Graphene Belegg for Biomedical Implantater
Summary
Graphene gir potensiale som et beleggmateriale for biomedisinske implantater. I denne studien viser vi en metode for belegg Nitinol legeringer med nanometer tykke lag av graphene og bestemme hvordan graphene kan påvirke implantat respons.
Abstract
Atomically glatt graphene som et overflatebelegg har potensial til å forbedre implantat egenskaper. Dette demonstrerer en fremgangsmåte for belegging av Nitinol legeringer med nanometer tykt lag av graphene for applikasjoner som en stent materiale. Graphene ble dyrket på kobber underlag via kjemiske damp avsetning og deretter overført til Nitinol underlag. For å forstå hvordan graphene belegget kunne endre biologisk respons, ble cellelevedyktighet rotte aorta endotelceller og rotte aorta glatte muskelceller undersøkt. Videre ble effekten av graphene-beleggene på celleadhesjon og morfologi undersøkt med fluorescerende konfokalmikroskopi. Celler ble farget for aktin og atomkjerner, og det var merkbare forskjeller mellom uberørte Nitinol prøver sammenlignet med graphene-belagte prøver. Total aktin uttrykk fra rotte aorta glatte muskelceller ble funnet ved hjelp av Western blot. Protein adsorpsjon egenskaper, en indikator for potensielle thrombogenicity, wERE fastsettes for serumalbumin og fibrinogen med gelelektroforese. Videre ble overføring av belastning fra fibrinogen til substrat utledet med Raman spektroskopi. Det ble funnet at graphene belegg på Nitinol substrater møtte de funksjonelle krav til en stent materiale og forbedret biologisk respons sammenlignet ubelagte Nitinol. Dermed er graphene-belagt Nitinol en levedyktig kandidat for en stent materiale.
Introduction
De siste tre tiårene har vært vitne oppdagelsen av nye materialer-baserte terapier og utstyr for sykdom behandlinger og diagnostikk. Nye legering materialer som Nitinol (NiTi) og rustfritt stål er ofte brukt i biomedisinsk implantat produksjon på grunn av sin overlegne mekaniske egenskaper. 1-3 Men mange utfordringer gjenstår på grunn eksogen materiale cytotoksisitet, bio-og hemo-kompatibilitet. Den metalliske natur av disse legeringer resulterer i dårlig bio-og hemocompatibility grunnet metall utvasking, mangel av celleadhesjon, spredning, og trombose når det kommer i kontakt med strømmende blod (slik som katetere, blodkar grafts, vaskulære stenter, kunstige hjerteklaffer el.). 1, 4, 5 Samspillet proteiner eller levende celler med implantatet overflate kan føre til en sterk immunologisk respons og den påfølgende kaskade av biokjemiske reaksjoner kan påvirke enhetens funksjonalitet. Derfor er det pertinent for å oppnå kontroll over samspillet mellom biomedisinske implantater og dens omkringliggende biologiske miljø. Overflatemodifisering blir ofte brukt til å redusere eller hindre uønskede fysiologiske responsen stammer fra implantatmaterialet. En ideell overflatebelegg er forventet å ha høy vedheft styrke, kjemisk inertness, høy jevnhet og god hemo-og biokompatibilitet. Tidligere har en rekke materialer, inkludert diamant-lignende karbon (DLC), SiC, TiN, TiO 2 og mange polymermaterialer blitt testet som bio-kompatible implantat overflatebehandlinger. 1, 6-23 Men disse materialene er fortsatt i stand til å møte alle de funksjonelle kriterier for et egnet implantat overflatebelegg.
Oppdagelsen av atom tykke lag av sp 2 karbon, kjent som graphene, har åpnet dører for utvikling av nye multifunksjonelle materialer. Graphene er forventet å være en ideell kandidat for implantat overflatebelegg siden deter kjemisk inert, atomically jevn og meget slitesterk. I dette brevet, undersøker vi levedyktigheten til graphene som en overflate belegg for biomedisinsk implantater. Våre studier viser at graphene belagt Nitinol (Gr-NiTi) oppfyller alle funksjonelle kriterier, og i tillegg støtter utmerket glatt muskulatur og endotelcelle vekst fører til bedre celleproliferasjon. Vi finner også at serum albumin adsorpsjon på Gr-NiTi er høyere enn fibrinogen. Viktigere, (i) våre detaljerte spektroskopiske målinger bekreftet mangelen omkostninger overføring mellom graphene og fibrinogen tyder at graphene belegg hemmer plateaktivering av implantater, (ii) graphene belegg ikke oppviser noen betydelig in vitro giftighet for endotelceller og glatte muskel cellelinjer bekrefter deres biokompatibilitet, og (iii) graphene belegg er kjemisk inert, holdbare og ugjennomtrengelig i strømmende blod miljø. Disse hemo-og biokompatible egenskapene, sammen med høy strength, kjemisk inertness og holdbarhet, gjør graphene belegg som en ideell overflate belegg.
Protocol
Representative Results
Discussion
Biokompatibilitet og cytotoksisitet: Den kjemiske dampavsetning (CVD)-metoden ga polykrystallinske graphene prøver som etterlignet Cu krystall korn, som vist i Figur 1a. Vi ansatt Raman spektroskopi for å bekrefte tilstedeværelse av monolayer (noen lag) graphene på en SCCM (4 SCCM) prøver (se Figur 1b). Tydelig, en SCCM (4 SCCM) prøver viser intense (relativt svakere) G 'bandet indikerer monolayer (noen lag) graphene. Figur 1c viser en atomic force mi…
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).
