Summary
Nuovi nanocompositi di nanonastri di grafene e nanoparticelle di idrossiapatite sono stati preparati utilizzando la sintesi in fase di soluzione. Questi ibridi quando impiegati in scaffold bioattivi possono presentare potenziali applicazioni nell'ingegneria tissutale e nella rigenerazione ossea.
Abstract
Lo sviluppo di nuovi materiali per l'ingegneria dei tessuti ossei è una delle aree di spinta più importanti della nanomedicina. Diversi nanocompositi sono stati fabbricati con idrossiapatite per facilitare l'aderenza cellulare, la proliferazione e l'osteogenesi. In questo studio, i nanocompositi ibridi sono stati sviluppati con successo utilizzando nanonastri di grafene (GNR) e nanoparticelle di idrossiapatite (nHAPs), che se impiegati in scaffold bioattivi possono potenzialmente migliorare la rigenerazione del tessuto osseo. Queste nanostrutture possono essere biocompatibili. Qui, sono stati utilizzati due approcci per preparare i nuovi materiali. In un approccio, è stata utilizzata una strategia di co-funzionalizzazione in cui nHAP è stato sintetizzato e coniugato contemporaneamente ai GGR, con conseguente nanoabridi di nHAP su superfici GNR (indicate come nHAP / GNR). La microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) ha confermato che il composito nHAP/GNR è composto da strutture sottili e sottili di GGR (lunghezza massima di 1,8 μm) con patch discrete (150-250 nm) di nHAP aghiforme (40-50 nm di lunghezza). Nell'altro approccio, nHAP disponibile in commercio è stato coniugato con GGR formando nHAP rivestito GNR (indicato come GNR / nHAP) (cioè con un orientamento opposto rispetto alla nanoibrida nHAP / GNR). Il nanoibrido formatosi utilizzando quest'ultimo metodo ha mostrato nanosfere nHAP con un diametro che va da 50 nm a 70 nm coperte da una rete di GNR sulla superficie. Gli spettri dispersivi di energia, la mappatura elementare e gli spettri infrarossi a trasformata di Fourier (FTIR) hanno confermato il successo dell'integrazione di nHAP e GNR in entrambi i nanoibridi. L'analisi termogravimetrica (TGA) ha indicato che la perdita a temperature di riscaldamento elevate a causa della presenza di GNR è stata dello 0,5% e dello 0,98% rispettivamente per GNR/nHAP e nHAP/GNR. I nanoibridi nHAP-GNR con orientamenti opposti rappresentano materiali significativi da utilizzare in scaffold bioattivi per promuovere potenzialmente le funzioni cellulari per migliorare le applicazioni di ingegneria del tessuto osseo.
Introduction
Il grafene ha strutture bidimensionali simili a fogli composte da carbonio sp-ibridato. Diversi altri allotropi possono essere attribuiti alla rete estesa a nido d'ape di grafene (ad esempio, l'impilamento di fogli di grafene forma grafite 3D mentre il rotolamento dello stesso materiale provoca la formazione di nanotubi 1D1). Allo stesso modo, i fullereni 0D si formano a causa dell'avvolgimento2. Il grafene ha interessanti proprietà fisico-chimiche e optoelettroniche che includono un effetto di campo ambipolare e un effetto Hall quantistico a temperatura ambiente 3,4. Il rilevamento di eventi di adsorbimento di singole molecole e l'estremamente elevata mobilità del vettore si aggiungono agli attributi attraenti del grafene 5,6. Inoltre, i nanonastri di grafene (GGR) con larghezze strette e un ampio percorso libero medio, bassa resistività con un'alta densità di corrente e alta mobilità degli elettroni sono considerati promettenti materiali di interconnessione7. Quindi, i GGR vengono esplorati per applicazioni in una miriade di dispositivi e, più recentemente, nella nanomedicina, in particolare nell'ingegneria tissutale e nella somministrazione di farmaci8.
Tra i vari disturbi traumatici, le lesioni ossee sono considerate una delle più impegnative a causa delle difficoltà a stabilizzare la frattura, la rigenerazione e la sostituzione con nuovo osso, resistere alle infezioni e riallineare le non unioni ossee 9,10. Le procedure chirurgiche rimangono l'unica alternativa per le fratture dell'albero del femore. Va notato che quasi $ 52 milioni vengono spesi ogni anno per il trattamento di lesioni ossee in America Centrale e in Europa11.
Gli scaffold bioattivi per applicazioni di ingegneria dei tessuti ossei possono essere più efficaci incorporando nano-idrossiapatite (nHAP), in quanto assomigliano alle proprietà micro e nano architettoniche dell'osso stesso12. L'HAP, rappresentato chimicamente come Ca10(PO4)6(OH)2 con un rapporto molare Ca/P di 1,67, è il più preferito per le applicazioni biomediche, in particolare per il trattamento dei difetti parodontali, la sostituzione dei tessuti duri e la fabbricazione di impianti per interventi chirurgici ortopedici13,14. Pertanto, la fabbricazione di biomateriali a base di nHAP rinforzati con GNR può possedere una biocompatibilità superiore e può essere vantaggiosa grazie alla loro capacità di promuovere l'osteointegrazione ed essere osteoconduttivi15,16. Tali scaffold compositi ibridi possono preservare proprietà biologiche come l'aderenza cellulare, la diffusione, la proliferazione e la differenziazione17. Qui riportiamo la fabbricazione di due nuovi nanocompositi per l'ingegneria del tessuto osseo alterando razionalmente la disposizione spaziale di nHAP e GNR come illustrato nella Figura 1. Le proprietà chimiche e strutturali dei due diversi accordi nHAP-GNR sono state valutate qui.
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Protocol
1. Sintesi di nHAP per precipitazione
- Sintetizzare il nHAP incontaminato utilizzando 50 mL della miscela di reazione contenente 1 M Ca(NO3)2∙4H2O e 0,67 M (NH4)H2PO4 seguita dall'aggiunta a goccia di NH4OH (25%) per mantenere un pH intorno a 1018.
- Successivamente, agitare la miscela di reazione mediante irradiazione ad ultrasuoni (UI) per 30 minuti (potenza di 500 W e frequenza ad ultrasuoni di 20 kHz).
- Lasciare maturare la soluzione risultante per 120 ore a temperatura ambiente fino a quando il precipitato bianco di nHAP si deposita. Recuperare il nHAP per centrifugazione a 1398 x g per 5 minuti a temperatura ambiente.
- Lavare il precipitato con acqua deionizzata (DI) 3x e liofilizzare per 48 ore. Conservare la polvere secca a 4 °C.
2. Preparazione di nanocompositi nHAP/GNR
NOTA: quanto segue descrive due approcci per la fabbricazione di nanocompositi nHAP/GNR (cioè nHAP su superfici GNR) e GNR/nHAP (nHAP rivestito in GNR) che rappresentano due diverse disposizioni spaziali di nHAP e GNR (Figura 1).
- Sintesi di nHAP/GNR
- Per preparare il nanocomposito nHAP/GNR, utilizzare una strategia di co-funzionalizzazione in cui nHAP può essere sintetizzato e coniugato a GGR contemporaneamente, come segue.
- Sciogliere 5 mg di GGR (Table of Materials) in una miscela di 1 M di nitrato di calcio tetraidrato [Ca(NO3)2·4H2O] e 0,67 M di idrogeno fosfato di diammonio [(NH4)2HPO4] a un volume finale di 50 mL19.
- Durante questa reazione, aggiungere il 25% di NH4OH a goccia per mantenere il pH a ~ 10. Agitare la miscela risultante tramite UI per 30 minuti.
- Dopo il completamento della reazione, lasciare la soluzione indisturbata per 120 ore a temperatura ambiente fino alla maturazione.
- Osservare la formazione di un precipitato gelatinoso di nHAP che ricopre i GNR, in seguito al quale si deposita un precipitato bianco di nHAP/GNR.
- Lavare il precipitato 3x mediante centrifugazione a 1398 x g per 5 minuti a temperatura ambiente seguita da ridispersione in acqua DI.
- Liofilizzare il precipitato lavato recuperato per 48 ore. Conservare la polvere secca a 4 °C.
- Utilizzare nHAP e GNR incontaminati come campioni di controllo.
- Sintesi di nanocomposito GNR/nHAP
- Sospendere nHAP disponibile in commercio ad una concentrazione di 5 mg/mL in 50 mL di acqua DI integrata con 5 mg di GNR.
- Agitare la miscela risultante tramite UI per 30 minuti e successivamente lasciare la miscela indisturbata per 120 ore a temperatura ambiente.
- Dopo la maturazione, recuperare il precipitato bianco del GNR/nHAP risultante mediante centrifugazione a 1398 x g per 5 minuti a temperatura ambiente.
- Lavare il campione 3 volte con acqua DI, liofilizzare per 48 ore e conservare la polvere secca a 4 °C per un ulteriore utilizzo.
3. Caratterizzazione di nHAP, nHAP/GNR e GNR/nHAP
- Utilizzare un microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) (vedi Tabella dei materiali) per caratterizzare la morfologia e le dimensioni dei nanocompositi11.
- Analizzare la composizione elementare dei nanocompositi utilizzando la spettroscopia a dispersione di energia (EDS) ed eseguire la mappatura elementare utilizzando il microscopio elettronico a trasmissione a scansione (STEM)11.
- Eseguire la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) per i campioni ordinati a numeri d'onda di 500-4000 cm−1 per analizzare i gruppi chimici nel nanocomposito16.
- Eseguire l'analisi della diffrazione a raggi X (XRD) in polvere dell'nHAP sintetizzato utilizzando una lunghezza d'onda a raggi X di 1,5406 Å, impostazioni di corrente e tensione di 40 mA e 40 kV, rispettivamente, e 2θ che vanno da 20 ° a 90 °.
- Valutare il carico percentuale di GNR nel nanocomposito utilizzando l'analisi termogravimetrica (TGA) riscaldando i campioni dalla temperatura ambiente a 1000 °C ad una velocità di 10 °C/min sotto flusso di azoto.
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Representative Results
Analisi HRTEM
Individualmente, i GNR erano strutture sottili simili a bambù con alcune curve a una certa distanza, come osservato nella Figura 2. Il GNR più lungo era di 1.841 μm mentre il GNR piegato più piccolo era di 497 nm. I nanonastri hanno spesso mostrato una variazione visibile di larghezza che potrebbe essere attribuita alla torsione per formare configurazioni elicoidali in molti punti. Tale allineamento unidirezionale dei GNR può aiutare a ottenere caratteristiche interessanti come proprietà magnetiche, conduttività o trasporto di calore7.
I NHP sintetizzati utilizzando nitrato di calcio tetraidrato e idrogeno fosfato di diammonio a temperatura ambiente (fase 1) erano a forma di bastoncello o aghiformi con una dimensione compresa tra 40 nm e 50 nm (Figura 3). I nanomateriali sintetizzati sono stati trovati in grumi a causa dell'aggregazione e della crescita cristallina. D'altra parte, i NMAP disponibili in commercio utilizzati erano sferici (Figura 4); queste nanosfere avevano un diametro di 50-70 nm e erano presenti in ammassi discreti di 15-20 sfere.
nHAP è stato depositato in situ sui GNR (rappresentati come nHAP/GNR) nella strategia di co-funzionalizzazione (fase 2.1). I nanocompositi risultanti di NGR e nHAP consistevano in nanostrutture interconnesse altamente porose. La predominanza di nHAP aghiformi che coprono la superficie GNR in patch (Figura 5) è attribuita ai GNR che fungono da impalcatura nano-caratterizzata per la nucleazione nHAP. Le patch nHAP sono risultate tra 150 nm e 250 nm in lunghezza e larghezza (Figura 5A, B). La mappatura elementare ha confermato che le macchie nodali intermediate sui GNR erano effettivamente nHAP a causa della presenza di calcio elementare e fosforo (Figura 5C).
Nell'altro metodo (fase 2.2), nHAP preformato è stato coniugato ai GNR che hanno portato alla formazione di nHAP rivestito di GNR (rappresentato come GNR / nHAP, cioè con un orientamento inverso rispetto al composito nHAP / GNR). In questo caso, i GNR hanno formato film sottili sulla superficie delle nanoparticelle sferiche nHAP (Figura 6).
È interessante notare che le curve e le circonvoluzioni notate alla periferia dei GNR, come evidente nella Figura 2A , sono per lo più attribuite a proprietà di bassa stabilità che potrebbero aver migliorato significativamente l'interazione meccanica e l'attaccamento con il nHAP come visto in Figura 5 e Figura 6. Inoltre, l'ampia superficie dei GNR incontaminati aiuta anche a un maggiore carico nHAP. Inoltre, l'invecchiamento delle soluzioni composite per 120 ore ha portato alla completa conversione dell'apatite in idrossiapatite altamente cristallina (Figura 3 e Figura 5). I gruppi funzionali a base di ossigeno della superficie GNR interagiscono elettrostaticamente con Ca2+, fungendo da sito recettore. Le nanostrutture di apatite possono essere ulteriormente ottenute grazie alla reazione in situ tra questi cationi ancorati e gli ioni fosfato (fase 2.1). L'orientamento del nHAP microstrutturato sulla superficie GNR è controllato da diversi fattori che includono la quantità e il tipo di gruppi ossigenati sui modelli a base di grafene, la concentrazione relativa dei precursori (Ca2+ e HPO42-), il pH della miscela di reazione e il tempo di maturazione. L'effetto cumulativo delle condizioni di reazione ha portato all'avvolgimento dei GNR trasparenti sulla superficie delle nanosfere nHAP probabilmente a causa dell'adsorbimento fisico non covalente.
Analisi degli spettri a dispersione di energia (EDS)
Per confermare i componenti principali e la composizione elementare dei nanocompositi, è stata eseguita un'analisi spettrale a dispersione di energia. Nella Figura 7A, gli spettri EDS dei GGR incontaminati hanno mostrato un picco di carbonio che corrisponde ai GGR mentre non sono stati osservati altri picchi ad eccezione del rame che è stato attribuito alla griglia utilizzata per il montaggio dei campioni durante l'analisi HRTEM. La Figura 7B mostra lo spettro EDS delle nanosfere nHAP preformate disponibili in commercio in cui i picchi di carbonio e rame sono attribuiti alle griglie di rame rivestite di carbonio utilizzate per il montaggio dei campioni durante l'analisi HRTEM. Nella Figura 7C, un chiaro aumento del contenuto di carbonio è stato attribuito ai GGR, mentre gli altri picchi specifici di calcio e fosforo erano dovuti a nHAP nei nanocompositi GNR/nHAP. La Figura 8 mostra gli spettri EDS del composito nHAP as-sintetizzato (fase 1) (Figura 8A) e nHAP/GNR (Figura 8B). Il marcato aumento del contenuto di carbonio nello spettro nHAP/GNR è dovuto alla maggior parte dei GNR su cui sono state osservate solo piccole macchie di nHAP appena sintetizzato.
Analisi FTIR
La coniugazione di nHAP con i GNR è stata confermata attraverso spettri FTIR. La Figura 9 mostra gli spettri FTIR di nHAP, GNR, nHAP/GNR e GNR/nHAP. Il picco di flessione OH fuori piano a 600 cm-1 è visto nell'FTIR di GNR12. Il picco a 1030 cm-1, attribuito allo stiramento del P-O, è stato osservato in nHAP, confermando la sua composizione chimica15. In particolare, il caratteristico picco di allungamento P-O di nHAP è stato trovato anche in nHAP / GNR e GNR / nHAP, indicando la presenza di nHAP in entrambi i compositi. Gli altri due picchi, 1413 e 1447 cm-1 trovati solo nei compositi sono attribuiti rispettivamente alle vibrazioni δCH2 e al gruppo carbonatico (CO32−), che confermano la coniugazione di GNR e nHAP16.
Analisi della diffrazione a raggi X (XRD)
Il modello XRD dell'HAP (passaggio 2.1) è illustrato nella Figura 10. I picchi forti indicavano una buona cristallinità del materiale. Le posizioni di picco erano in buon accordo con quelle nei dati standard ICDD (scheda PDF2: 00-009-0432). Ciò ha ulteriormente confermato la struttura cristallina esagonale (gruppo spaziale P63/m) del nHAP, con valori di parametri reticolari di a = b = 0,940 nm e c = 0,615 nm. Alcuni dei picchi salienti e forti a valori 2θ di 25,8°, 28,2°, 31,8°, 32,9°, 34,1°, 39,7°, 43,9°, 46,6° e 49,4° corrispondenti a (002), (102), (211), (300), (202), (310), (113), (222) e (213) piani, rispettivamente, hanno confermato la purezza del nHAP sintetizzato 16,20,21.
Analisi termogravimetrica (TGA)
L'analisi termogravimetrica (TGA) è stata impiegata per stimare la percentuale di carico nei coniugati (Figura 11). Tre importanti perdite di massa sono state evidenti durante l'analisi TGA. La perdita iniziale di massa a temperature fino a 100 °C è dovuta all'acqua fisica intrappolata. La seconda perdita tra 100 °C e 200 °C è dovuta alla decomposizione del GNR in fuliggine di carbonio. La costante diminuzione della massa in seguito fino a 500 °C è dovuta alla cristallizzazione di nHAP. Un ulteriore riscaldamento ha portato alla decomposizione dei complessi. La perdita dovuta alla presenza di GNR è risultata essere compresa tra lo 0,5% e lo 0,98% rispettivamente in GNR/nHAP e nHAP/GNR. Quindi, è in buon accordo con la nostra precedente analisi in cui l'HAP è stato trovato come componente principale e i GNR erano orientati alla superficie all'interno del GNR / nHAP. D'altra parte, i GNR erano abbondanti in nHAP / GNR in cui il nHAP formava macchie discrete sui lunghi tratti di NGR.
Figura 1: Rappresentazione schematica per la sintesi di compositi ibridi grafene nanonappo-idrossiapatite orientati al contrario: (A) nHAP/GNR e (B) GNR/nHAP. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Analisi strutturale dei GGR: (A) analisi HRTEM dei GNR nudi; (B) Scansione di immagini STEM (Transmission Electron Mode) dei GNR; e (C) Mappatura elementare dei GNR, dove i colori rosso, verde, giallo e blu denotano rispettivamente carbonio, ossigeno, fosforo e calcio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Analisi strutturale di nHAP as-sintetizzato: (A) analisi HRTEM di nHAP; (B) Scansione di immagini stem (Transmission Electron Mode) di nHAP con la barra della scala inserita che rappresenta 100 nm; e (C) Mappatura elementare del nHAP in cui i colori rosso, verde, giallo e blu denotano rispettivamente carbonio, ossigeno, fosforo e calcio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Analisi strutturale del nHAP preformato disponibile in commercio: (A) analisi HRTEM di nHAP; (B) Scansione di immagini STEM (Transmission Electron Mode) di nHAP; e (C) Mappatura elementare del nHAP in cui i colori rosso, verde, giallo e blu denotano rispettivamente carbonio, ossigeno, fosforo e calcio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Analisi strutturale di nHAP/GNR sintetizzata dalla strategia di co-funzionalizzazione: (A) analisi HRTEM di nHAP/GNR; (B) Scansione di immagini STEM (Transmission Electron Mode) di nHAP/GNR; e (C) Mappatura elementare del nHAP/GNR dove i colori rosso, verde, giallo e blu denotano rispettivamente carbonio, ossigeno, fosforo e calcio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Analisi strutturale di GNR/nHAP: (A) analisi HRTEM di GNR/nHAP; (B) Immagini stem (Transmission Electron Mode) a scansione di GNR/nHAP con barra di scala inserita che rappresenta 50 nm; e (C) Mappatura elementare del GNR/nHAP dove i colori rosso, verde, giallo e blu denotano rispettivamente carbonio, ossigeno, fosforo e calcio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: Analisi EDS del nanocomposito GNR/nHAP: (A) GNR, (B) nHAP preformato disponibile in commercio e (C) nanocomposito GNR/nHAP. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8: Analisi EDS del nanocomposito nHAP/GNR: (A) NHAP as-sintetizzato e (B) nHAP/GNR. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9: Analisi FTIR dei nanocompositi. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 10: Analisi della diffrazione a raggi X (XRD) di nHAP. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 11: Analisi termogravimetrica dei nanocompositi. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Sebbene vari metalli, polimeri, ceramiche e le loro combinazioni siano stati studiati come impianti ortopedici e accessori di fissaggio, l'HAP è considerato uno dei materiali più preferibili a causa della sua somiglianza chimica con l'osso stesso e della conseguente elevata citocompatibilità 20,21,22. In questo studio, l'orientamento dell'HAP è stato variato, il che può avere un impatto significativo sulle sue proprietà uniche, come la promozione dell'osteogenesi, l'osteointegrazione e l'osteoconduttività. Inoltre, cambiare l'orientamento dell'HAP può influire sulle proprietà meccaniche dei nanocompositi per imitare ulteriormente quello dell'osso naturale, poiché le ossa lunghe del corpo possiedono un allineamento anisotropico di HA con il collagene, mentre le ossa cuboidali possiedono una disposizione casuale di HA con il collagene. Va notato che sebbene l'HAP naturale sia il principale costituente dei denti e delle ossa umane, le sue proprietà fisiche dipendono in gran parte dalle condizioni di reazione come il tempo di reazione, il pH, la concentrazione di fosfato e la natura chimica della faseCaP 23. Quindi, in questo studio, è stato utilizzato un metodo chimico umido per sintetizzare nHAP a un pH di 10 sotto irradiazione ad ultrasuoni (UI). Barbosa et al. (2013) hanno anche riferito che l'interfaccia utente in combinazione con la precipitazione acquosa senza calcinazione è un metodo semplice, rapido ed efficiente che genera nHAP con elevata cristallinità e specificità18.
È significativo notare che i biomateriali associati all'HAP fabbricati artificialmente spesso presentano scarse proprietà meccaniche che includono fragilità intrinseca, bassa tenacità alla frattura e usura22. Quindi, nHAP è rinforzato qui con GGR per facilitare: (i) la funzionalizzazione superficiale associata alle nano-particelle, (ii) le interazioni elettrostatiche all'interfaccia nel complesso e (iii) il trasferimento di stress ai nano-riempitivi dalla matrice degli scaffold 24,25,26. La sintesi chimica umida seguita qui ha portato a nHAP incontaminato prevalentemente in piccole particelle aciculari agglomerate in particelle più grandi (~ 40 nm). Questo risultato è ben in accordo con il rapporto di Barbosa et al. (2013), in cui è stato ipotizzato che l'interfaccia utente abbia svolto un ruolo fondamentale nell'indurre la nucleazione formando pareti di bolle nelle immediate vicinanze, denominate "punti caldi"18,27.
È interessante notare che una diminuzione della dimensione delle particelle sia delle particelle ospiti che ospiti può migliorare la scorrevolezza solo fino a un certo limite. Successivamente, un'ulteriore riduzione delle dimensioni della particella ospite può portare ad un agglomerazione che influisce negativamente sulla scorrevolezza28. Oltre a indurre la nucleazione primaria in una soluzione praticamente priva di particelle, l'interfaccia utente previene alti livelli di sovrasaturazione. Inoltre, la riduzione mediata dall'interfaccia utente del tempo trascorso tra la creazione della sovrasaturazione e l'inizio della nucleazione e della cristallizzazione può essere fondamentale nell'evoluzione della forma di nHAP e nel modello di funzionalizzazione sui GNR. La struttura nHAP/GNR potrebbe essere attribuita all'effetto cumulativo della temperatura di reazione, della pressione associata al collasso della bolla e delle onde d'urto oltre all'agitazione altamente energetica creata in regioni spazialmente concentrate. Allo stesso modo, la struttura GNR/nHAP sintetizzata dall'aggiunta simultanea di GGR e nHAP incontaminati in presenza di UI potrebbe essere attribuita alle successive rapide velocità di raffreddamento locali che migliorano la sovrasaturazione. Un incremento localizzato di pressione può anche diminuire la temperatura di cristallizzazione, mentre la barriera creata dall'energia di attivazione può essere significativamente superata dal trasferimento di energia dovuto alla cavitazione durante la funzionalizzazione superficiale dei GNR18,27.
Un rapporto mostra che l'eccessiva applicazione di UI (~ 30-120 min) durante la sintesi riduce la cristallinità e / o la dimensione dei cristalli nHAP29. Questo può ulteriormente determinare l'orientamento della funzionalizzazione come osservato nel nostro studio. Anche in questo studio, i risultati hanno mostrato che l'interfaccia utente per un tempo di esposizione relativamente lungo (30 minuti) durante la sintesi di nHAP ha portato alla deposizione di nHAP sui GNR. D'altra parte, l'interfaccia utente per 30 minuti con nHAP e GNR preformati ha portato alla deposizione di NGR sui NHP sferici. Quindi, questo metodo è ideale per la produzione su larga scala di nHAP per ottenere compositi incorporati in GNR per la fabbricazione di scaffold30,31. Tali nuovi compositi orientati al contrario con proprietà meccaniche superiori possono essere significativi per l'ingegneria del tessuto osseo. In particolare, Fan et al. (2014) hanno riferito che l'introduzione del grafene può migliorare significativamente la durezza e il modulo di Young di nHAP che a sua volta mostra una maggiore osteointegrazione con l'osso circostante (cioè una biocompatibilità superiore), rispetto al grafene incontaminato e al nHAP, individualmente32. Pertanto, i nanocompositi composti da GGR e nHAP con proprietà meccaniche superiori e biocompatibilità possono essere biomateriali promettenti per numerose applicazioni ortopediche 33,34,35.
Tuttavia, la sfida principale nella fabbricazione di nanoibridi con orientamenti opposti è che i parametri di reazione dovrebbero essere rigorosamente seguiti per ottenere l'orientamento desiderato dei nanocompositi36,37. Inoltre, nella strategia di co-funzionalizzazione, meno quantità di nHAP a forma di ago sono state depositate sui GGR, il che può ridurre il loro potenziale di rigenerazione del tessuto osseo e resistenza meccanica. Le forme del nHAP in entrambi i metodi sono diverse, il che può influenzare significativamente la quantità di osteogenesi e quindi causare varie proprietà pertinenti per le applicazioni biomediche.
In conclusione, qui, abbiamo sintetizzato nanocompositi composti da GGR e nHAP con disposizioni spaziali contrastanti che possono avere potenziali applicazioni in ortopedia. I risultati hanno mostrato che la morfologia nHAP e il tempo di funzionalizzazione (cioè, se la funzionalizzazione avviene dopo la sintesi o contemporaneamente alla sintesi nHAP) hanno determinato l'orientamento di nHAP e NGR nei nanocompositi. La co-funzionalizzazione durante la sintesi ha portato a nHAP/GNR, mentre la funzionalizzazione con nHAP preformata ha portato a NGR/nHAP. Questi nanocompositi potrebbero essere applicabili allo sviluppo di scaffold per promuovere l'osteogenesi e, quindi, hanno una promessa significativa nella nanomedicina rigenerativa che giustifica ulteriori indagini.
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Disclosures
Gli autori non hanno conflitti di interesse.
Acknowledgments
Il Dr. Sougata Ghosh riconosce il Dipartimento di Scienza e Tecnologia (DST), il Ministero della Scienza e della Tecnologia, Governo dell'India, e il Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research, India per il finanziamento nell'ambito della Post-Doctoral Overseas Fellowship in Nano Science and Technology (Ref. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 datato 19 agosto 2019). Il Dr. Sougata Ghosh riconosce la Kasetsart University, Bangkok, Thailandia per una borsa di studio post-dottorato e finanziamenti nell'ambito del Reinventing University Program (Rif. n. 6501.0207/10870 del 9 novembre 2021). Gli autori desiderano ringraziare il Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) per l'assistenza con gli esperimenti di caratterizzazione. KANCF è una struttura di ricerca ed educazione multidisciplinare condivisa all'interno del Kostas Research Institute (KRI) presso la Northeastern University.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ammonium phosphate monobasic | Sigma-Aldrich | 216003-100G | Synthesis |
| Calcium nitrate tetrahydrate | Sigma-Aldrich | 237124 | Synthesis |
| Centrifuge | Hettich | EBA 200S | Recovery |
| Fourier transform infrared spectrometer | Brucker | Vertex 70 | Characterization |
| Graphene nanoribbon | Sigma-Aldrich | 922714 | Synthesis |
| High resolution transmission electron microscope | Thermo Fisher Scientific | Themis Titan 300 | Characterization |
| Magnetic stirrer | IKA | C-MAG HS7 S68 | Functionalization |
| Micropipettes | TreffLab | 06H35687 | Reagent preparation |
| pH meter | Eutech pH5+ | ECPH503PLUSK | Reagent preparation |
| Thermogravimetric analyzer | TA Instruments | SDT Q600 | Characterization |
| Ultrasonic bath | Bandelin | DT100 | Functionalization |
| Universal Oven | Memmert | UF55 | Functionalization |
| Weighing balance | Precisa | XB220A | Reagent preparation |
| X-ray diffractometer | Brucker | D8-Advanced | Characterization |
References
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