Synthese von Graphen-Hydroxylapatit-Nanokompositen für den potenziellen Einsatz im Knochengewebe-Engineering

Summary

Neuartige Nanokomposite aus Graphen-Nanobändern und Hydroxylapatit-Nanopartikeln wurden mittels Lösungsphasensynthese hergestellt. Wenn diese Hybriden in bioaktiven Gerüsten eingesetzt werden, können sie potenzielle Anwendungen im Tissue Engineering und in der Knochenregeneration aufweisen.

Abstract

Die Entwicklung neuartiger Materialien für das Knochengewebe-Engineering ist einer der wichtigsten Schwerpunkte der Nanomedizin. Mehrere Nanokomposite wurden mit Hydroxylapatit hergestellt, um die Zelladhärenz, -proliferation und -osteogenese zu erleichtern. In dieser Studie wurden erfolgreich hybride Nanokomposite unter Verwendung von Graphen-Nanobändern (GNRs) und Nanopartikeln aus Hydroxylapatit (nHAPs) entwickelt, die, wenn sie in bioaktiven Gerüsten eingesetzt werden, möglicherweise die Knochengeweberegeneration verbessern können. Diese Nanostrukturen können biokompatibel sein. Hier wurden zwei Ansätze zur Herstellung der neuartigen Materialien verwendet. In einem Ansatz wurde eine Kofunktionalisierungsstrategie verwendet, bei der nHAP gleichzeitig synthetisiert und mit GNRs konjugiert wurde, was zu Nanohybriden von nHAP auf GNR-Oberflächen (als nHAP / GNR bezeichnet) führte. Die hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) bestätigte, dass der nHAP/GNR-Verbund aus schlanken, dünnen Strukturen von GNRs (maximale Länge von 1,8 μm) mit diskreten Patches (150-250 nm) nadelartigem nHAP (40-50 nm Länge) besteht. Im anderen Ansatz wurde kommerziell erhältliches nHAP mit GNRs konjugiert, die GNR-beschichtetes nHAP (bezeichnet als GNR/nHAP) bildeten (d. h. mit einer entgegengesetzten Orientierung relativ zum nHAP/GNR-Nanohybrid). Der mit der letzteren Methode gebildete Nanohybrid zeigte nHAP-Nanosphären mit einem Durchmesser von 50 nm bis 70 nm, die mit einem Netzwerk von GNRs auf der Oberfläche bedeckt waren. Energiedispersive Spektren, Elementabbildung und Fourier-Transformations-Infrarotspektren (FTIR) bestätigten die erfolgreiche Integration von nHAP und GNRs in beide Nanohybride. Die thermogravimetrische Analyse (TGA) ergab, dass der Verlust bei erhöhten Heiztemperaturen aufgrund des Vorhandenseins von GNRs 0,5% bzw. 0,98% für GNR/nHAP bzw. nHAP/GNR betrug. Die nHAP-GNR-Nanohybride mit entgegengesetzten Orientierungen stellen wichtige Materialien für den Einsatz in bioaktiven Gerüsten dar, um möglicherweise zelluläre Funktionen zur Verbesserung von Knochengewebe-Engineering-Anwendungen zu fördern.

Introduction

Graphen hat plattenartige zweidimensionale Strukturen, die aus sp-hybridisiertem Kohlenstoff bestehen. Mehrere andere Allotrope können dem ausgedehnten Wabennetzwerk von Graphen zugeschrieben werden (z. B. bildet das Stapeln von Graphenschichten 3D-Graphit, während das Abrollen desselben Materials zur Bildung von 1D-Nanoröhrchen^{führt 1}). Ebenso werden 0D-Fullerene durch Umhüllung² gebildet. Graphen hat attraktive physikalisch-chemische und optoelektronische Eigenschaften, zu denen ein ambipolarer Feldeffekt und ein Quanten-Hall-Effekt bei Raumtemperatur^{gehören 3,4}. Der Nachweis von Einzelmolekül-Adsorptionsereignissen und eine extrem hohe Trägermobilität tragen zu den attraktiven Eigenschaften von Graphen ^5,6 bei. Darüber hinaus gelten Graphen-Nanobänder (GNRs) mit schmalen Breiten und einem großen mittleren freien Weg, niedrigem spezifischen Widerstand mit hoher Stromdichte und hoher Elektronenbeweglichkeit als vielversprechende Verbindungsmaterialien⁷. Daher werden GNRs für Anwendungen in einer Vielzahl von Geräten und in jüngster Zeit in der Nanomedizin erforscht, insbesondere in der Gewebezüchtung und Arzneimittelabgabe⁸.

Unter verschiedenen traumatischen Beschwerden gelten Knochenverletzungen als eine der schwierigsten aufgrund von Schwierigkeiten bei der Stabilisierung der Fraktur, der Regeneration und dem Ersatz durch neuen Knochen, dem Widerstand gegen Infektionen und der Neuausrichtung von Knochennicht-Verbindungen ^9,10. Chirurgische Eingriffe bleiben die einzige Alternative für Oberschenkelschaftfrakturen. Es sei darauf hingewiesen, dass in Mittelamerika und Europa jedes Jahr fast 52 Millionen US-Dollar für die Behandlung von Knochenverletzungen ausgegeben^{werden 11}.

Bioaktive Gerüste für Knochengewebe-Engineering-Anwendungen können durch die Integration von Nano-Hydroxylapatit (nHAP) effektiver sein, da sie den mikro- und nanoarchitektonischen Eigenschaften des Knochens selbst ähneln¹². HAP, chemisch dargestellt als Ca 10(PO₄)₆(OH)2 mit einem Ca/P-Molverhältnis von 1,67, ist am meisten bevorzugt für biomedizinische Anwendungen, insbesondere für die Behandlung von Parodontaldefekten, die Substitution von Hartgewebe und die Herstellung von Implantaten für orthopädische Operationen^13,14. Daher kann die Herstellung von nHAP-basierten Biomaterialien, die mit GNRs verstärkt sind, eine überlegene Biokompatibilität besitzen und aufgrund ihrer Fähigkeit, die Osseointegration zu fördern und osteokonduktiv zu sein, von Vorteil sein^15,16. Solche hybriden Kompositgerüste können biologische Eigenschaften wie Zelladhärenz, Ausbreitung, Proliferation und Differenzierung erhalten¹⁷. Hierin berichten wir über die Herstellung von zwei neuen Nanokompositen für das Knochengewebe-Engineering, indem wir die räumliche Anordnung von nHAP und GNRs rational verändern, wie in Abbildung 1 dargestellt. Hier wurden die chemischen und strukturellen Eigenschaften der beiden unterschiedlichen nHAP-GNR-Anordnungen bewertet.

Protocol

1. Synthese von nHAP durch Fällung Das makellose nHAP wird unter Verwendung von 50 ml des Reaktionsgemisches mit 1 M Ca(NO3)2∙4H2 Ound 0,67 M (NH4)H2PO4, gefolgt von der tropfenweisen Zugabe von NH4OH (25 %) synthetisiert, um einen pH-Wert um 1018 aufrechtzuerhalten. Danach das Reaktionsgemisch durch Ultraschallbestrahlung (UI) für 30 min (500 W Leistung und 20 kHz Ultraschallfrequ…

Representative Results

HRTEM-AnalyseEinzeln waren GNRs schlanke, bambusähnliche Strukturen mit einigen Biegungen in einiger Entfernung, wie in Abbildung 2 beobachtet. Die längste GNR betrug 1,841 μm, während die kleinste gebogene GNR 497 nm betrug. Die Nanobänder zeigten oft eine sichtbare Variation der Breite, die an vielen Stellen auf Verdrehungen zurückzuführen ist, um spiralförmige Konfigurationen zu bilden. Eine solche unidirektionale Ausrichtung von GNRs kann dazu beitragen, attr…

Discussion

Obwohl verschiedene Metalle, Polymere, Keramiken und ihre Kombinationen als orthopädische Implantate und Fixationszubehör erforscht wurden, gilt HAP aufgrund seiner chemischen Ähnlichkeit mit dem Knochen selbst und der daraus resultierenden hohen Zytokompatibilität als eines der am meisten bevorzugten Materialien^20,21,22. In dieser Studie wurde die Orientierung von HAP variiert, was einen signifikanten Einfluss auf seine ein…

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