تخليق مركبات الجرافين هيدروكسيباتيت النانوية للاستخدام المحتمل في هندسة الأنسجة العظمية
Summary
تم تحضير مركبات نانوية جديدة من شرائط الجرافين النانوية وجسيمات الهيدروكسيباتيت النانوية باستخدام توليف مرحلة المحلول. هذه الهجينة عند استخدامها في السقالات النشطة بيولوجيا يمكن أن تظهر تطبيقات محتملة في هندسة الأنسجة وتجديد العظام.
Abstract
يعد تطوير مواد جديدة لهندسة الأنسجة العظمية أحد أهم مجالات الدفع في الطب النانوي. تم تصنيع العديد من المركبات النانوية باستخدام الهيدروكسيباتيت لتسهيل التصاق الخلايا وانتشارها وتكوين العظام. في هذه الدراسة ، تم تطوير المركبات النانوية الهجينة بنجاح باستخدام شرائط الجرافين النانوية (GNRs) والجسيمات النانوية من الهيدروكسيباتيت (nHAPs) ، والتي عند استخدامها في السقالات النشطة بيولوجيا قد تحسن تجديد أنسجة العظام. يمكن أن تكون هذه الهياكل النانوية متوافقة حيويا. هنا ، تم استخدام نهجين لإعداد المواد الجديدة. وفي أحد النهج، استخدمت استراتيجية للتشغيل المشترك حيث تم توليف nHAP واقترانه ب GNRs في وقت واحد، مما أدى إلى هجين نانوي من nHAP على أسطح GNR (يشار إليها باسم nHAP/GNR). أكد المجهر الإلكتروني الناقل عالي الدقة (HRTEM) أن مركب nHAP/GNR يتكون من هياكل رفيعة ورقيقة من GNRs (أقصى طول 1.8 ميكرومتر) مع بقع منفصلة (150-250 نانومتر) من nHAP الشبيه بالإبرة (40-50 نانومتر في الطول). وفي النهج الآخر، اقترن nHAP المتاح تجاريا ب GNRs التي تشكل nHAP المغلفة ب GNR (يشار إليها باسم GNR/nHAP) (أي ذات اتجاه معاكس بالنسبة إلى الهجين النانوي nHAP/GNR). عرض الهجين النانوي الذي تم تشكيله باستخدام الطريقة الأخيرة أغلفة نانوية nHAP يتراوح قطرها من 50 نانومتر إلى 70 نانومتر مغطاة بشبكة من GNRs على السطح. أكدت أطياف تشتت الطاقة ، ورسم الخرائط الأولية ، وأطياف الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR) التكامل الناجح ل nHAP و GNRs في كل من الهجينة النانوية. وأشار التحليل الحراري الوزني (TGA) إلى أن الخسارة في درجات حرارة التسخين المرتفعة بسبب وجود GNRs كانت 0.5٪ و 0.98٪ ل GNR / nHAP و nHAP / GNR ، على التوالي. تمثل الهجينة النانوية nHAP-GNR ذات الاتجاهات المعاكسة مواد مهمة للاستخدام في السقالات النشطة بيولوجيا لتعزيز الوظائف الخلوية لتحسين تطبيقات هندسة الأنسجة العظمية.
Introduction
يحتوي الجرافين على هياكل ثنائية الأبعاد تشبه الألواح تتكون من الكربون الهجين sp. يمكن أن تعزى العديد من allotropes الأخرى إلى شبكة قرص العسل الموسعة من الجرافين (على سبيل المثال ، يشكل تكديس صفائح الجرافين الجرافيت 3D أثناء تدحرج نفس المادة يؤدي إلى تكوين أنابيب نانوية 1D1). وبالمثل ، يتم تشكيل الفوليرين 0D بسبب التفاف2. يتميز الجرافين بخصائص فيزيائية كيميائية وإلكترونية بصرية جذابة تشمل تأثير المجال القطبي المحيط وتأثير هول الكمومي في درجة حرارة الغرفة 3,4. يضيف اكتشاف أحداث الامتزاز أحادية الجزيء والتنقل العالي للغاية للناقل إلى السمات الجذابة للجرافين 5,6. علاوة على ذلك ، تعتبر شرائط الجرافين النانوية (GNRs) ذات العروض الضيقة والمسار الحر المتوسط الكبير ، والمقاومة المنخفضة ذات كثافة التيار العالية ، وحركة الإلكترونات العالية مواد ربط واعدة7. ومن ثم، يجري استكشاف GNRs للتطبيقات في عدد لا يحصى من الأجهزة، ومؤخرا في الطب النانوي، وخاصة هندسة الأنسجة وتوصيل الأدوية8.
من بين الأمراض المؤلمة المختلفة ، تعتبر إصابات العظام واحدة من أكثر الإصابات تحديا بسبب الصعوبات في تثبيت الكسر ، والتجديد والاستبدال بعظام جديدة ، ومقاومة العدوى ، وإعادة محاذاة العظام غير النقابية 9,10. تظل الإجراءات الجراحية هي البديل الوحيد لكسور العمود الفخذي. تجدر الإشارة إلى أنه يتم إنفاق ما يقرب من 52 مليون دولار كل عام على علاج إصابات العظام في أمريكا الوسطى وأوروبا11.
يمكن أن تكون السقالات النشطة بيولوجيا لتطبيقات هندسة أنسجة العظام أكثر فعالية من خلال دمج نانو هيدروكسيباتيت (nHAP) ، لأنها تشبه الخصائص المعمارية الدقيقة والنانوية للعظم نفسه12. HAP ، الممثلة كيميائيا باسم Ca 10 (PO4) 6 (OH) 2 مع نسبة Ca / P المولية من 1.67 ، هي الأكثر تفضيلا للتطبيقات الطبية الحيوية ، وخاصة لعلاج عيوب اللثة ، واستبدال الأنسجة الصلبة ، وتصنيع الغرسات لجراحات العظام13,14. وبالتالي ، فإن تصنيع المواد الحيوية القائمة على nHAP المعززة ب GNRs يمكن أن يمتلك توافقا حيويا متفوقا وقد يكون مفيدا بسبب قدرته على تعزيز التكامل العظمي وأن يكون موصلا للعظام15,16. يمكن لهذه السقالات المركبة الهجينة الحفاظ على الخصائص البيولوجية مثل التصاق الخلايا وانتشارها وانتشارها وتمايزها17. هنا ، نبلغ عن تصنيع مركبين نانويين جديدين لهندسة أنسجة العظام عن طريق تغيير الترتيب المكاني ل nHAP و GNRs بشكل عقلاني كما هو موضح في الشكل 1. تم تقييم الخصائص الكيميائية والهيكلية للترتيبين المختلفين ل nHAP-GNRs هنا.
Protocol
Representative Results
Discussion
على الرغم من أن العديد من المعادن والبوليمرات والسيراميك ومجموعاتها قد تم بحثها كغرسات لتقويم العظام وملحقات التثبيت ، إلا أن HAP تعتبر واحدة من أكثر المواد المفضلة بسبب تشابهها الكيميائي مع العظام نفسها وما يترتب عليها من توافق خلوي عال 20،21،22.…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يعترف الدكتور سوغاتا غوش بقسم العلوم والتكنولوجيا (DST) ، وزارة العلوم والتكنولوجيا ، حكومة الهند ، ومركز جواهر لال نهرو للبحث العلمي المتقدم ، الهند للتمويل في إطار زمالة ما بعد الدكتوراه في الخارج في علوم وتكنولوجيا النانو (المرجع JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 بتاريخ 19 أغسطس 2019). تعترف الدكتورة سوغاتا غوش بجامعة كاسيتسارت ، بانكوك ، تايلاند للحصول على زمالة ما بعد الدكتوراه ، والتمويل في إطار برنامج إعادة اختراع الجامعة (المرجع رقم 6501.0207/10870 بتاريخ 9 نوفمبر 2021). يود المؤلفون أن يشكروا مرفق كوستاس المتقدم للتوصيف النانوي (KANCF) على المساعدة في تجارب التوصيف. KANCF هي منشأة بحثية وتعليمية مشتركة متعددة التخصصات داخل معهد كوستاس للأبحاث (KRI) في جامعة نورث إيسترن.
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 |
Riferimenti
- Novoselov, K. S., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- Morozov, S. V., et al. Giant intrinsic carrier mobilities in graphene and its bilayer. Physical Review Letters. 100 (1-11), 016602 (2008).
- 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).
- Talyzin, A. V., et al. Synthesis of graphene nanoribbons encapsulated in single-walled carbon nanotubes. Nano Letters. 11 (10), 4352-4356 (2011).
- Allen, M. J., Tung, V. C., Kaner, R. B. Honeycomb carbon: A review of graphene. Chemical Reviews. 110 (1), 132-145 (2010).
- Ghosh, S., Webster, T. J. Metallic nanoscaffolds as osteogenic promoters: Advances, challenges and scope. Metals. 11 (9), 1356 (2021).
- Ghosh, S., Webster, T. J. Mesoporous silica based nanostructures for bone tissue regeneration. Frontiers in Materials. 8, 213 (2021).
- 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).
- 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).
- Neelgund, G. M., Oki, A., Luo, Z. In situ deposition of hydroxyapatite on graphene nanosheets. Materials Research Bulletin. 48 (2), 175-179 (2013).
- 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).
- Mondal, S., et al. Hydroxyapatite coated iron oxide nanoparticles: A promising nanomaterial for magnetic hyperthermia cancer treatment. Nanomaterials. 7 (12), 426 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Baradaran, S., et al. Mechanical properties and biomedical applications of a nanotube hydroxyapatite-reduced graphene oxide composite. Carbon. 69, 32-45 (2014).
- Sassoni, E. Hydroxyapatite and other calcium phosphates for the conservation of cultural heritage: A review. Materials. 11 (4), 557 (2018).
- Tang, H., Ehlert, G. J., Lin, Y., Sodano, H. A. Highly efficient synthesis of graphene nanocomposites. Nano Letters. 12 (1), 84-90 (2012).
- 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).
- Rafiee, M. A., et al. Enhanced mechanical properties of nanocomposites at low graphene content. ACS Nano. 3 (12), 3884-3890 (2009).
- Luque de Castro, M. D., Priego-Capote, F. Ultrasound-assisted crystallization (sonocrystallization). Ultrasonics Sonochemistry. 14 (6), 717-724 (2007).
- Azhari, A., Toyserkani, E. Additive manufacturing of graphene-hydroxyapatite nanocomposite structures. International Journal of Applied Ceramic Technology. 12 (1), 8-17 (2015).
- 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).
- 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).
- Rouhani, P., Taghavinia, N., Rouhani, S. Rapid growth of hydroxyapatite nanoparticles using ultrasonic irradiation. Ultrasonics Sonochemistry. 17 (5), 853-856 (2010).
- Fan, Z., et al. One-pot synthesis of graphene/hydroxyapatite nanorod composite for tissue engineering. Carbon. 66, 407-416 (2014).
- 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).
- 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).
- Hazra, A., Basu, S. Graphene nanoribbon as potential on-chip interconnect material-A Review. C Journal of Carbon Research. 4 (3), 49 (2018).
- 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).
- 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).
