メディカルインプラントのグラフェンコーティング
Summary
グラフェンは、生物医学インプラントのコーティング材料としての可能性を秘めています。本研究では、グラフェンのナノメートル厚さの層でコーティングニチノール合金のための方法を示し、グラフェンは、インプラントの応答に影響を与える可能性がある方法を決定します。
Abstract
表面コーティングとして原子的に平滑なグラフェンは、インプラントの性質を改善する可能性を秘めている。これはステント材料などの用途にグラフェンのナノメートル厚さの層でコーティングニチノール合金のための方法を示しています。グラフェンは、化学蒸着を介して銅基板上に成長させた後、ニチノール基材に転写した。グラフェンコーティングは生物学的応答を変えることができる方法を理解するためには、ラット大動脈内皮細胞およびラット大動脈平滑筋細胞の細胞生存率を調べた。また、細胞接着と形態上のグラフェンのコーティングの効果は蛍光共焦点顕微鏡を用いて検討した。細胞は、アクチンと核を染色し、グラフェンでコーティングされたサンプルと比較して自然のままのニチノールサンプル間の顕著な差は認められていた。ラット大動脈平滑筋細胞からの総アクチンの発現をウェスタンブロットを用いて発見された。タンパク質吸着特性、潜在的な血栓形成の指標で、wEREは、ゲル電気泳動による血清アルブミン、フィブリノゲンについて決定された。また、フィブリノゲンから基板への電荷の移動は、ラマン分光法を用いて推定した。これは、ニチノール基板上グラフェンコーティングはステント材料の機能要件を満たし、コーティングされていないニチノールに比べて生物学的応答を改善することがわかった。このように、グラフェンでコーティングされたニチノールは、ステント材料のための実行可能な候補である。
Introduction
過去30年間は、病気の治療や診断のための新規材料ベースの治療とデバイスの検出を目撃しました。ニチノール（NiTiの）やステンレス鋼のような斬新な合金材料は、多くの場合、彼らの優れた機械的特性に起因する生物医学インプラントの製造に使用されています1月3日ただし、多くの課題は、外因性物質の細胞毒性、バイオ·HEMO互換性のために残っています。カテーテル、血管移植片、血管ステント、人工心臓弁など貧しいバイオ·金属浸出、細胞接着性の欠如、増殖、および血栓症による血液適合性におけるこれらの合金の結果、それが血流に接触（の金属の性質等 ）。1,4,5、タンパク質またはインプラント表面と生体細胞との相互作用に悪影響デバイスの機能に影響を及ぼす可能性があり、強力な免疫反応および生化学反応のその後のカスケードにつながることができます。したがって、それはpertinさ生物医学のインプラントとその周囲の生物学的環境との相互作用の制御を達成するための耳鼻咽喉科。表面改質は、多くの場合、インプラント材料から発する有害な生理学的応答を低減または防止するために採用されている。理想的な表面コーティングは、高い接着強度、化学的不活性、高い平滑性、および良好なHEMOと生体適合性を有することが期待される。以前は、ダイヤモンドライクカーボン（DLC）は、SiCやTiN、TiO 2と多くの高分子材料は、生体適合性インプラント表面コーティングとしてテストされています1、6月23日を含む多数の材料には、しかしながら、これらの材料は、まだすべてを満たすことができない適切なインプラント表面をコーティングするための機能的な基準。
グラフェンとして知られているsp 2炭素原子の厚さの層の発見は、新規多機能材料の開発のために門戸を開いた。グラフェンは、それ以来、インプラント表面のコーティングのための理想的な候補であると予想され、化学的に不活性な原子的に平滑で耐久性に優れています。この手紙の中で、我々は、生物医学インプラントの表面コーティングとしてグラフェンの実行可能性を調査する。我々の研究は、グラフェンのコーティングされたニチノール（NiTiのGR-）は、機能のすべての条件を満たしていることを示し、さらに優れた平滑筋と優れた細胞増殖につながる内皮細胞増殖をサポートしています。また、GR-NiTiの上の血清アルブミン吸着フィブリノゲンよりも高くなることがわかります。重要なのは、（ⅰ）当社の詳細な分光測定は、グラフェンのコーティングを示唆グラフェンおよびフィブリノゲン間の電荷移動の欠如を確認したインプラントによる血小板活性化を阻害すること、（ii）グラフェンのコーティングは、確認の内皮細胞と平滑筋細胞株のin vitro毒性に有意性を示さないそれらの生体適合性、および（iii）グラフェンのコーティングは、化学的に不活性、耐久性と血液環境を流れる中で不透過性である。高聖と一緒にこれらのHEMOと生体適合性特性、rength、化学的不活性と耐久性は、理想的な表面コーティングとしてグラフェンのコーティングをレンダリングします。
Protocol
Representative Results
Discussion
生体適合性や細胞毒性：化学蒸着（CVD）法では、 図1aに示すCu結晶粒を、模倣した多結晶グラフェンの試料が得られた。私達は1 SCCM（4 sccm）のサンプル（ 図1bを参照してください）単分子層（数層）グラフェンの存在を確認するためにラマン分光法を用いた。明らかに、1 SCCM（4 sccm）のサンプルは、単層を示す強烈な（相対的に弱い）、G 'バン…
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).
