Synthese van grafeen-hydroxyapatiet nanocomposieten voor potentieel gebruik in bone tissue engineering

Summary

Nieuwe nanocomposieten van grafeen nanoribbons en hydroxyapatiet nanodeeltjes werden bereid met behulp van oplossingsfase synthese. Deze hybriden kunnen, wanneer ze worden gebruikt in bioactieve steigers, potentiële toepassingen vertonen in tissue engineering en botregeneratie.

Abstract

Het ontwikkelen van nieuwe materialen voor botweefseltechnologie is een van de belangrijkste stuwkrachtgebieden van nanogeneeskunde. Verschillende nanocomposieten zijn vervaardigd met hydroxyapatiet om celtrouw, proliferatie en osteogenese te vergemakkelijken. In deze studie werden hybride nanocomposieten met succes ontwikkeld met behulp van grafeen nanoribbons (GNR’s) en nanodeeltjes van hydroxyapatiet (nHAPs), die bij gebruik in bioactieve steigers mogelijk de regeneratie van botweefsel kunnen verbeteren. Deze nanostructuren kunnen biocompatibel zijn. Hier werden twee benaderingen gebruikt voor het voorbereiden van de nieuwe materialen. In één benadering werd een co-functionalisatiestrategie gebruikt waarbij nHAP tegelijkertijd werd gesynthetiseerd en geconjugeerd tot GNR’s, wat resulteerde in nanohybriden van nHAP op GNR-oppervlakken (aangeduid als nHAP / GNR). Hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HRTEM) bevestigde dat de nHAP/GNR-composiet bestaat uit slanke, dunne structuren van GNR’s (maximale lengte van 1,8 μm) met discrete patches (150-250 nm) naaldachtige nHAP (40-50 nm lang). In de andere benadering werd commercieel verkrijgbare nHAP geconjugeerd met GNR’s die GNR-gecoat nHAP vormden (aangeduid als GNR / nHAP) (d.w.z. met een tegenovergestelde oriëntatie ten opzichte van het nHAP / GNR-nanohybride). Het nanohybride gevormd met behulp van de laatste methode vertoonde nHAP-nanosferen met een diameter variërend van 50 nm tot 70 nm bedekt met een netwerk van GNR’s op het oppervlak. Energiedispersieve spectra, elementaire mapping en Fourier transform infrared (FTIR) spectra bevestigden de succesvolle integratie van nHAP en GNR’s in beide nanohybriden. Thermogravimetrische analyse (TGA) gaf aan dat het verlies bij verhoogde verwarmingstemperaturen als gevolg van de aanwezigheid van GNR’s respectievelijk 0,5% en 0,98% was voor GNR/nHAP en nHAP/GNR. De nHAP-GNR nanohybriden met tegengestelde oriëntaties vertegenwoordigen belangrijke materialen voor gebruik in bioactieve steigers om mogelijk cellulaire functies te bevorderen voor het verbeteren van botweefseltechnologietoepassingen.

Introduction

Grafeen heeft plaatachtige tweedimensionale structuren die zijn samengesteld uit sp-gehybridiseerde koolstof. Verschillende andere allotropen kunnen worden toegeschreven aan het uitgebreide honingraatnetwerk van grafeen (bijvoorbeeld het stapelen van grafeenvellen vormt 3D-grafiet terwijl het afrollen van hetzelfde materiaal resulteert in de vorming van 1D-nanobuisjes¹). Evenzo worden 0D-fullerenen gevormd als gevolg van het^{inpakken van 2}. Grafeen heeft aantrekkelijke fysisch-chemische en opto-elektronische eigenschappen, waaronder een ambipolair veldeffect en een quantum Hall-effect bij kamertemperatuur ^3,4. Detectie van adsorptiegebeurtenissen met één molecuul en extreem hoge dragermobiliteit dragen bij aan de aantrekkelijke eigenschappen van grafeen ^5,6. Verder worden grafeen nanoribbons (GNR’s) met smalle breedtes en een groot gemiddeld vrij pad, lage weerstand met een hoge stroomdichtheid en hoge elektronenmobiliteit beschouwd als veelbelovende onderling verbonden materialen⁷. Vandaar dat GNR’s worden onderzocht voor toepassingen in een groot aantal apparaten, en meer recent in nanogeneeskunde, met name tissue engineering en medicijnafgifte⁸.

Onder de verschillende traumatische aandoeningen worden botletsels beschouwd als een van de meest uitdagende vanwege problemen bij het stabiliseren van de fractuur, regeneratie en vervanging door nieuw bot, weerstand bieden aan infectie en bot niet-unies opnieuw uitlijnen ^9,10. Chirurgische ingrepen blijven het enige alternatief voor femurschachtfracturen. Opgemerkt moet worden dat bijna $ 52 miljoen elk jaar wordt besteed aan de behandeling van botletsels in Midden-Amerika en Europa¹¹.

Bioactieve steigers voor botweefseltechnologietoepassingen kunnen effectiever zijn door nano-hydroxyapatiet (nHAP) op te nemen, omdat ze lijken op de micro- en nano-architecturale eigenschappen van het bot zelf¹². HAP, chemisch weergegeven als Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ met een Ca/P molaire verhouding van 1,67, heeft de meeste voorkeur voor biomedische toepassingen, met name voor de behandeling van parodontale defecten, de vervanging van harde weefsels en het vervaardigen van implantaten voor orthopedische operaties^13,14. De fabricage van op nHAP gebaseerde biomaterialen versterkt met GNR’s kan dus superieure biocompatibiliteit bezitten en kan voordelig zijn vanwege hun vermogen om osseo-integratie te bevorderen en osteogeleidend te zijn ^15,16. Dergelijke hybride composietsteigers kunnen biologische eigenschappen behouden, zoals celaanhanging, verspreiding, proliferatie en differentiatie¹⁷. Hierin rapporteren we de fabricage van twee nieuwe nanocomposieten voor botweefseltechnologie door de ruimtelijke rangschikking van nHAP en GNR’s rationeel te wijzigen, zoals geïllustreerd in figuur 1. De chemische en structurele eigenschappen van de twee verschillende nHAP-GNR-regelingen werden hier geëvalueerd.

Protocol

1. Synthese van nHAP door neerslag Synthetiseer de ongerepte nHAP met behulp van 50 ml van het reactiemengsel dat 1 M Ca(NO3)2∙4H2O en 0,67 M (NH4)H2PO4 bevat, gevolgd door de druppelsgewijze toevoeging van NH4OH (25%) om een pH rond 1018 te behouden. Roer daarna het reactiemengsel door ultrasone bestraling (UI) gedurende 30 minuten (500 W vermogen en 20 kHz ultrasone frequentie).</l…

Representative Results

HRTEM analyseIndividueel waren GNR’s slanke bamboe-achtige structuren met enkele bochten op enige afstand, zoals waargenomen in figuur 2. De langste GNR was 1.841 μm terwijl de kleinste gebogen GNR 497 nm was. De nanoribbons vertoonden vaak een zichtbare variatie in breedte die kan worden toegeschreven aan het draaien om op veel plaatsen spiraalvormige configuraties te vormen. Een dergelijke unidirectionele uitlijning van GNR’s kan bijdragen tot het verkrijgen van aantr…

Discussion

Hoewel verschillende metalen, polymeren, keramiek en hun combinaties zijn onderzocht als orthopedische implantaten en fixatieaccessoires, wordt HAP beschouwd als een van de meest geprefereerde materialen vanwege de chemische gelijkenis met het bot zelf en de daaruit voortvloeiende hoge cytocompatibiliteit 20,21,22. In deze studie was de oriëntatie van HAP gevarieerd, wat een aanzienlijke impact kan hebben op de unieke eigenscha…

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