Syntese af grafen-hydroxyapatit nanokompositter til potentiel anvendelse i knoglevævsteknik

Summary

Nye nanokompositter af grafen nanoribboner og hydroxyapatit nanopartikler blev fremstillet ved anvendelse af opløsningsfasesyntese. Disse hybrider, når de anvendes i bioaktive stilladser, kan udvise potentielle anvendelser inden for vævsteknik og knogleregenerering.

Abstract

Udvikling af nye materialer til knoglevævsteknik er et af de vigtigste indsatsområder inden for nanomedicin. Flere nanokompositter er blevet fremstillet med hydroxyapatit for at lette celleadhærens, proliferation og osteogenese. I denne undersøgelse blev hybrid nanokompositter med succes udviklet ved hjælp af grafen nanoribbons (GNR’er) og nanopartikler af hydroxyapatit (nHAPs), som, når de anvendes i bioaktive stilladser, potentielt kan forbedre knogleregenerering. Disse nanostrukturer kan være biokompatible. Her blev der brugt to tilgange til at forberede de nye materialer. I en tilgang blev der anvendt en co-funktionaliseringsstrategi, hvor nHAP blev syntetiseret og konjugeret til GNR’er samtidigt, hvilket resulterede i nanohybrider af nHAP på GNR-overflader (betegnet som nHAP / GNR). Højopløsnings transmissionselektronmikroskopi (HRTEM) bekræftede, at nHAP / GNR-kompositten består af slanke, tynde strukturer af GNR’er (maksimal længde på 1,8 μm) med diskrete patches (150-250 nm) af nålelignende nHAP (40-50 nm i længden). I den anden tilgang blev kommercielt tilgængelig nHAP konjugeret med GNR’er, der dannede GNR-belagt nHAP (betegnet GNR / nHAP) (dvs. med en modsat orientering i forhold til nHAP / GNR nanohybrid). Nanohybriden dannet ved hjælp af sidstnævnte metode udstillede nHAP nanosfærer med en diameter fra 50 nm til 70 nm dækket af et netværk af GNR’er på overfladen. Energidispergerende spektre, elementær kortlægning og Fourier transform infrarød (FTIR) spektre bekræftede den vellykkede integration af nHAP og GNR’er i begge nanohybrider. Termogravimetrisk analyse (TGA) viste, at tabet ved forhøjede opvarmningstemperaturer på grund af tilstedeværelsen af GNR’er var 0,5% og 0,98% for henholdsvis GNR / nHAP og nHAP / GNR. nHAP-GNR nanohybrider med modsatte orienteringer repræsenterer betydelige materialer til brug i bioaktive stilladser for potentielt at fremme cellulære funktioner til forbedring af knoglevævstekniske applikationer.

Introduction

Grafen har arklignende todimensionelle strukturer sammensat af sp-hybridiseret kulstof. Flere andre allotroper kan tilskrives det udvidede honeycomb-netværk af grafen (f.eks. Danner stabling af grafenark 3D-grafit, mens rulning af det samme materiale resulterer i dannelsen af 1D nanorør¹). Ligeledes dannes 0D fullerener på grund af indpakning². Grafen har attraktive fysisk-kemiske og optoelektroniske egenskaber, der inkluderer en ambipolær felteffekt og en kvante Hall-effekt ved stuetemperatur ^3,4. Påvisning af enkeltmolekyleadsorptionshændelser og ekstremt høj bæremobilitet føjer til grafenens attraktive egenskaber ^5,6. Endvidere betragtes grafennanoribboner (GNR’er) med smalle bredder og en stor gennemsnitlig fri vej, lav resistivitet med høj strømtæthed og høj elektronmobilitet som lovende sammenkoblingsmaterialer⁷. Derfor undersøges GNR’er til applikationer i et utal af enheder og for nylig inden for nanomedicin, især vævsteknik og lægemiddellevering⁸.

Blandt forskellige traumatiske lidelser betragtes knogleskader som en af de mest udfordrende på grund af vanskeligheder med at stabilisere brud, regenerering og udskiftning med ny knogle, modstå infektion og justere knogle ikke-fagforeninger ^9,10. Kirurgiske procedurer forbliver det eneste alternativ til lårbensbrud. Det skal bemærkes, at næsten 52 millioner dollars hvert år bruges på behandling af knogleskader i Mellemamerika og Europa¹¹.

Bioaktive stilladser til knoglevævstekniske applikationer kan være mere effektive ved at inkorporere nano-hydroxyapatit (nHAP), da de ligner selve knoglens mikro- og nano arkitektoniske egenskaber¹². HAP, kemisk repræsenteret som Ca₁₀ (PO₄) ₆ (OH) ₂ med et Ca / P molforhold på 1,67, er den mest foretrukne til biomedicinske applikationer, især til behandling af periodontale defekter, substitution af hårdt væv og fremstilling af implantater til ortopædiske operationer^13,14. Således kan fremstillingen af nHAP-baserede biomaterialer forstærket med GNR’er have overlegen biokompatibilitet og kan være fordelagtig på grund af deres evne til at fremme osseointegration og være osteokonduktiv^15,16. Sådanne hybridkompositstilladser kan bevare biologiske egenskaber såsom celleadhærens, spredning, proliferation og differentiering¹⁷. Heri rapporterer vi fremstillingen af to nye nanokompositter til knoglevævsteknik ved rationelt at ændre det rumlige arrangement af nHAP og GNR’er som illustreret i figur 1. De kemiske og strukturelle egenskaber ved de to forskellige nHAP-GNR-ordninger blev her evalueret.

Protocol

1. Syntese af nHAP ved udfældning Syntetisere den uberørte nHAP ved hjælp af 50 ml af reaktionsblandingen indeholdende 1 M Ca (NO3) 2∙4H2O og 0,67 M (NH4)H2PO4 efterfulgt af dråbevis tilsætning af NH4OH (25%) for at opretholde en pH omkring 1018. Derefter omrøres reaktionsblandingen ved ultralydsbestråling (UI) i 30 minutter (500 W effekt og 20 kHz ultralydfrekvens). <li…

Representative Results

HRTEM-analyseIndividuelt var GNR’er slanke bambuslignende strukturer med nogle bøjninger i en vis afstand som observeret i figur 2. Den længste GNR var 1.841 μm, mens den mindste bøjede GNR var 497 nm. Nanoribbonerne viste ofte en synlig variation i bredden, der kan tilskrives vridning for at danne spiralformede konfigurationer mange steder. En sådan ensrettet justering af GNR’er kan bidrage til at opnå attraktive egenskaber såsom magnetiske egenskaber, ledningsev…

Discussion

Selvom forskellige metaller, polymerer, keramik og deres kombinationer er blevet undersøgt som ortopædiske implantater og fikseringstilbehør, anses HAP for at være et af de mest foretrukne materialer på grund af dets kemiske lighed med selve knoglen og deraf følgende høj cytokompatibilitet 20,21,22. I denne undersøgelse var hap’s orientering varieret, hvilket kan have en betydelig indvirkning på dets unikke egenskaber, …

Materials

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