JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioingegneria

Kemik Doku Mühendisliğinde Potansiyel Kullanım için Grafen-Hidroksiapatit Nanokompozitlerin Sentezi

Published: July 27, 2022
doi:
10.3791/63985
, , , ,
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

Grafen nanoşeritlerin ve hidroksiapatit nanopartiküllerinin yeni nanokompozitleri çözelti-faz sentezi kullanılarak hazırlandı. Bu melezler biyoaktif iskelelerde kullanıldığında doku mühendisliği ve kemik rejenerasyonunda potansiyel uygulamalar sergileyebilir.

Abstract

Kemik dokusu mühendisliği için yeni malzemeler geliştirmek, nanotıbbın en önemli itme alanlarından biridir. Hücre yapışmasını, çoğalmasını ve osteogenezini kolaylaştırmak için hidroksiapatit ile çeşitli nanokompozitler üretilmiştir. Bu çalışmada, hibrid nanokompozitler, biyoaktif iskelelerde kullanıldığında potansiyel olarak kemik dokusu rejenerasyonunu artırabilecek grafen nanoşeritler (GNR’ler) ve hidroksiapatit nanopartikülleri (nHAP’lar) kullanılarak başarıyla geliştirilmiştir. Bu nanoyapılar biyouyumlu olabilir. Burada roman materyallerinin hazırlanmasında iki yaklaşım kullanılmıştır. Bir yaklaşımda, nHAP’ın sentezlendiği ve aynı anda GNR’lere konjuge edildiği bir birlikte işlevselleştirme stratejisi kullanıldı, bu da GNR yüzeylerinde nHAP’ın nanohibritleriyle sonuçlandı (nHAP / GNR olarak belirtildi). Yüksek çözünürlüklü iletim elektron mikroskobu (HRTEM), nHAP / GNR kompozitinin, iğne benzeri nHAP’ın (40-50 nm uzunluğunda) ayrık yamaları (150-250 nm) ile GNR’lerin ince, ince yapılarından (maksimum uzunluk 1.8 μm) oluştuğunu doğruladı. Diğer yaklaşımda, ticari olarak temin edilebilen nHAP, GNR kaplı nHAP (GNR / nHAP olarak belirtilir) oluşturan GNR’lerle konjuge edildi (yani, nHAP / GNR nanohibritine göre zıt bir yönelimle). İkinci yöntem kullanılarak oluşturulan nanohibrit, yüzeyde bir GNR ağı ile kaplı 50 nm ila 70 nm arasında değişen bir çapa sahip nHAP nanosferleri sergiledi. Enerji dağıtıcı spektrumlar, elemental haritalama ve Fourier dönüşüm kızılötesi (FTIR) spektrumları, nHAP ve GNR’lerin her iki nanohibritte de başarılı entegrasyonunu doğruladı. Termogravimetrik analiz (TGA), GNR’lerin varlığından dolayı yüksek ısıtma sıcaklıklarındaki kaybın GNR / nHAP ve nHAP / GNR için sırasıyla% 0.5 ve% 0.98 olduğunu göstermiştir. Zıt yönelimlere sahip nHAP-GNR nanohibritleri, kemik dokusu mühendisliği uygulamalarını geliştirmek için hücresel fonksiyonları potansiyel olarak teşvik etmek için biyoaktif iskelelerde kullanılmak üzere önemli malzemeleri temsil eder.

Introduction

Grafen, sp-hibridize karbondan oluşan tabaka benzeri iki boyutlu yapılara sahiptir. Diğer bazı allotroplar, grafenin genişletilmiş petek ağına bağlanabilir (örneğin, grafen tabakalarının istiflenmesi, aynı malzemeyi yuvarlarken 3D grafit oluştururken, 1D nanotüplerin oluşumuna neden olur1). Aynı şekilde,2’nin sarılması nedeniyle 0D fullerenler oluşur. Grafen, ambipolar alan etkisi ve oda sıcaklığında kuantum Hall etkisi içeren çekici fizikokimyasal ve optoelektronik özelliklere sahiptir 3,4. Tek moleküllü adsorpsiyon olaylarının tespiti ve son derece yüksek taşıyıcı hareketliliği, grafen 5,6’nın çekici özelliklerine katkıda bulunur. Ayrıca, dar genişliklere ve büyük bir ortalama serbest yola, yüksek akım yoğunluğuna sahip düşük dirençliliğe ve yüksek elektron hareketliliğine sahip grafen nanoşeritler (GNR’ler), umut verici birbirine bağlanan malzemeler olarak kabul edilir7. Bu nedenle, GNR’ler sayısız cihazdaki uygulamalar için ve daha yakın zamanda nanotıpta, özellikle doku mühendisliğinde ve ilaç dağıtımındaaraştırılmaktadır 8.

Çeşitli travmatik rahatsızlıklar arasında, kemik yaralanmaları, kırığın stabilize edilmesi, rejenerasyon ve yeni kemikle replasman, enfeksiyona direnme ve birleşmeyen kemiğin yeniden hizalanması zorluklarından dolayı en zorlayıcılardan biri olarak kabul edilir 9,10. Femur mili kırıkları için cerrahi işlemler tek alternatif olmaya devam etmektedir. Orta Amerika ve Avrupa’daki kemik yaralanmalarının tedavisi için her yıl yaklaşık 52 milyon dolar harcandığı belirtilmelidir11.

Kemik dokusu mühendisliği uygulamaları için biyoaktif iskeleler, kemiğin kendisinin mikro ve nano mimari özelliklerine benzedikleri için nano-hidroksiapatit (nHAP) dahil edilerek daha etkili olabilir12. Kimyasal olarak 1.67 Ca/P molar oranı ile Ca10(PO4)6(OH)2 olarak temsil edilen HAP, biyomedikal uygulamalar için, özellikle periodontal defektlerin tedavisinde, sert dokuların ikame edilmesinde ve ortopedik ameliyatlar için implant üretiminde en çok tercih edilen13,14’tür. Bu nedenle, GNR’lerle güçlendirilmiş nHAP bazlı biyomalzemelerin üretimi üstün biyouyumluluğa sahip olabilir ve osseointegrasyonu teşvik etme ve osteoiletken olma yetenekleri nedeniyle avantajlı olabilir15,16. Bu tür hibrid kompozit iskeleler, hücre yapışması, yayılması, çoğalması ve farklılaşması gibi biyolojik özellikleri koruyabilir17. Burada, Şekil 1’de gösterildiği gibi nHAP ve GNR’lerin mekansal düzenlemesini rasyonel olarak değiştirerek kemik dokusu mühendisliği için iki yeni nanokompozitin üretimini sunuyoruz. Burada iki farklı nHAP-GNR düzenlemesinin kimyasal ve yapısal özellikleri değerlendirilmiştir.

Protocol

1. Yağış ile nHAP sentezi 1 M Ca(NO3)2∙4H 2 O ve 0.67 M (NH4) H 2PO 4içeren reaksiyon karışımının 50 mL’sini kullanarak bozulmamış nHAP’ı sentezleyin, ardından 1018 civarında bir pH elde etmek için NH4OH’nin (% 25) damla eklenmesiyle sentezleyin. Bundan sonra, reaksiyon karışımını 30 dakika (500 W güç ve 20 kHz ultrason frekansı) ultrason ışınlaması (UI) il…

Representative Results

HRTEM analiziBireysel olarak, GNR’ler, Şekil 2’de gözlemlendiği gibi belirli bir mesafede bazı kıvrımlara sahip ince bambu benzeri yapılardı. En uzun GNR 1.841 μm iken, en küçük bükülmüş GNR 497 nm idi. Nanoribbonlar genellikle birçok yerde sarmal konfigürasyonlar oluşturmak için bükülmeye atfedilebilecek genişlikte gözle görülür bir varyasyon gösterdi. GNR’lerin bu tür tek yönlü hizalaması, manyetik özellikler, iletkenlik veya ısı taş…

Discussion

Ortopedik implantlar ve fiksasyon aksesuarları olarak çeşitli metaller, polimerler, seramikler ve bunların kombinasyonları araştırılmasına rağmen, HAP, kemiğin kendisine kimyasal benzerliği ve bunun sonucunda yüksek sitouyumluluk20,21,22 nedeniyle en çok tercih edilen malzemelerden biri olarak kabul edilmektedir. Bu çalışmada, HAP’ın oryantasyonu, osteogenez, osseointegrasyon ve osteoiletkenliğin teşviki gibi…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dr. Sougata Ghosh, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı (DST), Bilim ve Teknoloji Bakanlığı, Hindistan Hükümeti ve Jawaharlal Nehru İleri Bilimsel Araştırma Merkezi, Hindistan’ı, Nano Bilim ve Teknolojide Doktora Sonrası Denizaşırı Bursu (19 Ağustos 2019 tarihli Ref. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260) kapsamında finansman için kabul etmektedir. Dr. Sougata Ghosh, Kasetsart Üniversitesi, Bangkok, Tayland’da Doktora Sonrası Bursu ve Reinventing University Programı kapsamında finansman için teşekkür etmektedir (9 Kasım 2021 tarihli Ref. No. 6501.0207/10870). Yazarlar, karakterizasyon deneylerindeki yardımları için Kostas Gelişmiş Nano-Karakterizasyon Tesisi’ne (KANCF) teşekkür eder. KANCF, Northeastern Üniversitesi’ndeki Kostas Araştırma Enstitüsü (KRI) bünyesinde paylaşılan çok disiplinli bir araştırma ve eğitim tesisidir.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  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., Liu, H., Shokuhfar, T., Ghosh, S. Nanobiomaterials for three- dimensional bioprinting. Nanotechnology in Medicine and Biology. , 1-24 (2021).
  34. 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).
  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

Keywords: Graphene-hydroxyapatite NanocompositesHydroxyapatite NanoparticlesGraphene NanoribbonsOne-pot SynthesisCofunctionalizationNanocomposite Fabrication
check_url/it/63985?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
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).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image