Оценка биоактивности при применении в качестве скаффолдов.
Основные результаты
- Успешное изготовление нанокомпозитов с заданными свойствами.
- Продемонстрированный потенциал применения в биоактивных скаффолдах.
- Разработан быстрый и эффективный метод синтеза.
- Перспективные результаты для применения в регенерации костной ткани.
Выводы
- Новые композиты обладают значительным потенциалом для применения в тканевой инженерии.
- Простые методы синтеза позволяют создавать эффективные биоматериалы.
- Необходимы дальнейшие исследования для изучения возможностей клинического применения.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Нанокомпозиты на основе графена и гидроксиапатита представляют собой стратегический прорыв в области инженерии костной ткани, предлагая новые материалы, которые могут повысить биоактивность каркасов и клеточный ответ. Возможность контролировать ориентацию и интеграцию нанокомпозита обеспечивает прогностическую уверенность при выборе биоматериалов на ранних этапах и снижает риски при трансляционной разработке. Эти инновации позволяют научно-исследовательским группам решать актуальные задачи в рамках портфелей регенеративной медицины.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Позволяет исследовать взаимодействия между материалом и клетками, имеющие критическое значение для разработки скаффолдов.
- Способствует снижению биологических рисков путем подтверждения интеграции и ориентации нанокомпозита.
- Повышает точность прогнозирования при выборе кандидатов из скаффолдов для дальнейшей разработки.
Скрининг и разработка анализа
- Подготовка валидированных нанокомпозитных систем для последующих клеточных анализов.
- Обеспечение воспроизводимости и стандартизации за счет контролируемого синтеза и характеризации.
- Возможность количественной оценки свойств материалов, влияющих на эффективность каркаса.
Трансляционные и доклинические исследования
- Приводит свойства материала в соответствие с моделями регенерации костной ткани, релевантными для конкретного заболевания.
- Обеспечивает непрерывность процесса от этапа открытия до доклинической валидации скаффолда.
- Снижает механистические риски, позволяя проводить исследования по модуляции, опосредованной ориентацией.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данные методы синтеза нанокомпозитов вписываются в континуум от этапа раннего поиска до доклинических исследований, обеспечивая поддержку при выборе кандидатов на роль скаффолдов и при проведении трансляционной оценки.
- Биология открытий: Подтверждение интеграции и ориентации наноматериалов для разработки каркасов на основе выдвинутых гипотез.
- Скрининг: Получение воспроизводимых, охарактеризованных нанокомпозитов для сравнительных клеточных анализов.
- Аналитика: Получение количественных данных с помощью HRTEM, EDS, XRD и TGA для бенчмаркинга материалов.
- Трансляционные исследования: Обеспечение соответствия доклиническим моделям для инженерии костной ткани.
- Корпоративное повторное использование: Создание платформы для синтеза нанокомпозитов с контролируемой ориентацией для различных программ по созданию каркасов.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: Повышает прогностическую достоверность и снижает механистическую неопределенность при выборе материала каркаса.
- Операционная ценность: Стандартизирует процессы синтеза и характеризации для обеспечения воспроизводимости и масштабируемости.
- Стратегическая ценность: Оптимизирует принятие решений о целесообразности дальнейшей разработки (go/no-go) и эффективность использования капитала в сфере НИОКР регенеративной медицины.
- Влияние на портфель: Обеспечивает приоритизацию кандидатов на роль каркаса с учетом рисков для их дальнейшего продвижения.
Рекомендации по внедрению
- Требуется опыт в области синтеза наноматериалов и методов их характеризации.
- Необходим доступ к оборудованию для HRTEM, EDS, XRD и TGA для контроля качества.
- Требуется межгрупповая стандартизация протоколов синтеза и аналитических контрольных показателей.
- Может потребоваться адаптация для различных архитектур каркасов или клеточных моделей.
- Последовательность добавления реагентов и условия реакции имеют решающее значение для достижения желаемой ориентации нанокомпозита.
