Syntes av grafen-hydroxiapatitnanokompositer för potentiell användning inom benvävnadsteknik
Summary
Nya nanokompositer av grafennanoribboner och hydroxiapatitnanopartiklar framställdes med användning av lösningsfassyntes. Dessa hybrider när de används i bioaktiva byggnadsställningar kan uppvisa potentiella tillämpningar inom vävnadsteknik och benregenerering.
Abstract
Att utveckla nya material för benvävnadsteknik är ett av de viktigaste områdena inom nanomedicin. Flera nanokompositer har tillverkats med hydroxiapatit för att underlätta cellföljsamhet, proliferation och osteogenes. I denna studie utvecklades hybridnanokompositer framgångsrikt med hjälp av grafennanoribboner (GNR) och nanopartiklar av hydroxiapatit (nHAPs), som när de används i bioaktiva byggnadsställningar potentiellt kan förbättra benvävnadsregenerering. Dessa nanostrukturer kan vara biokompatibla. Här användes två metoder för att förbereda det nya materialet. I ett tillvägagångssätt användes en kofunktionaliseringsstrategi där nHAP syntetiserades och konjugerades till GNR samtidigt, vilket resulterade i nanohybrider av nHAP på GNR-ytor (betecknat som nHAP / GNR). Högupplöst transmissionselektronmikroskopi (HRTEM) bekräftade att nHAP / GNR-kompositen består av smala, tunna strukturer av GNR (maximal längd på 1,8 μm) med diskreta fläckar (150-250 nm) av nålliknande nHAP (40-50 nm i längd). I det andra tillvägagångssättet konjugerades kommersiellt tillgängligt nHAP med GNR som bildade GNR-belagd nHAP (betecknad som GNR / nHAP) (dvs. med motsatt orientering i förhållande till nHAP / GNR-nanohybriden). Nanohybriden som bildades med den senare metoden uppvisade nHAP-nanosfärer med en diameter från 50 nm till 70 nm täckt med ett nätverk av GNR på ytan. Energidispersiva spektra, elementär kartläggning och Fouriertransform infraröda (FTIR) spektra bekräftade den framgångsrika integrationen av nHAP och GNR i båda nanohybriderna. Termogravimetrisk analys (TGA) indikerade att förlusten vid förhöjda uppvärmningstemperaturer på grund av närvaron av GNR var 0,5% respektive 0,98% för GNR / nHAP respektive nHAP / GNR. Nanohybriderna nHAP-GNR med motsatta inriktningar representerar betydande material för användning i bioaktiva byggnadsställningar för att potentiellt främja cellulära funktioner för att förbättra benvävnadstekniska applikationer.
Introduction
Grafen har arkliknande tvådimensionella strukturer som består av sp-hybridiserat kol. Flera andra allotroper kan hänföras till det utökade bikakenätverket av grafen (t.ex. stapling av grafenark bildar 3D-grafit medan rullning av samma material resulterar i bildandet av 1D-nanorör1). På samma sätt bildas 0D-fullerener på grund av inslagning2. Grafen har attraktiva fysikalisk-kemiska och optoelektroniska egenskaper som inkluderar en ambipolär fälteffekt och en kvant Hall-effekt vid rumstemperatur 3,4. Detektion av enmolekylära adsorptionshändelser och extremt hög bärarmobilitet bidrar till de attraktiva egenskaperna hos grafen 5,6. Vidare anses grafennanoribboner (GNR) med smala bredder och en stor medelfri väg, låg resistivitet med hög strömtäthet och hög elektronmobilitet vara lovande sammanlänkande material7. Därför undersöks GNR för applikationer i en myriad av enheter, och på senare tid inom nanomedicin, särskilt vävnadsteknik och läkemedelsleverans8.
Bland olika traumatiska sjukdomar anses benskador vara en av de mest utmanande på grund av svårigheter att stabilisera frakturen, regenerering och ersättning med nytt ben, motstå infektion och återanpassa benfri fackföreningar 9,10. Kirurgiska ingrepp är fortfarande det enda alternativet för lårbensfrakturer. Det bör noteras att nästan 52 miljoner dollar spenderas varje år på behandling av benskador i Centralamerika och Europa11.
Bioaktiva byggnadsställningar för benvävnadstekniska applikationer kan vara mer effektiva genom att införliva nano-hydroxiapatit (nHAP), eftersom de liknar mikro- och nanoarkitekturegenskaperna hos själva benet12. HAP, kemiskt representerat som Ca10(PO4)6(OH)2 med ett Ca/P molförhållande på 1,67, är det mest föredragna för biomedicinska tillämpningar, särskilt för behandling av parodontala defekter, substitution av hårda vävnader och tillverkning av implantat för ortopediska operationer13,14. Således kan tillverkningen av nHAP-baserade biomaterial förstärkta med GNR ha överlägsen biokompatibilitet och kan vara fördelaktig på grund av deras förmåga att främja osseointegration och vara osteoledande15,16. Sådana hybridkompositställningar kan bevara biologiska egenskaper såsom cellföljsamhet, spridning, spridning och differentiering17. Häri rapporterar vi tillverkningen av två nya nanokompositer för benvävnadsteknik genom att rationellt ändra det rumsliga arrangemanget av nHAP och GNR som illustreras i figur 1. De kemiska och strukturella egenskaperna hos de två olika nHAP-GNR-arrangemangen utvärderades här.
Protocol
Representative Results
Discussion
Även om olika metaller, polymerer, keramik och deras kombinationer har undersökts som ortopediska implantat och fixeringstillbehör, anses HAP vara ett av de mest föredragna materialen på grund av dess kemiska likhet med själva benet och därmed hög cytokompatibilitet 20,21,22. I denna studie varierades orienteringen av HAP, vilket kan ha en betydande inverkan på dess unika egenskaper, såsom främjande av osteogenes, oss…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dr Sougata Ghosh erkänner Institutionen för vetenskap och teknik (DST), ministeriet för vetenskap och teknik, Indiens regering och Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research, Indien för finansiering under postdoktoralt utländskt stipendium i nanovetenskap och teknik (Ref. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 daterad den 19 augusti 2019). Dr Sougata Ghosh erkänner Kasetsart University, Bangkok, Thailand för ett postdoktoralt stipendium och finansiering under Reinventing University Program (Ref. nr 6501.0207/10870 daterad den 9 november 2021). Författarna vill tacka Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) för hjälp med karakteriseringsexperimenten. KANCF är en gemensam tvärvetenskaplig forsknings- och utbildningsanläggning inom Kostas Research Institute (KRI) vid Northeastern University.
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).
