Syntese av grafen-hydroksyapatitt nanokompositter for potensiell bruk i beinvevsteknikk

Summary

Nye nanokompositter av grafen nanoribbons og hydroksyapatitt nanopartikler ble utarbeidet ved hjelp av løsningsfasesyntese. Disse hybrider når de brukes i bioaktive stillaser kan vise potensielle anvendelser i vevsteknikk og beinregenerering.

Abstract

Utvikling av nye materialer for beinvevsteknikk er et av de viktigste trykkområdene av nanomedisin. Flere nanokompositter har blitt fremstilt med hydroksyapatitt for å lette celletilhørighet, spredning og osteogenese. I denne studien ble hybrid nanokompositter vellykket utviklet ved hjelp av grafen nanoribboner (GNRs) og nanopartikler av hydroksyapatitt (nHAPer), som når de brukes i bioaktive stillaser, potensielt kan forbedre beinvevregenerering. Disse nanostrukturene kan være biokompatible. Her ble to tilnærminger brukt til å forberede de nye materialene. I en tilnærming ble det brukt en kofunksjonaliseringsstrategi der nHAP ble syntetisert og konjugert til GNRs samtidig, noe som resulterte i nanohybrider av nHAP på GNR-overflater (betegnet som nHAP /GNR). Høyoppløselig transmisjonselektronmikroskopi (HRTEM) bekreftet at nHAP/GNR-kompositten består av slanke, tynne strukturer av GNRs (maksimal lengde på 1,8 μm) med diskrete flekker (150-250 nm) nållignende nHAP (40-50 nm i lengde). I den andre tilnærmingen ble kommersielt tilgjengelig nHAP konjugert med GNRs som dannet GNR-belagt nHAP (betegnet som GNR/nHAP) (dvs. med motsatt orientering i forhold til nHAP/GNR nanohybrid). Nanohybriden dannet ved hjelp av sistnevnte metode viste nHAP nanosfærer med en diameter fra 50 nm til 70 nm dekket med et nettverk av GNRs på overflaten. Energidispergeringsspektra, elementær kartlegging og Fouriertransformasjon av infrarødt (FTIR) spektra bekreftet vellykket integrasjon av nHAP og GNRs i begge nanohybridene. Termogravimetrisk analyse (TGA) indikerte at tapet ved forhøyede oppvarmingstemperaturer på grunn av tilstedeværelsen av GNRs var henholdsvis 0,5% og 0,98% for henholdsvis GNR / nHAP og nHAP / GNR. nHAP-GNR nanohybrids med motsatte orienteringer representerer betydelige materialer for bruk i bioaktive stillaser for potensielt å fremme cellulære funksjoner for å forbedre beinvevsteknikk.

Introduction

Graphene har arklignende todimensjonale strukturer som består av sp-hybridisert karbon. Flere andre allotroper kan tilskrives det utvidede honeycomb-nettverket av grafen (f.eks. stabling av grafenplater danner 3D-grafitt mens du ruller av samme materiale resulterer i dannelsen av 1D nanorør¹). På samme måte dannes 0D-fullerener på grunn av innpakning². Graphene har attraktive fysisk-kjemiske og optoelektroniske egenskaper som inkluderer en ambipolar felteffekt og en kvantehalleffekt ved romtemperatur ^3,4. Påvisning av enkeltmolekyl adsorpsjonshendelser og ekstremt høy bærermobilitet legger til de attraktive egenskapene til grafen ^5,6. Videre anses grafen nanoribbons (GNRs) med smale bredder og en stor gjennomsnittlig fri bane, lav resistivitet med høy strømtetthet og høy elektronmobilitet som lovende sammenkoblede materialer⁷. Derfor blir GNRs utforsket for applikasjoner i et utall enheter, og mer nylig i nanomedisin, spesielt vevsteknikk og legemiddellevering⁸.

Blant ulike traumatiske plager regnes beinskader som en av de mest utfordrende på grunn av vanskeligheter med å stabilisere brudd, regenerering og erstatning med nytt bein, motstå infeksjon og justere bein ikke-fagforeninger ^9,10. Kirurgiske prosedyrer er fortsatt det eneste alternativet for lårskaftbrudd. Det skal bemerkes at nesten $ 52 millioner brukes hvert år på behandling av beinskader i Mellom-Amerika og Europa¹¹.

Bioaktive stillaser for beinvevsteknikk kan være mer effektive ved å inkorporere nanohydroksyapatitt (nHAP), da de ligner selve beinets mikro- og nanoarkitekturegenskaper¹². HAP, kjemisk representert som Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ med et Ca/P molar-forhold på 1,67, er det mest foretrukne for biomedisinske anvendelser, spesielt for behandling av periodontale defekter, substitusjon av harde vev og fabrikasjon av implantater for ortopediske operasjoner^13,14. Dermed kan fabrikasjonen av nHAP-baserte biomaterialer forsterket med GNRs ha overlegen biokompatibilitet og kan være fordelaktig på grunn av deres evne til å fremme osseointegrasjon og være osteoledende^15,16. Slike hybridkompositt stillaser kan bevare biologiske egenskaper som celletilslutning, spredning, spredning og differensiering¹⁷. Heri rapporterer vi fabrikasjonen av to nye nanokompositter for beinvevsteknikk ved å rasjonelt endre det romlige arrangementet av nHAP og GNRs som illustrert i figur 1. De kjemiske og strukturelle egenskapene til de to forskjellige nHAP-GNRs-arrangementene ble evaluert her.

Protocol

1. Syntese av nHAP ved nedbør Syntetiser den uberørte nHAP ved hjelp av 50 ml av reaksjonsblandingen som inneholder 1 M Ca(NO3)2∙4H2O og 0,67 M (NH4)H2PO4 etterfulgt av dropwise addisjon av NH4OH (25%) for å opprettholde en pH rundt 1018. Deretter kan du omgi reaksjonsblandingen ved ultralydbestråling (UI) i 30 min (500 W effekt og 20 kHz ultralydfrekvens). La den resul…

Representative Results

HRTEM-analyseIndividuelt var GNRs slanke bambuslignende strukturer med noen bøyninger på en viss avstand som observert i figur 2. Den lengste GNR var 1.841 μm mens den minste bøyde GNR var 497 nm. Nanoribbonene viste ofte en synlig variasjon i bredde som kan tilskrives vridning for å danne spiralformede konfigurasjoner mange steder. Slik enveis justering av GNRs kan bidra til å oppnå attraktive funksjoner som magnetiske egenskaper, ledningsevne eller varmetranspor…

Discussion

Selv om ulike metaller, polymerer, keramikk og deres kombinasjoner har blitt forsket på som ortopediske implantater og fikseringstilbehør, anses HAP å være et av de mest foretrukne materialene på grunn av sin kjemiske likhet med selve beinet og følgelig høy cytokompatibilitet 20,21,22. I denne studien var orienteringen av HAP variert, noe som kan ha en betydelig innvirkning på dens unike egenskaper, for eksempel fremme a…

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