Síntesis de nanocompuestos de grafeno-hidroxiapatita para uso potencial en ingeniería de tejidos óseos
Summary
Se prepararon nuevos nanocompuestos de nanocintas de grafeno y nanopartículas de hidroxiapatita utilizando síntesis en fase de solución. Estos híbridos cuando se emplean en andamios bioactivos pueden exhibir aplicaciones potenciales en ingeniería de tejidos y regeneración ósea.
Abstract
El desarrollo de nuevos materiales para la ingeniería de tejidos óseos es una de las áreas de empuje más importantes de la nanomedicina. Varios nanocompuestos se han fabricado con hidroxiapatita para facilitar la adherencia celular, la proliferación y la osteogénesis. En este estudio, los nanocompuestos híbridos se desarrollaron con éxito utilizando nanocintas de grafeno (GNR) y nanopartículas de hidroxiapatita (nHAPs), que cuando se emplean en andamios bioactivos pueden mejorar potencialmente la regeneración del tejido óseo. Estas nanoestructuras pueden ser biocompatibles. Aquí, se utilizaron dos enfoques para preparar los nuevos materiales. En un enfoque, se utilizó una estrategia de cofuncionalización en la que nHAP se sintetizó y se conjugó a GNR simultáneamente, lo que resultó en nanohíbridos de nHAP en superficies GNR (denotadas como nHAP / GNR). La microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) confirmó que el compuesto nHAP/GNR está compuesto por estructuras delgadas y delgadas de GNR (longitud máxima de 1,8 μm) con parches discretos (150-250 nm) de nHAP similar a una aguja (40-50 nm de longitud). En el otro enfoque, el nHAP disponible comercialmente se conjugó con los GNR que formaban nHAP recubierto de GNR (denotado como GNR/nHAP) (es decir, con una orientación opuesta en relación con el nanohíbrido nHAP/GNR). El nanohíbrido formado utilizando este último método exhibió nanoesferas nHAP con un diámetro que va desde 50 nm a 70 nm cubiertas con una red de GNR en la superficie. Los espectros de dispersión de energía, el mapeo elemental y los espectros infrarrojos de la transformada de Fourier (FTIR) confirmaron la integración exitosa de nHAP y GNR en ambos nanohíbridos. El análisis termogravimétrico (TGA) indicó que la pérdida a temperaturas de calentamiento elevadas debido a la presencia de GNR fue de 0,5% y 0,98% para GNR/nHAP y nHAP/GNR, respectivamente. Los nanohíbridos nHAP-GNR con orientaciones opuestas representan materiales significativos para su uso en andamios bioactivos para promover potencialmente las funciones celulares para mejorar las aplicaciones de ingeniería de tejidos óseos.
Introduction
El grafeno tiene estructuras bidimensionales en forma de lámina compuestas de carbono hibridado sp. Varios otros alótropos se pueden atribuir a la red extendida de panal de grafeno (por ejemplo, el apilamiento de láminas de grafeno forma grafito 3D mientras que el despliegue del mismo material da como resultado la formación de nanotubos 1D1). Del mismo modo, los fullerenos 0D se forman debido a la envoltura2. El grafeno tiene atractivas propiedades fisicoquímicas y optoelectrónicas que incluyen un efecto de campo ambipolar y un efecto Hall cuántico a temperatura ambiente 3,4. La detección de eventos de adsorción de una sola molécula y la movilidad extremadamente alta del portador se suman a los atractivos atributos del grafeno 5,6. Además, las nanocintas de grafeno (GNR) con anchos estrechos y una gran trayectoria libre media, baja resistividad con una alta densidad de corriente y alta movilidad de electrones se consideran materiales de interconexión prometedores7. Por lo tanto, los GNR se están explorando para aplicaciones en una miríada de dispositivos, y más recientemente en nanomedicina, particularmente ingeniería de tejidos y administración de fármacos8.
Entre varias dolencias traumáticas, las lesiones óseas se consideran una de las más desafiantes debido a las dificultades para estabilizar la fractura, la regeneración y el reemplazo con hueso nuevo, la resistencia a la infección y la realineación de las no uniones óseas 9,10. Los procedimientos quirúrgicos siguen siendo la única alternativa para las fracturas del eje femoral. Cabe señalar que cada año se gastan casi $52 millones en el tratamiento de lesiones óseas en Centroamérica y Europa11.
Los andamios bioactivos para aplicaciones de ingeniería de tejidos óseos pueden ser más efectivos al incorporar nano-hidroxiapatita (nHAP), ya que se asemejan a las propiedades micro y nano arquitectónicas del hueso en sí12. HAP, representado químicamente como Ca10(PO4)6(OH)2 con una relación molar Ca/P de 1,67, es el más preferido para aplicaciones biomédicas, particularmente para el tratamiento de defectos periodontales, la sustitución de tejidos duros y la fabricación de implantes para cirugías ortopédicas13,14. Así, la fabricación de biomateriales basados en nHAP reforzados con GNRs puede poseer una biocompatibilidad superior y puede ser ventajosa debido a su capacidad para promover la osteointegración y serosteoconductores 15,16. Tales andamios compuestos híbridos pueden preservar propiedades biológicas como la adherencia celular, la propagación, la proliferación y la diferenciación17. Aquí, informamos la fabricación de dos nuevos nanocompuestos para la ingeniería de tejidos óseos mediante la alteración racional de la disposición espacial de nHAP y GNR como se ilustra en la Figura 1. Aquí se evaluaron las propiedades químicas y estructurales de los dos arreglos nHAP-GNR diferentes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aunque se han investigado diversos metales, polímeros, cerámicas y sus combinaciones como implantes ortopédicos y accesorios de fijación, el HAP se considera uno de los materiales más preferibles debido a su similitud química con el propio hueso y la consiguiente alta citocompatibilidad 20,21,22. En este estudio, la orientación de HAP fue variada, lo que puede tener un impacto significativo en sus propiedades únicas, com…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
El Dr. Sougata Ghosh reconoce al Departamento de Ciencia y Tecnología (DST), Ministerio de Ciencia y Tecnología, Gobierno de la India y al Centro Jawaharlal Nehru para la Investigación Científica Avanzada, India, por su financiación en el marco de la Beca Postdoctoral en el Extranjero en Nano Ciencia y Tecnología (Ref. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 con fecha 19 de agosto de 2019). El Dr. Sougata Ghosh reconoce a la Universidad de Kasetsart, Bangkok, Tailandia para una beca postdoctoral y financiación bajo el Programa Reinventando la Universidad (Ref. No. 6501.0207/10870 de fecha 9 de noviembre de 2021). Los autores desean agradecer a la Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) por su ayuda con los experimentos de caracterización. KANCF es una instalación multidisciplinaria compartida de investigación y educación dentro del Instituto de Investigación Kostas (KRI) en la Universidad Northeastern.
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 |
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