Новые нанокомпозиты графеновых нанолент и наночастиц гидроксиапатита были получены с использованием растворно-фазового синтеза. Эти гибриды при использовании в биологически активных каркасах могут демонстрировать потенциальное применение в тканевой инженерии и регенерации костей.
Разработка новых материалов для инженерии костной ткани является одной из наиболее важных областей наномедицины. Несколько нанокомпозитов были изготовлены с гидроксиапатитом для облегчения клеточной адгезии, пролиферации и остеогенеза. В этом исследовании гибридные нанокомпозиты были успешно разработаны с использованием графеновых нанолент (GNR) и наночастиц гидроксиапатита (nHAPs), которые при использовании в биологически активных каркасах могут потенциально улучшить регенерацию костной ткани. Эти наноструктуры могут быть биосовместимыми. Здесь для подготовки новых материалов использовались два подхода. В одном подходе использовалась стратегия кофункционализации, при которой nHAP синтезировался и сопрягался с GNR одновременно, что приводило к наногибридам nHAP на поверхностях GNR (обозначаемым как nHAP/GNR). Просвечивающая электронная микроскопия с высоким разрешением (HRTEM) подтвердила, что композит nHAP/GNR состоит из тонких, тонких структур GNR (максимальная длина 1,8 мкм) с дискретными пятнами (150-250 нм) игольчатого nHAP (40-50 нм в длину). В другом подходе коммерчески доступный nHAP был сопряжен с ГНРс, образующими nHAP с покрытием GNR (обозначаемым как GNR/nHAP) (т.е. с противоположной ориентацией относительно наногибрида nHAP/GNR). Наногибриды, сформированные с помощью последнего метода, выставляли nHAP-наносферы диаметром от 50 нм до 70 нм, покрытые сетью ГНР на поверхности. Спектры дисперсии энергии, элементарное отображение и инфракрасные спектры преобразования Фурье (FTIR) подтвердили успешную интеграцию nHAP и GNR в обоих наногибридах. Термогравиметрический анализ (TGA) показал, что потери при повышенных температурах нагрева из-за присутствия ГНРс составляли соответственно 0,5% и 0,98% для GNR/nHAP и nHAP/GNR. Наногибриды nHAP-GNR с противоположными ориентациями представляют собой значимые материалы для использования в биологически активных каркасах для потенциального стимулирования клеточных функций для улучшения инженерных приложений костной ткани.
Графен имеет листовидные двумерные структуры, состоящие из sp-гибридизированного углерода. Несколько других аллотропов могут быть отнесены к расширенной сотовой сети графена (например, укладка графеновых листов образует 3D-графит при скатывании с того же материала, что приводит к образованию 1D-нанотрубок1). Аналогично, 0D фуллерены образуются из-за обертывания2. Графен обладает привлекательными физико-химическими и оптоэлектронными свойствами, которые включают амбиполярный полевой эффект и квантовый эффект Холла при комнатной температуре 3,4. Обнаружение одномолекулярных адсорбционных событий и чрезвычайно высокая подвижность носителей добавляют к привлекательным свойствам графена 5,6. Кроме того, графеновые наноленты (GNR) с узкой шириной и большим средним свободным путем, низким удельным сопротивлением с высокой плотностью тока и высокой подвижностью электронов считаются перспективными взаимосвязанными материалами7. Следовательно, ГНР изучаются для применения во множестве устройств, а в последнее время и в наномедицине, особенно в тканевой инженерии и доставке лекарств8.
Среди различных травматических заболеваний травмы костей считаются одними из самых сложных из-за трудностей в стабилизации перелома, регенерации и замене новой костью, сопротивления инфекции и повторного выравнивания костных несоединений 9,10. Хирургические процедуры остаются единственной альтернативой переломам бедренного мозга. Следует отметить, что почти 52 миллиона долларов ежегодно тратится на лечение травм костей в Центральной Америке и Европе11.
Биоактивные каркасы для инженерных применений костной ткани могут быть более эффективными путем включения наногидроксиапатита (nHAP), поскольку они напоминают микро- и наноархитектурные свойства самой кости12. HAP, химически представленный как Ca10(PO4)6(OH)2 с молярным соотношением Ca/P 1,67, является наиболее предпочтительным для биомедицинских применений, особенно для лечения пародонтальных дефектов, замещения твердых тканей и изготовления имплантатов для ортопедических операций13,14. Таким образом, изготовление биоматериалов на основе nHAP, усиленных ГНР, может обладать превосходной биосовместимостью и может быть выгодным из-за их способности способствовать остеоинтеграции и быть остеокондуктивным15,16. Такие гибридные композитные каркасы могут сохранять биологические свойства, такие как сцепление клеток, распространение, пролиферация и дифференцировка17. Здесь мы сообщаем о создании двух новых нанокомпозитов для инженерии костной ткани путем рационального изменения пространственного расположения nHAP и GNR, как показано на рисунке 1. Здесь были оценены химические и структурные свойства двух различных механизмов nHAP-GNR.
Хотя различные металлы, полимеры, керамика и их комбинации были исследованы в качестве ортопедических имплантатов и фиксирующих аксессуаров, HAP считается одним из наиболее предпочтительных материалов из-за его химического сходства с самой костью и, как следствие, высокой цитосовмести…
The authors have nothing to disclose.
Д-р Сугата Гош выражает признательность Департаменту науки и техники (DST), Министерству науки и технологий, правительству Индии и Центру перспективных научных исследований имени Джавахарлала Неру, Индия, за финансирование в рамках постдокторской зарубежной стипендии в области нанонауки и техники (Ref. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 от 19 августа 2019 года). Д-р Сугата Гош благодарит Университет Касецарт, Бангкок, Таиланд, за постдокторскую стипендию и финансирование в рамках программы «Переосмысление университета» (No 6501.0207/10870 от 9 ноября 2021 года). Авторы хотели бы поблагодарить Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) за помощь в экспериментах по определению характеристик. KANCF является общим междисциплинарным научно-исследовательским и образовательным учреждением в рамках Научно-исследовательского института Костаса (KRI) в Северо-Восточном университете.
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 |