Waiting
Traitement de la connexion…

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Síntesis de nanocompuestos de grafeno-hidroxiapatita para uso potencial en ingeniería de tejidos óseos

Published: July 27, 2022 doi: 10.3791/63985
Automatic Translation
1,2,3, 3, 4, 1, 3,5,6,7
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

Se prepararon nuevos nanocompuestos de nanocintas de grafeno y nanopartículas de hidroxiapatita utilizando síntesis en fase de solución. Estos híbridos cuando se emplean en andamios bioactivos pueden exhibir aplicaciones potenciales en ingeniería de tejidos y regeneración ósea.

Abstract

El desarrollo de nuevos materiales para la ingeniería de tejidos óseos es una de las áreas de empuje más importantes de la nanomedicina. Varios nanocompuestos se han fabricado con hidroxiapatita para facilitar la adherencia celular, la proliferación y la osteogénesis. En este estudio, los nanocompuestos híbridos se desarrollaron con éxito utilizando nanocintas de grafeno (GNR) y nanopartículas de hidroxiapatita (nHAPs), que cuando se emplean en andamios bioactivos pueden mejorar potencialmente la regeneración del tejido óseo. Estas nanoestructuras pueden ser biocompatibles. Aquí, se utilizaron dos enfoques para preparar los nuevos materiales. En un enfoque, se utilizó una estrategia de cofuncionalización en la que nHAP se sintetizó y se conjugó a GNR simultáneamente, lo que resultó en nanohíbridos de nHAP en superficies GNR (denotadas como nHAP / GNR). La microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) confirmó que el compuesto nHAP/GNR está compuesto por estructuras delgadas y delgadas de GNR (longitud máxima de 1,8 μm) con parches discretos (150-250 nm) de nHAP similar a una aguja (40-50 nm de longitud). En el otro enfoque, el nHAP disponible comercialmente se conjugó con los GNR que formaban nHAP recubierto de GNR (denotado como GNR/nHAP) (es decir, con una orientación opuesta en relación con el nanohíbrido nHAP/GNR). El nanohíbrido formado utilizando este último método exhibió nanoesferas nHAP con un diámetro que va desde 50 nm a 70 nm cubiertas con una red de GNR en la superficie. Los espectros de dispersión de energía, el mapeo elemental y los espectros infrarrojos de la transformada de Fourier (FTIR) confirmaron la integración exitosa de nHAP y GNR en ambos nanohíbridos. El análisis termogravimétrico (TGA) indicó que la pérdida a temperaturas de calentamiento elevadas debido a la presencia de GNR fue de 0,5% y 0,98% para GNR/nHAP y nHAP/GNR, respectivamente. Los nanohíbridos nHAP-GNR con orientaciones opuestas representan materiales significativos para su uso en andamios bioactivos para promover potencialmente las funciones celulares para mejorar las aplicaciones de ingeniería de tejidos óseos.

Introduction

El grafeno tiene estructuras bidimensionales en forma de lámina compuestas de carbono hibridado sp. Varios otros alótropos se pueden atribuir a la red extendida de panal de grafeno (por ejemplo, el apilamiento de láminas de grafeno forma grafito 3D mientras que el despliegue del mismo material da como resultado la formación de nanotubos 1D1). Del mismo modo, los fullerenos 0D se forman debido a la envoltura2. El grafeno tiene atractivas propiedades fisicoquímicas y optoelectrónicas que incluyen un efecto de campo ambipolar y un efecto Hall cuántico a temperatura ambiente 3,4. La detección de eventos de adsorción de una sola molécula y la movilidad extremadamente alta del portador se suman a los atractivos atributos del grafeno 5,6. Además, las nanocintas de grafeno (GNR) con anchos estrechos y una gran trayectoria libre media, baja resistividad con una alta densidad de corriente y alta movilidad de electrones se consideran materiales de interconexión prometedores7. Por lo tanto, los GNR se están explorando para aplicaciones en una miríada de dispositivos, y más recientemente en nanomedicina, particularmente ingeniería de tejidos y administración de fármacos8.

Entre varias dolencias traumáticas, las lesiones óseas se consideran una de las más desafiantes debido a las dificultades para estabilizar la fractura, la regeneración y el reemplazo con hueso nuevo, la resistencia a la infección y la realineación de las no uniones óseas 9,10. Los procedimientos quirúrgicos siguen siendo la única alternativa para las fracturas del eje femoral. Cabe señalar que cada año se gastan casi $52 millones en el tratamiento de lesiones óseas en Centroamérica y Europa11.

Los andamios bioactivos para aplicaciones de ingeniería de tejidos óseos pueden ser más efectivos al incorporar nano-hidroxiapatita (nHAP), ya que se asemejan a las propiedades micro y nano arquitectónicas del hueso en sí12. HAP, representado químicamente como Ca10(PO4)6(OH)2 con una relación molar Ca/P de 1,67, es el más preferido para aplicaciones biomédicas, particularmente para el tratamiento de defectos periodontales, la sustitución de tejidos duros y la fabricación de implantes para cirugías ortopédicas13,14. Así, la fabricación de biomateriales basados en nHAP reforzados con GNRs puede poseer una biocompatibilidad superior y puede ser ventajosa debido a su capacidad para promover la osteointegración y serosteoconductores 15,16. Tales andamios compuestos híbridos pueden preservar propiedades biológicas como la adherencia celular, la propagación, la proliferación y la diferenciación17. Aquí, informamos la fabricación de dos nuevos nanocompuestos para la ingeniería de tejidos óseos mediante la alteración racional de la disposición espacial de nHAP y GNR como se ilustra en la Figura 1. Aquí se evaluaron las propiedades químicas y estructurales de los dos arreglos nHAP-GNR diferentes.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Síntesis de nHAP por precipitación

  1. Sintetizar el nHAP prístino utilizando 50 mL de la mezcla de reacción que contiene 1 M Ca(NO3)2∙4H2O y 0.67 M (NH4)H2PO4 seguido de la adición aleatoria de NH4OH (25%) para mantener un pH alrededor de 1018.
  2. A partir de entonces, agite la mezcla de reacción mediante irradiación por ultrasonido (UI) durante 30 min (potencia de 500 W y frecuencia de ultrasonido de 20 kHz).
  3. Deje que la solución resultante madure durante 120 h a temperatura ambiente hasta que el precipitado blanco de nHAP se asiente. Recupere el nHAP por centrifugación a 1398 x g durante 5 min a temperatura ambiente.
  4. Lavar el precipitado con agua desionizada (DI) 3x y liofilizar durante 48 h. Conservar el polvo seco a 4 °C.

2. Preparación de nanocompuestos nHAP/GNR

NOTA: A continuación se describen dos enfoques para fabricar nanocompuestos nHAP/GNR (es decir, nHAP en superficies GNR) y GNR/nHAP (nHAP recubierto de GNR) que representan dos disposiciones espaciales diferentes de nHAP y GNR (Figura 1).

  1. Síntesis de nHAP/GNR
    1. Para preparar el nanocompuesto nHAP/GNRs, utilice una estrategia de co-funcionalización donde nHAP pueda ser sintetizado y conjugado a GNRs simultáneamente, como se indica a continuación.
    2. Disolver 5 mg de GNRs (Tabla de Materiales) en una mezcla de 1 M de nitrato de calcio tetrahidratado [Ca(NO3)2·4H2O] y 0,67 M de fosfato de hidrógeno diamónico [(NH4)2HPO4] a un volumen final de 50 mL19.
    3. Durante esta reacción, agregue un 25% de NH4OH gota a gota para mantener el pH en ~ 10. Agitar la mezcla resultante por UI durante 30 min.
    4. Después de completar la reacción, deje la solución sin perturbar durante 120 h a temperatura ambiente hasta la maduración.
    5. Observe la formación de un precipitado gelatinoso de nHAP que recubre los GNR, después de lo cual se asienta un precipitado blanco de nHAP / GNR.
    6. Lave el precipitado 3x por centrifugación a 1398 x g durante 5 min a temperatura ambiente seguido de reexspersión en agua DI.
    7. Liofilizar el precipitado lavado recuperado durante 48 h. Conservar el polvo seco a 4 °C.
    8. Utilice nHAP y GNR prístinos como muestras de control.
  2. Síntesis de nanocompuesto GNR/nHAP
    1. Suspender el nHAP disponible comercialmente a una concentración de 5 mg/ml en 50 ml de agua DI suplementada con 5 mg de GNR.
    2. Agitar la mezcla resultante por UI durante 30 min y luego dejar la mezcla sin perturbar durante 120 h a temperatura ambiente.
    3. Después de la maduración, recupere el precipitado blanco del GNR/nHAP resultante mediante centrifugación a 1398 x g durante 5 min a temperatura ambiente.
    4. Lave la muestra 3 veces con agua DI, liofilícela durante 48 h y guarde el polvo seco a 4 °C para su uso posterior.

3. Caracterización de nHAP, nHAP/GNR y GNR/nHAP

  1. Utilice un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (HRTEM) (ver Tabla de Materiales) para caracterizar la morfología y el tamaño de los nanocompuestos11.
  2. Analizar la composición elemental de los nanocompuestos empleando espectroscopia de dispersión de energía (EDS) y realizar mapeo elemental utilizando el microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM)11.
  3. Realice la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) para las muestras ordenadas a números de onda de 500-4000 cm−1 para analizar los grupos químicos en el nanocompuesto16.
  4. Realizar análisis de difracción de rayos X en polvo (XRD) del nHAP sintetizado utilizando una longitud de onda de rayos X de 1.5406 Å, ajustes de corriente y voltaje de 40 mA y 40 kV, respectivamente, y 2θ que van de 20 ° a 90 °.
  5. Evalúe el porcentaje de carga de GNR en el nanocompuesto utilizando el análisis termogravimétrico (TGA) calentando las muestras desde la temperatura ambiente a 1000 ° C a una velocidad de 10 ° C / min bajo flujo de nitrógeno.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Análisis HRTEM
Individualmente, los GNR eran estructuras delgadas similares al bambú con algunas curvas a cierta distancia, como se observa en la Figura 2. El GNR más largo fue de 1.841 μm, mientras que el GNR doblado más pequeño fue de 497 nm. Las nanocintas a menudo mostraron una variación visible en el ancho que podría atribuirse a la torsión para formar configuraciones helicoidales en muchos lugares. Dicha alineación unidireccional de los GNR puede ayudar a obtener características atractivas como las propiedades magnéticas, la conductividad o el transporte de calor7.

Los nHAP sintetizados utilizando tetrahidrato de nitrato de calcio y fosfato de hidrógeno diamónico a temperatura ambiente (paso 1) tenían forma de varilla o aguja con un tamaño que oscilaba entre 40 nm y 50 nm (Figura 3). Los nanomateriales sintetizados se encontraron en grupos debido a la agregación y el crecimiento cristalino. Por otro lado, los nHAPs disponibles comercialmente utilizados fueron esféricos (Figura 4); estas nanoesferas tenían un diámetro de 50-70 nm y estaban presentes en grupos discretos de 15-20 esferas.

El nHAP se depositó in situ en los GNR (representados como nHAP/GNR) en la estrategia de cofuncionalización (paso 2.1). Los nanocompuestos resultantes de GNRs y nHAP consistieron en nanoestructuras interconectadas altamente porosas. El predominio de nHAPs similares a agujas que cubren la superficie GNR en parches (Figura 5) se atribuye a los GNR que sirven como un andamio nano-destacado para la nucleación nHAP. Se encontró que los parches nHAP tenían entre 150 nm y 250 nm de longitud y anchura (Figura 5A, B). El mapeo elemental confirmó que los parches ganglionares intermediados en los GNR eran de hecho nHAP debido a la presencia de calcio elemental y fósforo (Figura 5C).

En el otro método (paso 2.2), el nHAP preformado se conjugó con los GNR, lo que condujo a la formación de nHAP recubierto de GNR (representado como GNR / nHAP, es decir, con una orientación inversa en comparación con el compuesto nHAP / GNR). En este caso, los GNR formaron películas delgadas en la superficie de las nanopartículas esféricas nHAP (Figura 6).

Curiosamente, las curvas y circunvoluciones observadas en la periferia de los GNR como se evidencia en la Figura 2A se atribuyen principalmente a propiedades de baja estabilidad que podrían haber mejorado significativamente la interacción mecánica y la unión con el nHAP como se ve en la Figura 5 y la Figura 6. Además, la gran superficie de los GNR prístinos también ayuda a una mayor carga de nHAP. Además, el envejecimiento de las soluciones compuestas durante 120 h resultó en la conversión completa de la apatita en hidroxiapatita altamente cristalina (Figura 3 y Figura 5). Los grupos funcionales basados en oxígeno de la superficie GNR interactúan electrostáticamente con Ca2+, sirviendo como el sitio receptor. Las nanoestructuras de apatita se pueden obtener aún más debido a la reacción in situ entre estos cationes anclados y los iones de fosfato (paso 2.1). La orientación del nHAP microestructurado en la superficie GNR está controlada por varios factores que incluyen la cantidad y el tipo de grupos oxigenados en las plantillas basadas en grafeno, la concentración relativa de los precursores (Ca2+ y HPO42-), el pH de la mezcla de reacción y el tiempo de maduración. El efecto acumulativo de las condiciones de reacción dio lugar a la envoltura de los GNR transparentes en la superficie de las nanoesferas nHAP, posiblemente debido a la adsorción física no covalente.

Análisis de espectros de dispersión de energía (EDS)
Para confirmar los componentes principales y la composición elemental de los nanocompuestos, se realizó un análisis espectral de dispersión de energía. En la Figura 7A, los espectros EDS de GNR prístinos mostraron un pico de carbono que corresponde a los GNR, mientras que no se observaron otros picos, excepto el cobre que se atribuyó a la rejilla utilizada para montar muestras durante el análisis HRTEM. La Figura 7B muestra el espectro EDS de nanoesferas nHAP preformadas disponibles comercialmente donde los picos de carbono y cobre se atribuyen a las rejillas de cobre recubiertas de carbono utilizadas para montar las muestras durante el análisis HRTEM. En la Figura 7C, se atribuyó un claro aumento en el contenido de carbono a los GNR, mientras que los otros picos específicos de calcio y fósforo se debieron a nHAP en los nanocompuestos GNR/nHAP. La Figura 8 muestra los espectros EDS del nHAP tal como sintetizado (paso 1) (Figura 8A) y el compuesto nHAP/GNR (Figura 8B). El marcado aumento en el contenido de carbono en el espectro nHAP/GNR se debe a la mayoría de los GNR en los que solo se observaron pequeños parches de nHAP recién sintetizado.

Análisis FTIR

La conjugación de nHAP con los GNRs se confirmó a través de espectros FTIR. La Figura 9 muestra los espectros FTIR de nHAP, GNR, nHAP/GNR y GNR/nHAP. El OH fuera del pico de flexión del plano a 600 cm-1 se ve en el FTIR de GNR12. El pico a 1030 cm-1, atribuido al estiramiento P-O se observó en nHAP, confirmando su composición química15. En particular, el pico característico de estiramiento P-O de nHAP también se encontró en nHAP / GNR y GNR / nHAP, lo que indica la presencia de nHAP en ambos compuestos. Los otros dos picos, 1413 y 1447 cm-1 que se encuentran solo en los compuestos, se atribuyen a las vibraciones δCH2 y al grupo carbonato (CO32−), respectivamente, que confirman la conjugación de GNR y nHAP16.

Análisis de difracción de rayos X (XRD)
El patrón XRD del HAP (paso 2.1) se muestra en la Figura 10. Los picos fuertes indicaron una buena cristalinidad del material. Las posiciones máximas estuvieron en buen acuerdo con las de los datos estándar del ICDD (tarjeta PDF2: 00-009-0432). Esto confirmó aún más la estructura cristalina hexagonal (grupo espacial P63/m) del nHAP, teniendo valores de parámetros de red de a = b = 0,940 nm y c = 0,615 nm. Algunos de los picos fuertes y sobresalientes a valores de 2θ de 25.8°, 28.2°, 31.8°, 32.9°, 34.1°, 39.7°, 43.9°, 46.6° y 49.4° correspondientes a (002), (102), (211), (300), (202), (310), (113), (222) y (213) planos, respectivamente, confirmaron la pureza del nHAP sintetizado 16,20,21.

Análisis termogravimétrico (TGA)
Se empleó el análisis termogravimétrico (TGA) para estimar el porcentaje de carga en los conjugados (Figura 11). Tres pérdidas prominentes en masa fueron evidentes durante el análisis de TGA. La pérdida inicial de masa a temperaturas de hasta 100 °C se debe al agua física atrapada. La segunda pérdida entre 100 °C y 200 °C se debe a la descomposición del GNR en hollín de carbono. La disminución constante de la masa a partir de entonces hasta 500 ° C se debió a la cristalización de nHAP. Un mayor calentamiento condujo a la descomposición de los complejos. Se encontró que la pérdida debida a la presencia de GNRs estaba entre 0.5% y 0.98% en GNR/nHAP y nHAP/GNR, respectivamente. Por lo tanto, está en buen acuerdo con nuestro análisis anterior donde se encontró HAP como el componente principal y los GNR estaban orientados a la superficie dentro del GNR / nHAP. Por otro lado, los GNR fueron abundantes en nHAP/GNR en los que el nHAP formó parches discretos en los largos tramos de GNR.

Figure 1
Figura 1: Representación esquemática para sintetizar compuestos híbridos de nanocinta-hidroxiapatita de grafeno orientados inversamente: (A) nHAP/GNR y (B) GNR/nHAP. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Análisis estructural de los GNR: (A) Análisis HRTEM de los GNR desnudos; B) Imágenes en modo de transmisión electrónica de barrido (STEM) de los GNR; y (C) Mapeo elemental de los GNR, donde los colores rojo, verde, amarillo y azul denotan carbono, oxígeno, fósforo y calcio, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Análisis estructural del nHAP sintetizado: (A) Análisis HRTEM del nHAP; (B) Imágenes en modo de transmisión electrónica de barrido (STEM) de nHAP con la barra de escala insertada que representa 100 nm; y (C) Mapeo elemental del nHAP donde los colores rojo, verde, amarillo y azul denotan carbono, oxígeno, fósforo y calcio, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Análisis estructural del nHAP preformado disponible comercialmente: (A) Análisis HRTEM del nHAP; (B) Imágenes de modo de transmisión electrónica de barrido (STEM) de nHAP; y (C) Mapeo elemental del nHAP donde los colores rojo, verde, amarillo y azul denotan carbono, oxígeno, fósforo y calcio, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Análisis estructural de nHAP/GNR sintetizado por la estrategia de co-funcionalización: (A) análisis HRTEM de nHAP/GNR; B) Imágenes en modo de transmisión electrónica de barrido (STEM) de nHAP/GNR; y (C) Mapeo elemental del nHAP/GNR donde los colores rojo, verde, amarillo y azul denotan carbono, oxígeno, fósforo y calcio, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Análisis estructural del GNR/nHAP: (A) Análisis HRTEM del GNR/nHAP; (B) Imágenes en modo de transmisión electrónica de barrido (STEM) de GNR/nHAP con barra de escala insertada que representa 50 nm; y (C) Mapeo elemental del GNR/nHAP donde los colores rojo, verde, amarillo y azul denotan carbono, oxígeno, fósforo y calcio, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: Análisis EDS del nanocompuesto GNR/nHAP: (A) GNRs, (B) nHAP preformado disponible comercialmente, y (C) nanocompuesto GNR/nHAP. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 8
Figura 8: Análisis EDS del nanocompuesto nHAP/GNR: (A) nHAP sintetizado y (B) nHAP/GNR. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 9
Figura 9: Análisis FTIR de los nanocompuestos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 10
Figura 10: Análisis de difracción de rayos X (XRD) de nHAP. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 11
Figura 11: Análisis termogravimétrico de los nanocompuestos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Aunque se han investigado diversos metales, polímeros, cerámicas y sus combinaciones como implantes ortopédicos y accesorios de fijación, el HAP se considera uno de los materiales más preferibles debido a su similitud química con el propio hueso y la consiguiente alta citocompatibilidad 20,21,22. En este estudio, la orientación de HAP fue variada, lo que puede tener un impacto significativo en sus propiedades únicas, como la promoción de la osteogénesis, la osteointegración y la osteoconductividad. Además, cambiar la orientación de HAP puede afectar las propiedades mecánicas de los nanocompuestos para imitar aún más las del hueso natural, ya que los huesos largos en el cuerpo poseen una alineación anisotrópica de HA con colágeno, mientras que los huesos cuboidales poseen una disposición aleatoria de HA con colágeno. Cabe señalar que aunque la HAP natural es el principal constituyente de los dientes y huesos humanos, sus propiedades físicas dependen en gran medida de las condiciones de reacción, como el tiempo de reacción, el pH, la concentración de fosfato y la naturaleza química de la fase23 de CaP. Por lo tanto, en este estudio, se utilizó un método químico húmedo para sintetizar nHAP a un pH de 10 bajo irradiación por ultrasonido (UI). Barbosa et al. (2013) también reportaron que la IU en conjunto con precipitación acuosa sin calcinación es un método simple, rápido y eficiente que genera nHAP con alta cristalinidad y especificidad18.

Es importante tener en cuenta que los biomateriales asociados a HAP fabricados artificialmente a menudo exhiben propiedades mecánicas deficientes que incluyen fragilidad intrínseca, baja tenacidad a la fractura y desgaste22. Por lo tanto, nHAP se refuerza aquí con GNR para facilitar: (i) la funcionalización de la superficie asociada con las nanopartículas, (ii) las interacciones electrostáticas en la interfaz en el complejo, y (iii) la transferencia de tensión a los nano-rellenos desde la matriz de los andamios 24,25,26. La síntesis química húmeda seguida aquí dio como resultado un nHAP prístino predominantemente en pequeñas partículas aciculares aglomeradas en partículas más grandes (~ 40 nm). Este resultado está muy de acuerdo con el informe de Barbosa et al. (2013), donde se especuló que la IU jugó un papel crítico en la inducción de la nucleación mediante la formación de paredes de burbujas en las proximidades, conocidas como "puntos calientes"18,27.

Es interesante observar que una disminución en el tamaño de partícula tanto de las partículas huésped como de las partículas invitadas puede mejorar la fluidez solo hasta un cierto límite. A partir de entonces, una mayor reducción en la dimensión de la partícula huésped puede conducir a una aglomeración que afecta negativamente la fluidez28. Además de inducir la nucleación primaria en una solución prácticamente libre de partículas, la IU evita altos niveles de sobresaturación. Además, la reducción mediada por la IU en el tiempo transcurrido entre el establecimiento de la sobresaturación y el inicio de la nucleación y la cristalización puede ser clave en la evolución de la forma de nHAP y el patrón de funcionalización en los GNR. La estructura nHAP/GNR podría atribuirse al efecto acumulativo de la temperatura de reacción, la presión asociada debido al colapso de la burbuja y las ondas de choque, además de la agitación altamente energética creada en regiones concentradas espacialmente. Del mismo modo, la estructura GNR/nHAP sintetizada por la adición simultánea de GNR prístinos y nHAP en presencia de UI podría atribuirse a las velocidades de enfriamiento local rápidas posteriores que mejoran la sobresaturación. Un incremento localizado en la presión también puede disminuir la temperatura de cristalización, mientras que la barrera creada por la energía de activación puede ser superada significativamente por la transferencia de energía debido a la cavitación durante la funcionalización superficial de los GNR18,27.

Un informe muestra que la aplicación excesiva de UI (~ 30-120 min) durante la síntesis reduce la cristalinidad y / o el tamaño de los cristales nHAP29. Esto puede determinar aún más la orientación de la funcionalización como se observa en nuestro estudio. Incluso en este estudio, los resultados mostraron que la IU durante un tiempo de exposición relativamente largo (30 min) durante la síntesis de nHAP condujo a la deposición de nHAP en los GNR. Por otro lado, la IU durante 30 min con nHAP y GNRs preformados condujo a la deposición de GNRs en los nHAPs esféricos. Por lo tanto, este método es ideal para la producción a gran escala de nHAP para obtener compuestos incorporados por GNR para la fabricación de andamios30,31. Estos nuevos compuestos orientados hacia atrás con propiedades mecánicas superiores pueden ser importantes para la ingeniería de tejidos óseos. En particular, Fan et al. (2014) informaron que la introducción de grafeno puede mejorar significativamente la dureza y el módulo de Young de nHAP que a su vez exhiben una mayor osteointegración con el hueso circundante (es decir, biocompatibilidad superior), en comparación con el grafeno prístino y nHAP, individualmente32. Por lo tanto, los nanocompuestos compuestos por GNR y nHAP con propiedades mecánicas superiores y biocompatibilidad pueden ser biomateriales prometedores para numerosas aplicaciones ortopédicas 33,34,35.

Sin embargo, el mayor desafío en la fabricación de nanohíbridos con orientaciones opuestas es que los parámetros de reacción deben seguirse estrictamente para obtener la orientación deseada de los nanocompuestos36,37. Además, en la estrategia de cofuncionalización, se depositaron menos cantidades de nHAP en forma de aguja en los GNR, lo que puede reducir su potencial de regeneración del tejido óseo y resistencia mecánica. Las formas del nHAP en ambos métodos son diferentes, lo que puede influir significativamente en la cantidad de osteogénesis y, por lo tanto, causar varias propiedades pertinentes para aplicaciones biomédicas.

En conclusión, aquí, sintetizamos nanocompuestos compuestos por GNR y nHAP con arreglos espaciales contrastantes que pueden tener aplicaciones potenciales en ortopedia. Los resultados mostraron que la morfología y el tiempo de funcionalización de nHAP (es decir, si la funcionalización tiene lugar después de la síntesis o al mismo tiempo que la síntesis de nHAP) determinaron la orientación de nHAP y GNR en los nanocompuestos. La cofuncionalización durante la síntesis dio lugar a nHAP/GNRs, mientras que la funcionalización con nHAP preformado dio como resultado GNRs/nHAP. Estos nanocompuestos podrían ser aplicables para desarrollar andamios para promover la osteogénesis y, por lo tanto, tienen una promesa significativa en nanomedicina regenerativa que justifica su investigación adicional.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Los autores no tienen conflictos de intereses.

Acknowledgments

El Dr. Sougata Ghosh reconoce al Departamento de Ciencia y Tecnología (DST), Ministerio de Ciencia y Tecnología, Gobierno de la India y al Centro Jawaharlal Nehru para la Investigación Científica Avanzada, India, por su financiación en el marco de la Beca Postdoctoral en el Extranjero en Nano Ciencia y Tecnología (Ref. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 con fecha 19 de agosto de 2019). El Dr. Sougata Ghosh reconoce a la Universidad de Kasetsart, Bangkok, Tailandia para una beca postdoctoral y financiación bajo el Programa Reinventando la Universidad (Ref. No. 6501.0207/10870 de fecha 9 de noviembre de 2021). Los autores desean agradecer a la Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) por su ayuda con los experimentos de caracterización. KANCF es una instalación multidisciplinaria compartida de investigación y educación dentro del Instituto de Investigación Kostas (KRI) en la Universidad Northeastern.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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. Nanobiomaterials for three- dimensional bioprinting. Nanotechnology in Medicine and Biology. Liu, H., Shokuhfar, T., Ghosh, S. , Elsevier. 1-24 (2021).
  34. Ghosh, S., Sanghavi, S., Sancheti, P. Metallic biomaterial for bone support and replacement. Fundamental Biomaterials: Metals. Vol 2. Woodhead Publishing Series in Biomaterials. Balakrishnan, P., Sreekala, P., Thomas, S. , Woodhead Publishing. 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

Bioingeniería Número 185 Nanomedicina nanocintas de grafeno hidroxiapatita orientación inversa andamios
Síntesis de nanocompuestos de grafeno-hidroxiapatita para uso potencial en ingeniería de tejidos óseos
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ghosh, S., Bhagwat, T., Kitture, R., … More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter