Biyomedikal implantlar için Grafen Kaplamalar
Summary
Grafen biyomedikal implantlar için kaplama malzemesi olarak potansiyel sunmaktadır. Biz bu çalışmada grafen nanometre kalınlığında tabakalar ile kaplama nitinol alaşımları için bir yöntem göstermek ve grafen implant yanıtı etkilememektedir nasıl belirler.
Abstract
Bir yüzey kaplama olarak atomik olarak pürüzsüz grafen implant özelliklerini geliştirmek için bir potansiyele sahiptir. Bu malzeme, bir stent gibi uygulamalar için grafen nanometre kalınlığındaki tabakalar ile kaplama nitinol alaşımlar için bir yöntemi gösterir. Grafen kimyasal buhar biriktirme yoluyla bakır yüzeylerde yetiştirilen ve sonra nitinol yüzeylere transfer edildi. Grafen kaplama biyolojik yanıt nasıl değiştirebileceğini anlamak için, sıçan aort endotel hücreleri ve sıçan aorta düz kas hücrelerinin hücre canlılığı araştırıldı. Ayrıca, hücre adezyon ve morfolojisi üzerine grafen-kaplamaların etkisi floresan konfokal mikroskobu ile incelendi. Hücreler aktin ve çekirdekler için lekeli ve grafen kaplı numuneler karşılaştırıldığında bozulmamış nitinol örnekler arasında belirgin farklılıklar vardı. Sıçan aorta düz kas hücrelerinden Toplam aktin ekspresyonu western blot kullanılarak bulunmuştur. Protein adsorpsiyon karakteristikleri, potansiyel trombojenitesine için bir gösterge, were jel elektroforezi ile serum albümin ve fibrinojen için belirlenir. Ayrıca, fibrinojen dan substrat yük devri Raman spektroskopisi kullanılarak sonucuna varıldı. Bu, nitinol yüzeyler üzerinde grafen kaplama bir stent malzeme için işlevsel şartları yerine ve kaplanmamış nitinol nazaran biyolojik tepki gelişmiş olduğu bulunmuştur. Böylece, grafen-kaplamalı nitinol stent malzeme için uygun bir adaydır.
Introduction
Son üç yılda yeni malzemeler temelli tedaviler ve hastalığın tedavi ve teşhis için cihazların keşif tanık olduk. Bu tür nitinol (NiTi) ve paslanmaz çelik gibi yeni alaşımlı malzemeler genellikle üstün mekanik özellikleri nedeniyle biyomedikal implant imalatında kullanılır. 1-3 Ancak, çeşitli zorluklar ekzojen malzeme sitotoksisiteye bağlı kalır, ve biyo-hemo uyumluluğu. Bu alaşımların sonuç metalik doğa zayıf biyo-ve metal liç, hücre adezyon eksikliği, proliferasyon ve tromboz bu akan kan (örneğin kateter, kan damarı, vasküler stentler, yapay kalp kapakçıkları gibi temas nedeniyle hemokompatibilite vb.). 1, 4, 5 ya da proteinler implant yüzey ile canlı hücre etkileşim olumsuz cihaz işlevselliği etkileyebilir, güçlü bir bağışıklık tepkisi ve biyokimyasal reaksiyonların ardından gelen çağlayan yol açabilir. Bu nedenle, bir pertinbiyomedikal implantlar ve çevresindeki biyolojik çevre arasındaki etkileşimler üzerinde kontrol elde etmek için ent. Yüzey modifikasyonu sık sık implant kaynaklanan istenmeyen fizyolojik tepki azaltmak veya önlemek için kullanılır. İdeal bir yüzey kaplama, yüksek yapışma gücü, kimyasal olarak inert, yüksek pürüzsüzlük ve iyi hemo-ve biyouyumluluk sahip olması bekleniyor. Daha önce, elmas benzeri karbon (DLC), SiC, TiN, TiO 2 ve birçok polimer malzemeler de dahil olmak üzere çok sayıda malzeme biyo-uyumlu implant yüzey kaplama olarak sınanmıştır. 1, 6-23 Ancak, bu malzemelerin hala tüm karşılamak mümkün değildir Uygun bir implant yüzey kaplaması için işlevsel kriterleri.
Grafen olarak bilinen sp 2 karbon, atomu üzerinden tabaka kalınlığında bir buluş yeni fonksiyonlu malzemelerin geliştirilmesi için açılmıştır. Grafen o zamandan beri implant yüzey kaplaması için ideal bir aday olması beklenmektedir, kimyasal olarak inert atomik olarak pürüzsüz ve son derece dayanıklıdır. Bu mektupta, biz biyomedikal implantlar için bir yüzey kaplama olarak grafen canlılığı araştırıyoruz. Çalışmalarımız grafen kaplamalı nitinol (Gr-NiTi) fonksiyonel kriterlerine tamamen uygun olduğunu göstermek ve ayrıca mükemmel düz kas ve daha iyi hücre çoğalması yol açan endotelyal hücre büyümesini destekler. Biz de Gr-NiTi üzerindeki serum albümin adsorpsiyon fibrinojen daha yüksek olduğunu bulmak. Önemlisi, (i) bizim spektroskopik (ii) grafen kaplamalar doğrulayan endotelyal ve düz kas hücre hatları için in vitro toksisite açısından anlamlı bir sergi yok, implantlar tarafından trombosit aktivasyonu inhibe ettiğini grafen kaplama düşündüren grafen ve fibrinojen arasındaki yük transferi eksikliği doğruladı biyouyumlu, ve (iii) grafen kaplamaların kimyasal olarak inert, sağlam ve çevre kan akışı içinde sızdırmaz bulunmaktadır. Yüksek st birlikte bu hemo-ve biyouyumlu özellikleri,rength, kimyasal olarak inert ve dayanıklılık, ideal bir yüzey kaplaması olarak grafen kaplamalar kılıyor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Biyouyumluluk ve sitotoksisite: kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemi Şekil 1a gösterildiği Cu kristal taneleri, taklit polikristal grafen örnekleri vermiştir. Biz 1 sccm (4 sccm) örnekleri (Şekil 1b bakınız) tek tabaka (birkaç katmanı) grafen varlığını doğrulamak için Raman spektroskopisi kullanılmıştır. Açıkçası, 1 sccm (4 sccm) örnekleri monolayer göstergesidir yoğun (nispeten daha zayıf) G 'bant (birkaç tabaka) grafen sergilerler. <stron…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Materials
| Reagent | |||
| Dulbecco’s Modified Eagle Medium | ATCC | 30-2002 | |
| Thiazolyl blue tetrazolium bromide | Sigma-Aldrich | M2128 | |
| CellTiter 96 Aqueous One solution cell proliferation assay (MTS) | Promega | G3582 | |
| Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | D8418 | |
| 36.5% formaldehyde | Sigma-Aldrich | F8775 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | |
| Alexafluor 488 phalloidin | Life Technologies | A12379 | |
| VECTASHIELD mounting medium with DAPI | Vector Laboratories | H-1200 | |
| Human serum albumin | Sigma-Aldrich | A9511 | |
| Human fibrinogen | |||
| Tris/Glycine/SDS | Bio-Rad | 161-0732 | |
| Ready Gel Tris-HCl Gel | Bio-Rad | 161-1158 | |
| Acetic acid | Sigma-Aldrich | 45726 | |
| SYPRO Red | Life Technologies | S-6653 | |
| Protein low BCA assay | Lamda Biotech | G1003 | |
| Precision Plus Protein Kaleidoscope Standard | Bio-Rad | 161-0375 | |
| Immun-Blot PVDF membrane | Bio-Rad | 162-0177 | |
| Blotting grade blocker non-fat dry milk | Bio-Rad | 170-6404XTU | |
| Anti-actin antibody produced in rabbit | Sigma-Aldrich | A2066 | |
| BM Chemiluminescence Western Blotting kit (mouse/rabbit) | Roche Applied Science | 11520709001 | |
| RIPA buffer | Sigma-Aldrich | R0278 | |
| NiTi (51% Ni, 49% Ti) | Alfa-Aesar | 44953 | |
| Equipment | |||
| Horiba JobinYvon | Raman spectrometer | Dilor XY 98 | |
| Nikon | Confocal microscope | Eclipse TI microscope | |
| Thermoscientific | Plate reader | ||
| Bio-Rad | Power supply | 164-5050 | PowerPac basic power supply |
| Bio-Rad | Electrophoresis cell | 165-8004 | Mini-PROTEAN tetra cell |
| Bio-Rad | Gel holder cassette | 170-3931 | Mini gel holder cassette |
References
- Roy, R. K., Lee, K. -. R. Biomedical applications of diamond-like carbon coatings: A review. Journal of Biomedical Materials Research Part B-Applied Biomaterials. 83 B (1), 72-84 (2007).
- Shah, A. K., Sinha, R. K., Hickok, N. J., Tuan, R. S. High-resolution morphometric analysis of human osteoblastic cell adhesion on clinically relevant orthopedic alloys. Bone. 24 (5), 499-506 (1999).
- Huang, N., Yang, P., Leng, Y. X., Chen, J. Y., Sun, H., Wang, J., Wang, G. J., Ding, P. D., Xi, T. F., Leng, Y. Hemocompatibility of titanium oxide films. Biomaterials. 24 (13), 2177-2187 (2003).
- Gutensohn, K., Beythien, C., Bau, J., Fenner, T., Grewe, P., Koester, R., Padmanaban, K., Kuehnl, P. In vitro analyses of diamond-like carbon coated stents: Reduction of metal ion release, platelet activation, and thrombogenicity. Thrombosis Research. 99 (6), 577-585 (2000).
- Gillespie, W. J., Frampton, C. M. A., Henderson, R. J., Ryan, P. M. The Incidence of Cancer Following Total Hip-Replacement. Journal of Bone and Joint Surgery-British Volume. 70 (4), 539-542 (1988).
- Sperling, C., Schweiss, R. B., Streller, U., Werner, C. In vitro hemocompatibility of self-assembled monolayers displaying various functional groups. Biomaterials. 26 (33), 6547-6557 (2005).
- Mikhalovska, L. I., Santin, M., Denyer, S. P., Lloyd, A. W., Teer, D. G., Field, S., Mikhalovsky, S. Fibrinogen adsorption and platelet adhesion to metal and carbon coatings. Thrombosis and Haemostasis. 92 (5), 1032-1039 (2004).
- Airoldi, F., Colombo, A., Tavano, D., Stankovic, G., Klugmann, S., Paolillo, V., Bonizzoni, E., Briguori, C., Carlino, M., Montorfano, M., Liistro, F., Castelli, A., Ferrari, A., Sgura, F., Mario, C. D. i. Comparison of diamond-like carbon-coated stents versus uncoated stainless steel stents in coronary artery disease. American Journal of Cardiology. 93 (4), 474-477 (2004).
- Allen, M., Myer, B., Rushton, N. In vitro and in vivo investigations into the biocompatibility of diamond-like carbon (DLC) coatings for orthopedic applications. Journal of Biomedical Materials Research. 58 (3), 319-328 (2001).
- Butter, R., Allen, M., Chandra, L., Lettington, A. H., Rushton, N. . In-vitro Studies of DLC Coatings with Silicon Intermediate Layer. Diamond and Related Materials. 4 (5-6), 857-861 (1995).
- Dearnaley, G., Arps, J. H. Biomedical applications of diamond-like carbon (DLC) coatings: A review. Surface & Coatings Technology. 200 (7), 2518-2524 (2005).
- Dorner-Reisel, A., Schurer, C., Nischan, C., Seidel, O., Muller, E. Diamond-like carbon: alteration of the biological acceptance due to Ca-O incorporation. Thin Solid Films. 420, 263-268 (2002).
- Dowling, D. P., Kola, P. V., Donnelly, K., Kelly, T. C., Brumitt, K., Lloyd, L., Eloy, R., Therin, M., Weill, N. Evaluation of diamond-like carbon-coated orthopaedic implants. Diamond and Related Materials. 6 (2-4), 390-393 (1997).
- Grill, A. Diamond-like carbon coatings as biocompatible materials – an overview. Diamond and Related Materials. 12 (2), 166-170 (2003).
- Hauert, R. A review of modified DLC coatings for biological applications. Diamond and Related Materials. 12 (3-7), 583-589 (2003).
- Windecker, S., Mayer, I., De Pasquale, G., Maier, W., Dirsch, O., De Groot, P., Wu, Y. P., Noll, G., Leskosek, B., Meier, B., Hess, O. M. Working Grp Novel Surface, C., Stent coating with titanium-nitride-oxide for reduction of neointimal hyperplasia. Circulation. 104 (8), 928-933 (2001).
- Zhang, F., Zheng, Z. H., Chen, Y., Liu, X. G., Chen, A. Q., Jiang, Z. B. In vivo investigation of blood compatibility of titanium oxide films. Journal of Biomedical Materials Research. 42 (1), 128-133 (1998).
- Bolz, A., Schaldach, M. Artificial-Heart Valves – Improved Blood Compatibility By PECVD a-SiC-H COATING. Artificial Organs. 14 (4), 260-269 (1990).
- Haude, M., Konorza, T. F. M., Kalnins, U., Erglis, A., Saunamaki, K., Glogar, H. D., Grube, E., Gil, R., Serra, A., Richardt, H. G., Sick, P., Erbel, R., Invest, C. T. Heparin-coated stent placement for the treatment of stenoses in small coronary arteries of symptomatic patients. Circulation. 107 (9), 1265-1270 (2003).
- Suggs, L. J., Shive, M. S., Garcia, C. A., Anderson, J. M., Mikos, A. G. In vitro cytotoxicity and in vivo biocompatibility of poly(propylene fumarate-co-ethylene glycol) hydrogels. Journal of Biomedical Materials Research. 46 (1), 22-32 (1999).
- Clarotti, G., Schue, F., Sledz, J., Benaoumar, A. A., Geckeler, K. E., Orsetti, A., Paleirac, G. Modification of the biocompatible and haemocompatible properties of polymer substrates by plasma-deposited fluorocarbon coatings. Biomaterials. 13 (12), 832-840 (1992).
- Gombotz, W. R., Guanghui, W., Horbett, T. A., Hoffman, A. S. Protein adsorption to poly(ethylene oxide) surfaces. Journal of Biomedical Materials Research. 25 (12), 1547-1562 (1991).
- Ishihara, K., Fukumoto, K., Iwasaki, Y., Nakabayashi, N. Modification of polysulfone with phospholipid polymer for improvement of the blood compatibility. Part 2. Protein adsorption and platelet adhesion. Biomaterials. 20 (17), 1553-1559 (1999).
- Jung, N., Kim, B., Crowther, A. C., Kim, N., Nuckolls, C., Brus, L. Optical Reflectivity and Raman Scattering in Few-Layer-Thick Graphene Highly Doped by K and Rb. ACS Nano. 5 (7), 5708-5716 (2011).
- Rao, A. M., Eklund, P. C., Bandow, S., Thess, A., Smalley, R. E. Evidence for charge transfer in doped carbon nanotube bundles from Raman scattering. Nature. 388 (6639), 257-259 (1997).
- Bunch, J. S., Verbridge, S. S., Alden, J. S., vander Zande, A. M., Parpia, J. M., Craighead, H. G., McEuen, P. L. Impermeable atomic membranes from graphene sheets. Nano Letters. 8 (8), 2458-2462 (2008).
- Chen, S., Brown, L., Levendorf, M., Cai, W., Ju, S. -. Y., Edgeworth, J., Li, X., Magnuson, C. W., Velamakanni, A., Piner, R. D., Kang, J., Park, J., Ruoff, R. S. Oxidation Resistance of Graphene-Coated Cu and Cu/Ni Alloy. Acs Nano. 5 (2), 1321-1327 (2011).
