Neuartige Nanokomposite aus Graphen-Nanobändern und Hydroxylapatit-Nanopartikeln wurden mittels Lösungsphasensynthese hergestellt. Wenn diese Hybriden in bioaktiven Gerüsten eingesetzt werden, können sie potenzielle Anwendungen im Tissue Engineering und in der Knochenregeneration aufweisen.
Die Entwicklung neuartiger Materialien für das Knochengewebe-Engineering ist einer der wichtigsten Schwerpunkte der Nanomedizin. Mehrere Nanokomposite wurden mit Hydroxylapatit hergestellt, um die Zelladhärenz, -proliferation und -osteogenese zu erleichtern. In dieser Studie wurden erfolgreich hybride Nanokomposite unter Verwendung von Graphen-Nanobändern (GNRs) und Nanopartikeln aus Hydroxylapatit (nHAPs) entwickelt, die, wenn sie in bioaktiven Gerüsten eingesetzt werden, möglicherweise die Knochengeweberegeneration verbessern können. Diese Nanostrukturen können biokompatibel sein. Hier wurden zwei Ansätze zur Herstellung der neuartigen Materialien verwendet. In einem Ansatz wurde eine Kofunktionalisierungsstrategie verwendet, bei der nHAP gleichzeitig synthetisiert und mit GNRs konjugiert wurde, was zu Nanohybriden von nHAP auf GNR-Oberflächen (als nHAP / GNR bezeichnet) führte. Die hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) bestätigte, dass der nHAP/GNR-Verbund aus schlanken, dünnen Strukturen von GNRs (maximale Länge von 1,8 μm) mit diskreten Patches (150-250 nm) nadelartigem nHAP (40-50 nm Länge) besteht. Im anderen Ansatz wurde kommerziell erhältliches nHAP mit GNRs konjugiert, die GNR-beschichtetes nHAP (bezeichnet als GNR/nHAP) bildeten (d. h. mit einer entgegengesetzten Orientierung relativ zum nHAP/GNR-Nanohybrid). Der mit der letzteren Methode gebildete Nanohybrid zeigte nHAP-Nanosphären mit einem Durchmesser von 50 nm bis 70 nm, die mit einem Netzwerk von GNRs auf der Oberfläche bedeckt waren. Energiedispersive Spektren, Elementabbildung und Fourier-Transformations-Infrarotspektren (FTIR) bestätigten die erfolgreiche Integration von nHAP und GNRs in beide Nanohybride. Die thermogravimetrische Analyse (TGA) ergab, dass der Verlust bei erhöhten Heiztemperaturen aufgrund des Vorhandenseins von GNRs 0,5% bzw. 0,98% für GNR/nHAP bzw. nHAP/GNR betrug. Die nHAP-GNR-Nanohybride mit entgegengesetzten Orientierungen stellen wichtige Materialien für den Einsatz in bioaktiven Gerüsten dar, um möglicherweise zelluläre Funktionen zur Verbesserung von Knochengewebe-Engineering-Anwendungen zu fördern.
Graphen hat plattenartige zweidimensionale Strukturen, die aus sp-hybridisiertem Kohlenstoff bestehen. Mehrere andere Allotrope können dem ausgedehnten Wabennetzwerk von Graphen zugeschrieben werden (z. B. bildet das Stapeln von Graphenschichten 3D-Graphit, während das Abrollen desselben Materials zur Bildung von 1D-Nanoröhrchenführt 1). Ebenso werden 0D-Fullerene durch Umhüllung2 gebildet. Graphen hat attraktive physikalisch-chemische und optoelektronische Eigenschaften, zu denen ein ambipolarer Feldeffekt und ein Quanten-Hall-Effekt bei Raumtemperaturgehören 3,4. Der Nachweis von Einzelmolekül-Adsorptionsereignissen und eine extrem hohe Trägermobilität tragen zu den attraktiven Eigenschaften von Graphen 5,6 bei. Darüber hinaus gelten Graphen-Nanobänder (GNRs) mit schmalen Breiten und einem großen mittleren freien Weg, niedrigem spezifischen Widerstand mit hoher Stromdichte und hoher Elektronenbeweglichkeit als vielversprechende Verbindungsmaterialien7. Daher werden GNRs für Anwendungen in einer Vielzahl von Geräten und in jüngster Zeit in der Nanomedizin erforscht, insbesondere in der Gewebezüchtung und Arzneimittelabgabe8.
Unter verschiedenen traumatischen Beschwerden gelten Knochenverletzungen als eine der schwierigsten aufgrund von Schwierigkeiten bei der Stabilisierung der Fraktur, der Regeneration und dem Ersatz durch neuen Knochen, dem Widerstand gegen Infektionen und der Neuausrichtung von Knochennicht-Verbindungen 9,10. Chirurgische Eingriffe bleiben die einzige Alternative für Oberschenkelschaftfrakturen. Es sei darauf hingewiesen, dass in Mittelamerika und Europa jedes Jahr fast 52 Millionen US-Dollar für die Behandlung von Knochenverletzungen ausgegebenwerden 11.
Bioaktive Gerüste für Knochengewebe-Engineering-Anwendungen können durch die Integration von Nano-Hydroxylapatit (nHAP) effektiver sein, da sie den mikro- und nanoarchitektonischen Eigenschaften des Knochens selbst ähneln12. HAP, chemisch dargestellt als Ca 10(PO4)6(OH)2 mit einem Ca/P-Molverhältnis von 1,67, ist am meisten bevorzugt für biomedizinische Anwendungen, insbesondere für die Behandlung von Parodontaldefekten, die Substitution von Hartgewebe und die Herstellung von Implantaten für orthopädische Operationen13,14. Daher kann die Herstellung von nHAP-basierten Biomaterialien, die mit GNRs verstärkt sind, eine überlegene Biokompatibilität besitzen und aufgrund ihrer Fähigkeit, die Osseointegration zu fördern und osteokonduktiv zu sein, von Vorteil sein15,16. Solche hybriden Kompositgerüste können biologische Eigenschaften wie Zelladhärenz, Ausbreitung, Proliferation und Differenzierung erhalten17. Hierin berichten wir über die Herstellung von zwei neuen Nanokompositen für das Knochengewebe-Engineering, indem wir die räumliche Anordnung von nHAP und GNRs rational verändern, wie in Abbildung 1 dargestellt. Hier wurden die chemischen und strukturellen Eigenschaften der beiden unterschiedlichen nHAP-GNR-Anordnungen bewertet.
Obwohl verschiedene Metalle, Polymere, Keramiken und ihre Kombinationen als orthopädische Implantate und Fixationszubehör erforscht wurden, gilt HAP aufgrund seiner chemischen Ähnlichkeit mit dem Knochen selbst und der daraus resultierenden hohen Zytokompatibilität als eines der am meisten bevorzugten Materialien20,21,22. In dieser Studie wurde die Orientierung von HAP variiert, was einen signifikanten Einfluss auf seine ein…
The authors have nothing to disclose.
Dr. Sougata Ghosh dankt dem Department of Science and Technology (DST), dem Ministerium für Wissenschaft und Technologie, der indischen Regierung und dem Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research, Indien, für die Finanzierung im Rahmen des Post-Doctoral Overseas Fellowship in Nano Science and Technology (Ref. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 vom 19. August 2019). Dr. Sougata Ghosh dankt der Kasetsart University, Bangkok, Thailand, für ein Postdoktorandenstipendium und die Finanzierung im Rahmen des Reinventing University Program (Ref. Nr. 6501.0207/10870 vom 9. November 2021). Die Autoren danken der Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) für die Unterstützung bei den Charakterisierungsexperimenten. KANCF ist eine gemeinsame multidisziplinäre Forschungs- und Bildungseinrichtung innerhalb des Kostas Research Institute (KRI) an der Northeastern University.
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 |