Rivestimenti grafene per impianti biomedici
Summary
Grafene offre potenziale come materiale di rivestimento per protesi biomedicali. In questo studio si dimostra un metodo per il rivestimento di leghe in nitinol con strati di grafene nanometri di spessore e di determinare il modo in grafene possono influenzare la risposta dell'impianto.
Abstract
Grafene atomico liscio come un rivestimento di superficie ha il potenziale per migliorare le proprietà degli impianti. Questo viene illustrato un metodo per il rivestimento di leghe di nitinol con strati spessi nanometri di grafene per applicazioni come materiale stent. Grafene è stato coltivato su substrati di rame attraverso la deposizione di vapore chimico e quindi trasferita su substrati nitinol. Per comprendere come il rivestimento grafene potrebbe cambiare risposta biologica, vitalità cellulare delle cellule endoteliali aortiche ratto e topo cellule muscolari lisce aortiche stato studiato. Inoltre, l'effetto di grafene rivestimenti su adesione cellulare e la morfologia è stato esaminato con microscopia confocale a fluorescenza. Le cellule sono state colorate per actina e nuclei, e c'erano differenze notevoli tra incontaminate campioni nitinol rispetto al grafene rivestite campioni. Espressione di actina totale da ratto cellule muscolari lisce dell'aorta è stato trovato con Western Blot. Proteine caratteristiche di adsorbimento, un indicatore per trombogenicità potenziale, were determinata per il fibrinogeno albumina sierica e con elettroforesi su gel. Inoltre, il trasferimento di carica dal fibrinogeno al substrato è stata dedotta mediante spettroscopia Raman. Si è constatato che il rivestimento grafene nitinol substrati soddisfatto i requisiti funzionali per un materiale stent e migliorato la risposta biologica rispetto a non patinata nitinol. Così, il grafene nitinol rivestito è un valido candidato per un materiale stent.
Introduction
Negli ultimi tre decenni hanno visto la scoperta di nuovi materiali a base di terapie e dispositivi per trattamenti di malattia e la diagnostica. Nuovi materiali in lega come nitinol (NiTi) e acciaio inox sono spesso utilizzati nella produzione di impianti biomedico per le loro superiori proprietà meccaniche. 1-3, tuttavia, numerose sfide ancora a causa della citotossicità materiale esogeno, bio-e emo-compatibilità. La natura metallica di questi risultati leghe in scarsa bio-e emocompatibilità causa di lisciviazione metallo, mancanza di adesione cellulare, proliferazione, e trombosi quando entra in contatto con il sangue che scorre (ad esempio cateteri, innesti vascolari, stent vascolari, valvole cardiache artificiali ecc.). 1, 4, 5 L'interazione di proteine o cellule viventi con superficie dell'impianto può portare a una forte risposta immunologica e la conseguente cascata di reazioni biochimiche possono compromettere la funzionalità del dispositivo. Pertanto, è pertinENT per ottenere il controllo delle interazioni tra impianti biomedici e il suo ambiente circostante biologico. Modificazione superficiale è spesso impiegato per ridurre o prevenire la risposta fisiologica avversa proveniente dal materiale di impianto. Un rivestimento di superficie ideale dovrebbe avere alta resistenza di adesione, inerzia chimica, elevata scorrevolezza e buona emo-e biocompatibilità. Precedentemente, numerosi materiali compresi carbonio tipo diamante (DLC), SiC, TiN, TiO 2 e molti materiali polimerici sono stati testati come rivestimenti impianti biocompatibili superficie. 1, 6-23 Tuttavia, questi materiali sono ancora in grado di soddisfare tutte i criteri funzionali per un rivestimento adatto superficie dell'impianto.
La scoperta di strato atomo di spessore di carbonio sp 2, noto come grafene, ha aperto le porte per lo sviluppo di nuovi materiali multifunzionali. Il grafene è dovrebbe essere un candidato ideale per il rivestimento di superficie implantare in quantoè chimicamente inerte, atomicamente liscia e molto resistente. In questa lettera, si indaga la fattibilità di grafene come un rivestimento di superficie per gli impianti biomedici. I nostri studi dimostrano che il grafene nitinol rivestito (Gr-NiTi) soddisfa tutti i criteri funzionali, e supporta inoltre eccellente muscolatura liscia e la crescita delle cellule endoteliali che porta alla proliferazione cellulare meglio. Troviamo anche che il siero albumina adsorbimento su Gr-NiTi è superiore fibrinogeno. È importante sottolineare che, (i) le nostre misurazioni dettagliate spettroscopiche confermato la mancanza di trasferimento di carica tra il grafene e fibrinogeno suggerendo che il rivestimento di grafene inibisce l'attivazione piastrinica da parte di impianti, (ii) i rivestimenti di grafene non mostrano alcuna significativa tossicità in vitro per le linee endoteliali e muscolari lisce delle cellule che confermano loro biocompatibilità, e (iii) rivestimenti grafene sono chimicamente inerti, resistenti ed impermeabili in ambiente sangue scorre. Questi emo-e proprietà biocompatibili, con st altarength, inerzia chimica e resistenza, rendono rivestimenti grafene come rivestimento superficie ideale.
Protocol
Representative Results
Discussion
Biocompatibilità e citotossicità: La deposizione chimica da fase vapore (CVD) metodo ha prodotto campioni policristallini grafene riproducenti grani di cristallo Cu, come illustrato in Figura 1A. Abbiamo utilizzato la spettroscopia Raman per confermare la presenza di monostrato (strato di pochi) di grafene su 1 sccm (4 sccm) campioni (cfr. figura 1b). Chiaramente, 1 sccm (4 sccm) campioni mostrano fascia indicativa di monostrato intenso (relativamente più debole) G '(str…
Divulgations
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).
