Графен Покрытия для биомедицинских имплантатов
Summary
Графен предлагает потенциал в качестве материала покрытия для биомедицинских имплантатов. В этом исследовании мы демонстрируем метод для покрытия сплавов нитинола с нанометровой толщины слоев графена и определить, как графен может повлиять на имплантат ответ.
Abstract
Атомно-гладкой графена в качестве покрытия поверхности имеет потенциал для улучшения свойств имплантатов. Это свидетельствует о методе для покрытия сплавов нитинола с нанометровой толщины слоев графена для применения в качестве материала стента. Графен был выращен на медной подложке с помощью химического осаждения из паров, а затем переносится на нитинола субстратов. Для того, чтобы понять, как графен покрытие может изменить биологическую реакцию, жизнеспособность клеток из аорты крыс клетки эндотелия аорты крыс и клетки гладкой мускулатуры исследована. Кроме того, влияние графена покрытий на клеточной адгезии и морфология была рассмотрена флуоресцентной конфокальной микроскопии. Клетки были окрашены для актина и ядер, и там были заметны различия между нетронутые образцы нитинола по сравнению с графен покрытых образцов. Всего выражение актина из аорты крыс клетки гладкой мускулатуры была найдена с помощью вестерн-блот. Адсорбции белка характеристики, показатель для потенциальных тромбогенности, шпрежде чем определяться для сывороточного альбумина и фибриногена с гель-электрофореза. Кроме того, перенос заряда из фибриногена на подложку была выведена использованием спектроскопии комбинационного рассеяния. Было установлено, что графен покрытия на подложках нитинола встретился функциональные требования к стент материала и улучшить биологическую реакцию по сравнению с непокрытыми нитинола. Таким образом, графен покрытием нитинола является реальным кандидатом на стент материала.
Introduction
За последние три десятилетия стали свидетелями открытия новых материалов на основе методов лечения и устройств для болезни лечения и диагностики. Новые материалы, такие как сплав нитинола (НИТИ) и нержавеющая сталь часто используется в биомедицинских имплантатов производства в связи с их превосходными механическими свойствами. 1-3 Однако многочисленные проблемы остаются в связи с экзогенными цитотоксичности материалов, био-и гемо-совместимость. Металлический характер этих сплавах приводит к плохому био-и гемосовместимость из-за выщелачивания металлов, отсутствие клеточной адгезии, пролиферации и тромбоз, когда он вступает в контакт с протекающей крови (например, катетеры, трансплантатов кровеносных сосудов, сосудистые стенты, искусственные клапаны сердца и т.д.). 1., 4, 5 взаимодействия белков или живые клетки с поверхности имплантата может привести к сильным иммунологического ответа и последующий каскад биохимических реакций, могут негативно повлиять на функциональность устройства. Таким образом, он Пертинных для достижения контроля над взаимодействием между биомедицинских имплантатов и окружающих его биологической среде. Модификация поверхности часто используется, чтобы уменьшить или предотвратить неблагоприятные физиологические реакции, происходящих из имплантата материала. Идеальное покрытие поверхности, как ожидается, имеют высокую прочность сцепления, химической инертностью, высокой гладкостью, и хороший гемо-и биосовместимости. Ранее многочисленные материалы, в том числе алмазоподобного углерода (DLC), SiC, TiN, TiO 2 и многих полимерных материалов были протестированы как био-совместимого покрытия поверхности имплантата. 1, 6-23 Тем не менее, эти материалы до сих пор не в состоянии удовлетворить все функциональным критериям подходящее покрытие поверхности имплантата.
Открытие атома толстым слоем SP 2 углерода, известный как графен, открыла двери для разработки новых многофункциональных материалов. Графен как ожидается, будет идеальным кандидатом на покрытие поверхности имплантата, поскольку онаявляется химически инертным, атомно-гладкой и очень долговечный. В этом письме мы исследуем жизнеспособность графена в качестве поверхностного покрытия для биомедицинских имплантатов. Наши исследования показали, что графен покрытием нитинола (Gr-NiTi) отвечает всем функциональным критериям, и дополнительно поддерживает отличную гладкую мускулатуру и рост эндотелиальных клеток, ведущих к лучшему клеточной пролиферации. Мы также обнаружили, что сывороточный альбумин адсорбции на Gr-NiTi выше, чем фибриногена. Важно отметить, что (I) наши детальные спектроскопические измерения подтвердили отсутствие переноса заряда между графена и фибриногена предполагая, что графен покрытие подавляет активацию тромбоцитов с помощью имплантатов, (II) графена покрытия не проявляют каких-либо значительных в пробирке токсичности для клеток эндотелия и гладкой мускулатуры клеточных линий, подтверждающих их биосовместимости, и (III) графена покрытия химически инертны, прочная и непроницаемая в потоке крови среды. Эти гемо-и биосовместимые свойства, наряду с высокими йrength, химическая инертность и долговечность, делают графен покрытий в качестве идеального покрытия.
Protocol
Representative Results
Discussion
Биосовместимости и цитотоксичность: химическое осаждение из паровой фазы (CVD) метод дал поликристаллических образцах графена, что передразнил Cu кристаллических зерен, как показано на рисунке 1а. Мы использовали спектроскопии комбинационного рассеяния света, чтобы подтв?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Materials
| Reagent | |||
| Dulbecco’s Modified Eagle Medium | ATCC | 30-2002 | |
| Thiazolyl blue tetrazolium bromide | Sigma-Aldrich | M2128 | |
| CellTiter 96 Aqueous One solution cell proliferation assay (MTS) | Promega | G3582 | |
| Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | D8418 | |
| 36.5% formaldehyde | Sigma-Aldrich | F8775 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | |
| Alexafluor 488 phalloidin | Life Technologies | A12379 | |
| VECTASHIELD mounting medium with DAPI | Vector Laboratories | H-1200 | |
| Human serum albumin | Sigma-Aldrich | A9511 | |
| Human fibrinogen | |||
| Tris/Glycine/SDS | Bio-Rad | 161-0732 | |
| Ready Gel Tris-HCl Gel | Bio-Rad | 161-1158 | |
| Acetic acid | Sigma-Aldrich | 45726 | |
| SYPRO Red | Life Technologies | S-6653 | |
| Protein low BCA assay | Lamda Biotech | G1003 | |
| Precision Plus Protein Kaleidoscope Standard | Bio-Rad | 161-0375 | |
| Immun-Blot PVDF membrane | Bio-Rad | 162-0177 | |
| Blotting grade blocker non-fat dry milk | Bio-Rad | 170-6404XTU | |
| Anti-actin antibody produced in rabbit | Sigma-Aldrich | A2066 | |
| BM Chemiluminescence Western Blotting kit (mouse/rabbit) | Roche Applied Science | 11520709001 | |
| RIPA buffer | Sigma-Aldrich | R0278 | |
| NiTi (51% Ni, 49% Ti) | Alfa-Aesar | 44953 | |
| Equipment | |||
| Horiba JobinYvon | Raman spectrometer | Dilor XY 98 | |
| Nikon | Confocal microscope | Eclipse TI microscope | |
| Thermoscientific | Plate reader | ||
| Bio-Rad | Power supply | 164-5050 | PowerPac basic power supply |
| Bio-Rad | Electrophoresis cell | 165-8004 | Mini-PROTEAN tetra cell |
| Bio-Rad | Gel holder cassette | 170-3931 | Mini gel holder cassette |
References
- Roy, R. K., Lee, K. -. R. Biomedical applications of diamond-like carbon coatings: A review. Journal of Biomedical Materials Research Part B-Applied Biomaterials. 83 B (1), 72-84 (2007).
- Shah, A. K., Sinha, R. K., Hickok, N. J., Tuan, R. S. High-resolution morphometric analysis of human osteoblastic cell adhesion on clinically relevant orthopedic alloys. Bone. 24 (5), 499-506 (1999).
- Huang, N., Yang, P., Leng, Y. X., Chen, J. Y., Sun, H., Wang, J., Wang, G. J., Ding, P. D., Xi, T. F., Leng, Y. Hemocompatibility of titanium oxide films. Biomaterials. 24 (13), 2177-2187 (2003).
- Gutensohn, K., Beythien, C., Bau, J., Fenner, T., Grewe, P., Koester, R., Padmanaban, K., Kuehnl, P. In vitro analyses of diamond-like carbon coated stents: Reduction of metal ion release, platelet activation, and thrombogenicity. Thrombosis Research. 99 (6), 577-585 (2000).
- Gillespie, W. J., Frampton, C. M. A., Henderson, R. J., Ryan, P. M. The Incidence of Cancer Following Total Hip-Replacement. Journal of Bone and Joint Surgery-British Volume. 70 (4), 539-542 (1988).
- Sperling, C., Schweiss, R. B., Streller, U., Werner, C. In vitro hemocompatibility of self-assembled monolayers displaying various functional groups. Biomaterials. 26 (33), 6547-6557 (2005).
- Mikhalovska, L. I., Santin, M., Denyer, S. P., Lloyd, A. W., Teer, D. G., Field, S., Mikhalovsky, S. Fibrinogen adsorption and platelet adhesion to metal and carbon coatings. Thrombosis and Haemostasis. 92 (5), 1032-1039 (2004).
- Airoldi, F., Colombo, A., Tavano, D., Stankovic, G., Klugmann, S., Paolillo, V., Bonizzoni, E., Briguori, C., Carlino, M., Montorfano, M., Liistro, F., Castelli, A., Ferrari, A., Sgura, F., Mario, C. D. i. Comparison of diamond-like carbon-coated stents versus uncoated stainless steel stents in coronary artery disease. American Journal of Cardiology. 93 (4), 474-477 (2004).
- Allen, M., Myer, B., Rushton, N. In vitro and in vivo investigations into the biocompatibility of diamond-like carbon (DLC) coatings for orthopedic applications. Journal of Biomedical Materials Research. 58 (3), 319-328 (2001).
- Butter, R., Allen, M., Chandra, L., Lettington, A. H., Rushton, N. . In-vitro Studies of DLC Coatings with Silicon Intermediate Layer. Diamond and Related Materials. 4 (5-6), 857-861 (1995).
- Dearnaley, G., Arps, J. H. Biomedical applications of diamond-like carbon (DLC) coatings: A review. Surface & Coatings Technology. 200 (7), 2518-2524 (2005).
- Dorner-Reisel, A., Schurer, C., Nischan, C., Seidel, O., Muller, E. Diamond-like carbon: alteration of the biological acceptance due to Ca-O incorporation. Thin Solid Films. 420, 263-268 (2002).
- Dowling, D. P., Kola, P. V., Donnelly, K., Kelly, T. C., Brumitt, K., Lloyd, L., Eloy, R., Therin, M., Weill, N. Evaluation of diamond-like carbon-coated orthopaedic implants. Diamond and Related Materials. 6 (2-4), 390-393 (1997).
- Grill, A. Diamond-like carbon coatings as biocompatible materials – an overview. Diamond and Related Materials. 12 (2), 166-170 (2003).
- Hauert, R. A review of modified DLC coatings for biological applications. Diamond and Related Materials. 12 (3-7), 583-589 (2003).
- Windecker, S., Mayer, I., De Pasquale, G., Maier, W., Dirsch, O., De Groot, P., Wu, Y. P., Noll, G., Leskosek, B., Meier, B., Hess, O. M. Working Grp Novel Surface, C., Stent coating with titanium-nitride-oxide for reduction of neointimal hyperplasia. Circulation. 104 (8), 928-933 (2001).
- Zhang, F., Zheng, Z. H., Chen, Y., Liu, X. G., Chen, A. Q., Jiang, Z. B. In vivo investigation of blood compatibility of titanium oxide films. Journal of Biomedical Materials Research. 42 (1), 128-133 (1998).
- Bolz, A., Schaldach, M. Artificial-Heart Valves – Improved Blood Compatibility By PECVD a-SiC-H COATING. Artificial Organs. 14 (4), 260-269 (1990).
- Haude, M., Konorza, T. F. M., Kalnins, U., Erglis, A., Saunamaki, K., Glogar, H. D., Grube, E., Gil, R., Serra, A., Richardt, H. G., Sick, P., Erbel, R., Invest, C. T. Heparin-coated stent placement for the treatment of stenoses in small coronary arteries of symptomatic patients. Circulation. 107 (9), 1265-1270 (2003).
- Suggs, L. J., Shive, M. S., Garcia, C. A., Anderson, J. M., Mikos, A. G. In vitro cytotoxicity and in vivo biocompatibility of poly(propylene fumarate-co-ethylene glycol) hydrogels. Journal of Biomedical Materials Research. 46 (1), 22-32 (1999).
- Clarotti, G., Schue, F., Sledz, J., Benaoumar, A. A., Geckeler, K. E., Orsetti, A., Paleirac, G. Modification of the biocompatible and haemocompatible properties of polymer substrates by plasma-deposited fluorocarbon coatings. Biomaterials. 13 (12), 832-840 (1992).
- Gombotz, W. R., Guanghui, W., Horbett, T. A., Hoffman, A. S. Protein adsorption to poly(ethylene oxide) surfaces. Journal of Biomedical Materials Research. 25 (12), 1547-1562 (1991).
- Ishihara, K., Fukumoto, K., Iwasaki, Y., Nakabayashi, N. Modification of polysulfone with phospholipid polymer for improvement of the blood compatibility. Part 2. Protein adsorption and platelet adhesion. Biomaterials. 20 (17), 1553-1559 (1999).
- Jung, N., Kim, B., Crowther, A. C., Kim, N., Nuckolls, C., Brus, L. Optical Reflectivity and Raman Scattering in Few-Layer-Thick Graphene Highly Doped by K and Rb. ACS Nano. 5 (7), 5708-5716 (2011).
- Rao, A. M., Eklund, P. C., Bandow, S., Thess, A., Smalley, R. E. Evidence for charge transfer in doped carbon nanotube bundles from Raman scattering. Nature. 388 (6639), 257-259 (1997).
- Bunch, J. S., Verbridge, S. S., Alden, J. S., vander Zande, A. M., Parpia, J. M., Craighead, H. G., McEuen, P. L. Impermeable atomic membranes from graphene sheets. Nano Letters. 8 (8), 2458-2462 (2008).
- Chen, S., Brown, L., Levendorf, M., Cai, W., Ju, S. -. Y., Edgeworth, J., Li, X., Magnuson, C. W., Velamakanni, A., Piner, R. D., Kang, J., Park, J., Ruoff, R. S. Oxidation Resistance of Graphene-Coated Cu and Cu/Ni Alloy. Acs Nano. 5 (2), 1321-1327 (2011).
