Synthèse de nanocomposites de graphène-hydroxyapatite pour une utilisation potentielle dans l’ingénierie des tissus osseux

Summary

De nouveaux nanocomposites de nanorubans de graphène et de nanoparticules d’hydroxyapatite ont été préparés par synthèse en phase solution. Ces hybrides, lorsqu’ils sont utilisés dans des échafaudages bioactifs, peuvent présenter des applications potentielles dans l’ingénierie tissulaire et la régénération osseuse.

Abstract

Le développement de nouveaux matériaux pour l’ingénierie des tissus osseux est l’un des domaines d’intérêt les plus importants de la nanomédecine. Plusieurs nanocomposites ont été fabriqués avec de l’hydroxyapatite pour faciliter l’adhésion cellulaire, la prolifération et l’ostéogenèse. Dans cette étude, des nanocomposites hybrides ont été développés avec succès en utilisant des nanorubans de graphène (GNR) et des nanoparticules d’hydroxyapatite (nHAPs), qui, lorsqu’ils sont utilisés dans des échafaudages bioactifs, peuvent potentiellement améliorer la régénération du tissu osseux. Ces nanostructures peuvent être biocompatibles. Ici, deux approches ont été utilisées pour préparer les nouveaux matériaux. Dans une approche, une stratégie de co-fonctionnalisation a été utilisée où le nHAP a été synthétisé et conjugué aux GNR simultanément, ce qui a donné des nanohybrides de nHAP sur les surfaces GNR (notées nHAP / GNR). La microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) a confirmé que le composite nHAP/GNR est composé de structures minces et minces de GNR (longueur maximale de 1,8 μm) avec des patchs discrets (150-250 nm) de nHAP en forme d’aiguille (40-50 nm de longueur). Dans l’autre approche, le nHAP disponible dans le commerce a été conjugué avec des GNR formant du nHAP revêtu de GNR (noté GNR /nHAP) (c’est-à-dire avec une orientation opposée par rapport au nanohybride nHAP / GNR). Le nanohybride formé à l’aide de cette dernière méthode a présenté des nanosphères nHAP d’un diamètre allant de 50 nm à 70 nm recouvertes d’un réseau de GNR à la surface. Les spectres de dispersion d’énergie, la cartographie élémentaire et les spectres infrarouges à transformée de Fourier (FTIR) ont confirmé l’intégration réussie des nHAP et des GNR dans les deux nanohybrides. L’analyse thermogravimétrique (TGA) a indiqué que la perte à des températures de chauffage élevées due à la présence de GNR était de 0,5 % et 0,98 % pour le GNR/nHAP et le nHAP/GNR, respectivement. Les nanohybrides nHAP-GNR avec des orientations opposées représentent des matériaux importants pour une utilisation dans les échafaudages bioactifs afin de promouvoir potentiellement les fonctions cellulaires pour améliorer les applications d’ingénierie des tissus osseux.

Introduction

Le graphène a des structures bidimensionnelles en forme de feuille composées de carbone sp-hybridé. Plusieurs autres allotropes peuvent être attribués au réseau étendu de graphène en nid d’abeille (par exemple, l’empilement de feuilles de graphène forme du graphite 3D tout en roulant le même matériau entraîne la formation de nanotubes 1D¹). De même, les fullerènes 0D sont formés en raison de l’emballage². Le graphène a des propriétés physico-chimiques et optoélectroniques attrayantes qui comprennent un effet de champ ambipolaire et un effet Hall quantique à température ambiante ^3,4. La détection d’événements d’adsorption monomoléculaire et la mobilité extrêmement élevée des porteurs ajoutent aux attributs attrayants du graphène ^5,6. En outre, les nanorubans de graphène (GNR) avec des largeurs étroites et un grand chemin libre moyen, une faible résistivité avec une densité de courant élevée et une mobilité élevée des électrons sont considérés comme des matériaux d’interconnexion prometteurs⁷. Par conséquent, les GNR sont explorés pour des applications dans une myriade de dispositifs, et plus récemment dans la nanomédecine, en particulier l’ingénierie tissulaire et l’administration de^{médicaments 8}.

Parmi les diverses affections traumatiques, les lésions osseuses sont considérées comme l’une des plus difficiles en raison des difficultés à stabiliser la fracture, à se régénérer et à la remplacer par un nouvel os, à résister à l’infection et à réaligner les non-unions osseuses ^9,10. Les interventions chirurgicales restent la seule alternative pour les fractures de l’arbre fémoral. Il convient de noter que près de 52 millions de dollars sont dépensés chaque année pour traiter les lésions osseuses en Amérique centrale et en Europe¹¹.

Les échafaudages bioactifs pour les applications d’ingénierie des tissus osseux peuvent être plus efficaces en incorporant de la nano-hydroxyapatite (nHAP), car ils ressemblent aux propriétés micro et nano architecturales de l’os lui-même¹². HaP, représenté chimiquement comme Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ avec un rapport molaire Ca/P de 1,67, est le plus préféré pour les applications biomédicales, en particulier pour le traitement des défauts parodontaux, la substitution de tissus durs et la fabrication d’implants pour les chirurgies orthopédiques^13,14. Ainsi, la fabrication de biomatériaux à base de nHAP renforcés par des GNR peut posséder une biocompatibilité supérieure et peut être avantageuse en raison de leur capacité à favoriser l’ostéointégration et à être ostéoconductrices^15,16. De tels échafaudages composites hybrides peuvent préserver des propriétés biologiques telles que l’adhérence cellulaire, la propagation, la prolifération et la différenciation¹⁷. Ici, nous rapportons la fabrication de deux nouveaux nanocomposites pour l’ingénierie des tissus osseux en modifiant rationnellement la disposition spatiale des nHAP et des GNR, comme illustré à la figure 1. Les propriétés chimiques et structurelles des deux différents arrangements nHAP-GNR ont été évaluées ici.

Protocol

1. Synthèse du nHAP par précipitation Synthétiser le nHAP vierge en utilisant 50 mL du mélange réactionnel contenant 1 M Ca(NO3)2∙4H2O et 0,67 M(NH4)H2PO4 suivi de l’addition goutte à goutte de NH4OH (25%) pour maintenir un pH autour de 1018. Par la suite, agiter le mélange réactionnel par irradiation par ultrasons (UI) pendant 30 min (puissance de 500 W et fréquence ultra…

Representative Results

Analyse HRTEMIndividuellement, les GNR étaient de minces structures en bambou avec quelques courbures à une certaine distance, comme on l’observe à la figure 2. Le GNR le plus long était de 1,841 μm tandis que le plus petit GNR plié était de 497 nm. Les nanorubans ont souvent montré une variation visible de largeur qui pourrait être attribuée à la torsion pour former des configurations hélicoïdales à de nombreux endroits. Un tel alignement unidirectionnel…

Discussion

Bien que divers métaux, polymères, céramiques et leurs combinaisons aient été étudiés comme implants orthopédiques et accessoires de fixation, le HAP est considéré comme l’un des matériaux les plus préférables en raison de sa similitude chimique avec l’os lui-même et de sa cytocompatibilité élevée 20,21,22 qui en résulte. Dans cette étude, l’orientation de haP était variée, ce qui peut avoir un impact …

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