Graphene Maling til biomedicinske implantater
Summary
Graphene giver potentiale som et coatingmateriale til biomedicinske implantater. I denne undersøgelse har vi demonstrere en metode til belægning af nitinol legeringer med nanometer tykke lag af graphene og bestemme, hvordan graphene kan påvirke implantatet respons.
Abstract
Atomically glat graphene som en overfladebelægning har potentiale til at forbedre implantat egenskaber. Dette viser en fremgangsmåde til belægning af nitinol legeringer med nanometer tykke lag af graphene til anvendelse som en stent materiale. Graphene blev dyrket på kobber substrater via kemisk dampafsætning og derefter overført til nitinol substrater. For at forstå, hvordan graphene coating kunne ændre biologisk respons blev cellelevedygtighed af rotte-aorta-endothelceller og rotte aorta glatmuskelceller undersøgt. Desuden blev virkningen af graphene-overtræk på celleadhæsion og morfologi undersøgt med fluorescerende konfokal mikroskopi. Celler blev farvet for actin og kerner, og der var tydelige forskelle mellem uberørte nitinol prøver sammenlignet med graphene-coatede prøver. I alt actin ekspression fra rotte aorta glatmuskelceller blev fundet ved hjælp af western blot. Proteinadsorption karakteristika, en indikator for potentiel thrombogenicitet, were bestemt for serum albumin og fibrinogen med gelelektroforese. Desuden blev overførsel af ladning fra fibrinogen til substratet udledt ved hjælp af Raman-spektroskopi. Det konstateredes, at graphene belægning på nitinol substrater opfyldt de funktionelle krav til en stent materiale og forbedret biologiske respons sammenlignet med uovertrukne nitinol. Således graphene-belagt nitinol er en mulig kandidat til en stent materiale.
Introduction
De seneste tre årtier har været vidne til opdagelsen af nye materialer-baserede terapier og indretninger til sygdomsbehandlinger og diagnostik. Nye legering materialer såsom nitinol (NiTi) og rustfrit stål anvendes ofte i biomedicinsk implantat fremstilling på grund af deres overlegne mekaniske egenskaber. 1-3 imidlertid talrige udfordringer på grund af eksogent materiale cytotoksicitet, bio-og hæmo-kompatibilitet. Den metalliske natur af disse legeringer resulterer i dårlig bio-og hemocompatibility grund metal udvaskning, mangel på celleadhæsion, proliferation og thrombose, når det kommer i kontakt med strømmende blod (såsom katetre, blodkartransplantater, vaskulære stents, kunstige hjerteklapper etc.). 1, 4, 5 Interaktionen af proteiner eller levende celler med implantatoverfladen kan føre til en kraftig immunologisk reaktion og den efterfølgende kaskade af biokemiske reaktioner kan påvirke enhedens funktionalitet. Derfor er det pertinent for at opnå kontrol over samspillet mellem biomedicinske implantater og dens omgivende biologisk miljø. Overflademodifikation anvendes ofte til at reducere eller forebygge de negative fysiologiske respons hidrørende fra implantatmaterialet. En ideel overfladebelægning forventes at have høj adhæsionsstyrke, kemisk stabilitet, høj glathed, og god hæmo-og bioforligelighed. Tidligere har mange materialer, herunder diamant-lignende carbon (DLC), SiC, TiN, TiO 2 og mange polymermaterialer blevet testet som bio-kompatible implantater overfladebelægninger. 1, 6-23 Men disse materialer er stadig ikke i stand til at opfylde alle de funktionelle kriterier for en egnet implantat overfladebelægning.
Opdagelsen af atom tykt lag af sp 2 kulstof, kendt som graphene, har åbnet dørene for udvikling af nye multifunktionelle materialer. Graphene forventes at være en ideel kandidat til implantat overfladebelægning, da deter kemisk inert, atomically glat og meget holdbar. I dette brev undersøger vi levedygtigheden af graphene som en overfladebelægning til biomedicinske implantater. Vore undersøgelser viser, at graphene overtrukne nitinol (Gr-NiTi) opfylder alle de funktionelle kriterier, og yderligere støtter fremragende glat muskulatur og endotelcellevækst fører til bedre celleproliferation. Vi finder endvidere den serumalbumin adsorption på Gr-NiTi er højere end fibrinogen. Vigtigt er, (i) vore detaljerede spektroskopiske målinger bekræftede manglen på ladningsoverførsel mellem graphene og fibrinogen antyder, at graphene coating inhiberer blodpladeaktivering af implantater, (ii) graphene overtræk udviser ikke nogen signifikant in vitro-toksicitet af endothel-og glatte muskelceller cellelinier bekræfter deres biokompatibilitet, og (iii) graphene belægninger er kemisk inerte, hårde og vandtætte i strømmende blod miljø. Disse hæmo-og biokompatible egenskaber samt høj strength, kemisk stabilitet og holdbarhed, gør graphene belægninger som en ideel overfladebelægning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Biokompatibilitet og cytotoksicitet: The kemisk dampudfældning (CVD) metode gav polykrystallinske graphene prøver at efterlignede Cu krystalkorn som vist i figur 1a. Vi anvendte Raman spektroskopi for at bekræfte tilstedeværelsen af monolaget (få lag) graphene på 1 sccm (4 sccm) prøver (se figur 1b). Det er klart, 1 SCCM (4 sccm) prøver udviser intens (relativt svagere) G 'band indikerer monolag (få lag) graphene. 1c viser en atomic force mikroskop…
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).
