JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Bio-ingénierie

Síntese de Nanocompositos de Grafeno-Hidroxiapatita para uso potencial em engenharia de tecido ósseo

Published: July 27, 2022
doi:
10.3791/63985
, , , ,
1Department of Physics, Faculty of Science,Kasetsart University, 2Department of Microbiology, School of Science,RK. University, 3Department of Chemical Engineering,Northeastern University, 4Defence Institute of Advanced Technology Campus,Navyukti Innovations Pvt. Ltd., 5Department of Biomedical Engineering,Hebei University of Technology, 6Department of Chemistry, Saveetha School of Engineering, Institute of Medical and Technical Science,Saveetha University, 7UFPI – Universidade Federal do Piauí

Summary

Novos nanocompositos de nanocomibbons de grafeno e nanopartículas de hidroxiapatita foram preparados usando síntese de fase de solução. Esses híbridos quando empregados em andaimes bioativos podem apresentar aplicações potenciais na engenharia de tecidos e regeneração óssea.

Abstract

Desenvolver novos materiais para a engenharia de tecidos ósseos é uma das áreas de impulso mais importantes da nanomedicina. Vários nanocompositos foram fabricados com hidroxiapatita para facilitar a adesão celular, a proliferação e a osteogênese. Neste estudo, nanocompositos híbridos foram desenvolvidos com sucesso usando nanofibons de grafeno (GNRs) e nanopartículas de hidroxiapatita (nHAPs), que quando empregados em andaimes bioativos podem potencialmente melhorar a regeneração tecidual. Essas nanoestruturas podem ser biocompatíveis. Aqui, duas abordagens foram usadas para a preparação dos novos materiais. Em uma abordagem, foi utilizada uma estratégia de co-funcionalização onde o nHAP foi sintetizado e conjugado aos GNRs simultaneamente, resultando em nanoíbridas de nHAP em superfícies GNR (denotadas como nHAP/GNR). A microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) confirmou que o composto nHAP/GNR é composto por estruturas finas e finas de GNRs (comprimento máximo de 1,8 μm) com manchas discretas (150-250 nm) de nHAP semelhantes a agulhas (40-50 nm de comprimento). Na outra abordagem, o nHAP comercialmente disponível foi conjugado com GNRs formando nHAP revestido de GNR (denotado como GNR/nHAP) (ou seja, com uma orientação oposta em relação ao nanohibrid nHAP/GNR). A nanohíbrida formou-se usando o último método exibiu nanoesferas nHAP com um diâmetro que varia de 50 nm a 70 nm coberto com uma rede de GNRs na superfície. Espectros dispersivos de energia, mapeamento elementar e espectros de infravermelho de transformação Fourier (FTIR) confirmaram a integração bem sucedida de nHAP e GNRs em ambos os nanohibridos. A análise termogravimétrica (TGA) indicou que a perda em temperaturas de aquecimento elevadas devido à presença de GNRs foi de 0,5% e 0,98% para GNR/nHAP e nHAP/GNR, respectivamente. As nanohíbridas nHAP-GNR com orientações opostas representam materiais significativos para uso em andaimes bioativos para potencialmente promover funções celulares para melhorar as aplicações de engenharia de tecidos ósseos.

Introduction

O grafeno possui estruturas bidimensionais semelhantes a folhas compostas de carbono hibridizado sp. Vários outros aotropos podem ser atribuídos à rede estendida de favo de mel de grafeno (por exemplo, o empilhamento de folhas de grafeno forma grafite 3D enquanto rola o mesmo material resulta na formação de nanotubos 1D1). Da mesma forma, fullerenes 0D são formados devido ao embrulho2. O grafeno tem propriedades físico-químicas e optoeletrônicas atraentes que incluem um efeito de campo ambipolar e um efeito hall quântico à temperatura ambiente 3,4. A detecção de eventos de adsorção de molécula única e mobilidade extremamente alta do portador adicionam os atributos atraentes do grafeno 5,6. Além disso, os nanoribbons de grafeno (GNRs) com larguras estreitas e um grande caminho livre médio, baixa resistência com alta densidade atual e alta mobilidade eletrônica são considerados materiais de interconexão promissores7. Assim, os GNRs estão sendo explorados para aplicações em uma miríade de dispositivos, e mais recentemente na nanomedicina, particularmente engenharia de tecidos e entrega de medicamentos8.

Entre várias doenças traumáticas, as lesões ósseas são consideradas uma das mais desafiadoras devido às dificuldades na estabilização da fratura, regeneração e substituição por novos ossos, resistência à infecção e reinlinamento do osso não-uniões 9,10. Os procedimentos cirúrgicos continuam sendo a única alternativa para fraturas no eixo femoral. Deve-se notar que quase US$ 52 milhões são gastos todos os anos no tratamento de lesões ósseas na América Central e na Europa11.

Andaimes bioativos para aplicações de engenharia de tecidos ósseos podem ser mais eficazes incorporando nano-hidroxiapatita (nHAP), pois se assemelham às propriedades micro e nano arquitetônicas do próprio osso12. O HAP, quimicamente representado como Ca10(PO4)6(OH)2 com uma razão molar Ca/P de 1,67, é o mais preferido para aplicações biomédicas, particularmente para o tratamento de defeitos periodontais, a substituição de tecidos duros e a fabricação de implantes para cirurgias ortopédicas13,14. Assim, a fabricação de biomateriais baseados em nHAP reforçados com GNRs pode possuir biocompatibilidade superior e pode ser vantajosa devido à sua capacidade de promover a osseointegração e ser osteocondutiva 15,16. Esses andaimes compostos híbridos podem preservar propriedades biológicas como adesão celular, disseminação, proliferação e diferenciação17. Aqui, relatamos a fabricação de dois novos nanocompositos para a engenharia de tecidos ósseos alterando racionalmente o arranjo espacial de nHAP e GNRs como ilustrado na Figura 1. Foram avaliadas aqui as propriedades químicas e estruturais dos dois diferentes arranjos nHAP-GNRs.

Protocol

1. Síntese de nHAP por precipitação Sintetizar o nHAP imaculado usando 50 mL da mistura de reação contendo 1 M Ca(NO3)2∙4H2O e 0,67 M (NH4)H2PO4 seguido pela adição dropwise de NH4OH (25%) para manter um pH em torno de 1018. Depois disso, agitar a mistura de reação por irradiação de ultrassom (UI) para 30 min (potência de 500 W e frequência de ultrassom de 20 kHz). …

Representative Results

Análise hrtemIndividualmente, os GNRs eram estruturas esbeltas semelhantes a bambu com algumas curvas a alguma distância, como observado na Figura 2. O GNR mais longo foi de 1,841 μm, enquanto o menor GNR dobrado foi de 497 nm. Os nanoribbons frequentemente mostravam uma variação visível na largura que poderia ser atribuída à torção para formar configurações helicoidais em muitos lugares. Esse alinhamento unidirecional das GNRs pode ajudar a obter caracterís…

Discussion

Embora vários metais, polímeros, cerâmicas e suas combinações tenham sido pesquisados como implantes ortopédicos e acessórios de fixação, o HAP é considerado um dos materiais mais preferenciais devido à sua semelhança química com o próprio osso e consequente alta citocompatibilidade 20,21,22. Neste estudo, a orientação do HAP foi variada, o que pode ter um impacto significativo em suas propriedades únicas, como …

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dr. Sougata Ghosh reconhece o Departamento de Ciência e Tecnologia (DST), Ministério da Ciência e Tecnologia, Governo da Índia e Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research, Índia, para financiamento sob a Bolsa de Pós-Doutorado no Exterior em Nano Ciência e Tecnologia (Ref. JNC/AO/A.0610.1(4) 2019-2260 de 19 de agosto de 2019). Dr. Sougata Ghosh reconhece a Universidade Kasetsart, Bangkok, Tailândia para uma Bolsa de Pós-Doutorado, e financiamento sob o Programa Universitário reinventante (Ref. 6501.0207/10870 a partir de 9 de novembro de 2021). Os autores gostariam de agradecer ao Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) pela ajuda com os experimentos de caracterização. KanCF é uma instalação multidisciplinar compartilhada de pesquisa e educação dentro do Kostas Research Institute (KRI) da Northeastern University.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Novoselov, K. S., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
  2. Novoselov, K. S., et al. Unconventional quantum Hall effect and Berry’s phase of 2π in bilayer graphene. Nature Physics. 2 (3), 177-180 (2006).
  3. Zhang, Y. B., Tan, Y. W., Stormer, H. L., Kim, P. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry’s phase in graphene. Nature. 438 (7065), 201-204 (2005).
  4. Ozyilmaz, B., et al. Electronic transport and quantum hall effect in bipolar Graphene p−n−p junctions. Physical Review Letters. 99 (16-19), 166804 (2007).
  5. Morozov, S. V., et al. Giant intrinsic carrier mobilities in graphene and its bilayer. Physical Review Letters. 100 (1-11), 016602 (2008).
  6. Han, M., Ozyilmaz, B., Zhang, Y., Jarillo-Herero, P., Kim, P. Electronic transport measurements in graphene nanoribbons. Physica Status Solidi B: Basic Solid State Physics. 244 (11), 4134-4137 (2007).
  7. Talyzin, A. V., et al. Synthesis of graphene nanoribbons encapsulated in single-walled carbon nanotubes. Nano Letters. 11 (10), 4352-4356 (2011).
  8. Allen, M. J., Tung, V. C., Kaner, R. B. Honeycomb carbon: A review of graphene. Chemical Reviews. 110 (1), 132-145 (2010).
  9. Ghosh, S., Webster, T. J. Metallic nanoscaffolds as osteogenic promoters: Advances, challenges and scope. Metals. 11 (9), 1356 (2021).
  10. Ghosh, S., Webster, T. J. Mesoporous silica based nanostructures for bone tissue regeneration. Frontiers in Materials. 8, 213 (2021).
  11. Medeiros, J. S., et al. Nanohydroxyapatite/graphene nanoribbons nanocomposites induce in vitro osteogenesis and promote in vivo bone neoformation. ACS Biomaterials Science and Engineering. 4 (5), 1580-1590 (2018).
  12. Faniyi, I. O., et al. The comparative analyses of reduced graphene oxide (RGO) prepared via green, mild and chemical approaches. SN Applied Sciences. 1 (10), 1-7 (2019).
  13. Neelgund, G. M., Oki, A., Luo, Z. In situ deposition of hydroxyapatite on graphene nanosheets. Materials Research Bulletin. 48 (2), 175-179 (2013).
  14. Rajkumar, M., Sundaram, N. M., Rajendran, V. Preparation of size controlled, stoichiometric and bioresorbable hydroxyapatite nanorod by varying initial pH, Ca/P ratio and sintering temperature. Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures. 6 (1), 169-179 (2011).
  15. Mondal, S., et al. Hydroxyapatite coated iron oxide nanoparticles: A promising nanomaterial for magnetic hyperthermia cancer treatment. Nanomaterials. 7 (12), 426 (2017).
  16. Oliveira, F. C., et al. High loads of nano-hydroxyapatite/graphene nanoribbon composites guided bone regeneration using an osteoporotic animal model. International Journal of Nanomedicine. 14, 865-874 (2019).
  17. Murugan, N., Sundaramurthy, A., Chen, S. -. M., Sundramoorthy, A. K. Graphene oxide/oxidized carbon nanofiber/mineralized hydroxyapatite based hybrid composite for biomedical applications. Materials Research Express. 4 (12), 124005 (2017).
  18. Barbosa, M. C., Messmer, N. R., Brazil, T. R., Marciano, F. R., Lobo, A. O. The effect of ultrasonic irradiation on the crystallinity of nano-hydroxyapatite produced via the wet chemical method. Materials Science and Engineering C. 33 (5), 2620-2625 (2013).
  19. Rodrigues, B. V. M., et al. Graphene oxide/multi-walled carbon nanotubes as nanofeatured scaffolds for the assisted deposition of nanohydroxyapatite: characterization and biological evaluation. International Journal of Nanomedicine. 11, 2569-2585 (2016).
  20. Sharma, M., Nagar, R., Meena, V. K., Singh, S. Electro-deposition of bactericidal and corrosion-resistant hydroxyapatite nanoslabs. RSC Advances. 9 (20), 11170-11178 (2019).
  21. Kamrujjaman, M., Khandaker, J. I., Haque, M. M., Rahman, M. O., Rahman, M. M. Study of the dependency of pH values on HAp synthesis. Journal of Nanomaterials & Molecular Nanotechnology. 7, 4 (2019).
  22. Baradaran, S., et al. Mechanical properties and biomedical applications of a nanotube hydroxyapatite-reduced graphene oxide composite. Carbon. 69, 32-45 (2014).
  23. Sassoni, E. Hydroxyapatite and other calcium phosphates for the conservation of cultural heritage: A review. Materials. 11 (4), 557 (2018).
  24. Tang, H., Ehlert, G. J., Lin, Y., Sodano, H. A. Highly efficient synthesis of graphene nanocomposites. Nano Letters. 12 (1), 84-90 (2012).
  25. Walker, L. S., Marotto, V. R., Rafiee, M. A., Koratkar, N., Corral, E. L. Toughening in graphene ceramic composites. ACS Nano. 5 (4), 3182-3190 (2011).
  26. Rafiee, M. A., et al. Enhanced mechanical properties of nanocomposites at low graphene content. ACS Nano. 3 (12), 3884-3890 (2009).
  27. Luque de Castro, M. D., Priego-Capote, F. Ultrasound-assisted crystallization (sonocrystallization). Ultrasonics Sonochemistry. 14 (6), 717-724 (2007).
  28. Azhari, A., Toyserkani, E. Additive manufacturing of graphene-hydroxyapatite nanocomposite structures. International Journal of Applied Ceramic Technology. 12 (1), 8-17 (2015).
  29. Li, H., Wang, J., Bao, Y., Guo, Z., Zhang, M. Rapid sonocrystallization in the salting-out process. Journal of Crystal Growth. 247 (1-2), 192-198 (2003).
  30. Zou, Z., Lin, K., Chen, L., Chang, J. Ultrafast synthesis and characterization of carbonated hydroxyapatite nanopowders via sonochemistry-assisted microwave process. Ultrasonics Sonochemistry. 19 (6), 1174-1179 (2012).
  31. Rouhani, P., Taghavinia, N., Rouhani, S. Rapid growth of hydroxyapatite nanoparticles using ultrasonic irradiation. Ultrasonics Sonochemistry. 17 (5), 853-856 (2010).
  32. Fan, Z., et al. One-pot synthesis of graphene/hydroxyapatite nanorod composite for tissue engineering. Carbon. 66, 407-416 (2014).
  33. Ghosh, S., Mostafavi, E., Thorat, N., Webster, T. J., Liu, H., Shokuhfar, T., Ghosh, S. Nanobiomaterials for three- dimensional bioprinting. Nanotechnology in Medicine and Biology. , 1-24 (2021).
  34. Ghosh, S., Sanghavi, S., Sancheti, P., Balakrishnan, P., Sreekala, P., Thomas, S. Metallic biomaterial for bone support and replacement. Fundamental Biomaterials: Metals. Vol 2. Woodhead Publishing Series in Biomaterials. , 139-165 (2018).
  35. Hazra, A., Basu, S. Graphene nanoribbon as potential on-chip interconnect material-A Review. C Journal of Carbon Research. 4 (3), 49 (2018).
  36. Zanin, H., et al. Fast preparation of nano-hydroxyapatite/superhydrophilic reduced graphene oxide composites for bioactive applications. Journal of Materials Chemistry B. 1 (38), 4947-4955 (2013).
  37. Lobo, A. O., et al. Fast preparation of hydroxyapatite/superhydrophilic vertically aligned multiwalled carbon nanotube composites for bioactive application. Langmuir. 26 (23), 18308-18314 (2010).

Tags

Graphene-hydroxyapatite NanocompositesHydroxyapatite NanoparticlesGraphene NanoribbonsOne-pot SynthesisCofunctionalizationNanocomposite Fabrication
check_url/fr/63985?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
Ghosh, S., Bhagwat, T., Kitture, R., Thongmee, S., Webster, T. J. Synthesis of Graphene-Hydroxyapatite Nanocomposites for Potential Use in Bone Tissue Engineering. J. Vis. Exp. (185), e63985, doi:10.3791/63985 (2022).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image