De nouveaux nanocomposites de nanorubans de graphène et de nanoparticules d’hydroxyapatite ont été préparés par synthèse en phase solution. Ces hybrides, lorsqu’ils sont utilisés dans des échafaudages bioactifs, peuvent présenter des applications potentielles dans l’ingénierie tissulaire et la régénération osseuse.
Le développement de nouveaux matériaux pour l’ingénierie des tissus osseux est l’un des domaines d’intérêt les plus importants de la nanomédecine. Plusieurs nanocomposites ont été fabriqués avec de l’hydroxyapatite pour faciliter l’adhésion cellulaire, la prolifération et l’ostéogenèse. Dans cette étude, des nanocomposites hybrides ont été développés avec succès en utilisant des nanorubans de graphène (GNR) et des nanoparticules d’hydroxyapatite (nHAPs), qui, lorsqu’ils sont utilisés dans des échafaudages bioactifs, peuvent potentiellement améliorer la régénération du tissu osseux. Ces nanostructures peuvent être biocompatibles. Ici, deux approches ont été utilisées pour préparer les nouveaux matériaux. Dans une approche, une stratégie de co-fonctionnalisation a été utilisée où le nHAP a été synthétisé et conjugué aux GNR simultanément, ce qui a donné des nanohybrides de nHAP sur les surfaces GNR (notées nHAP / GNR). La microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) a confirmé que le composite nHAP/GNR est composé de structures minces et minces de GNR (longueur maximale de 1,8 μm) avec des patchs discrets (150-250 nm) de nHAP en forme d’aiguille (40-50 nm de longueur). Dans l’autre approche, le nHAP disponible dans le commerce a été conjugué avec des GNR formant du nHAP revêtu de GNR (noté GNR /nHAP) (c’est-à-dire avec une orientation opposée par rapport au nanohybride nHAP / GNR). Le nanohybride formé à l’aide de cette dernière méthode a présenté des nanosphères nHAP d’un diamètre allant de 50 nm à 70 nm recouvertes d’un réseau de GNR à la surface. Les spectres de dispersion d’énergie, la cartographie élémentaire et les spectres infrarouges à transformée de Fourier (FTIR) ont confirmé l’intégration réussie des nHAP et des GNR dans les deux nanohybrides. L’analyse thermogravimétrique (TGA) a indiqué que la perte à des températures de chauffage élevées due à la présence de GNR était de 0,5 % et 0,98 % pour le GNR/nHAP et le nHAP/GNR, respectivement. Les nanohybrides nHAP-GNR avec des orientations opposées représentent des matériaux importants pour une utilisation dans les échafaudages bioactifs afin de promouvoir potentiellement les fonctions cellulaires pour améliorer les applications d’ingénierie des tissus osseux.
Le graphène a des structures bidimensionnelles en forme de feuille composées de carbone sp-hybridé. Plusieurs autres allotropes peuvent être attribués au réseau étendu de graphène en nid d’abeille (par exemple, l’empilement de feuilles de graphène forme du graphite 3D tout en roulant le même matériau entraîne la formation de nanotubes 1D1). De même, les fullerènes 0D sont formés en raison de l’emballage2. Le graphène a des propriétés physico-chimiques et optoélectroniques attrayantes qui comprennent un effet de champ ambipolaire et un effet Hall quantique à température ambiante 3,4. La détection d’événements d’adsorption monomoléculaire et la mobilité extrêmement élevée des porteurs ajoutent aux attributs attrayants du graphène 5,6. En outre, les nanorubans de graphène (GNR) avec des largeurs étroites et un grand chemin libre moyen, une faible résistivité avec une densité de courant élevée et une mobilité élevée des électrons sont considérés comme des matériaux d’interconnexion prometteurs7. Par conséquent, les GNR sont explorés pour des applications dans une myriade de dispositifs, et plus récemment dans la nanomédecine, en particulier l’ingénierie tissulaire et l’administration demédicaments 8.
Parmi les diverses affections traumatiques, les lésions osseuses sont considérées comme l’une des plus difficiles en raison des difficultés à stabiliser la fracture, à se régénérer et à la remplacer par un nouvel os, à résister à l’infection et à réaligner les non-unions osseuses 9,10. Les interventions chirurgicales restent la seule alternative pour les fractures de l’arbre fémoral. Il convient de noter que près de 52 millions de dollars sont dépensés chaque année pour traiter les lésions osseuses en Amérique centrale et en Europe11.
Les échafaudages bioactifs pour les applications d’ingénierie des tissus osseux peuvent être plus efficaces en incorporant de la nano-hydroxyapatite (nHAP), car ils ressemblent aux propriétés micro et nano architecturales de l’os lui-même12. HaP, représenté chimiquement comme Ca10(PO4)6(OH)2 avec un rapport molaire Ca/P de 1,67, est le plus préféré pour les applications biomédicales, en particulier pour le traitement des défauts parodontaux, la substitution de tissus durs et la fabrication d’implants pour les chirurgies orthopédiques13,14. Ainsi, la fabrication de biomatériaux à base de nHAP renforcés par des GNR peut posséder une biocompatibilité supérieure et peut être avantageuse en raison de leur capacité à favoriser l’ostéointégration et à être ostéoconductrices15,16. De tels échafaudages composites hybrides peuvent préserver des propriétés biologiques telles que l’adhérence cellulaire, la propagation, la prolifération et la différenciation17. Ici, nous rapportons la fabrication de deux nouveaux nanocomposites pour l’ingénierie des tissus osseux en modifiant rationnellement la disposition spatiale des nHAP et des GNR, comme illustré à la figure 1. Les propriétés chimiques et structurelles des deux différents arrangements nHAP-GNR ont été évaluées ici.
Bien que divers métaux, polymères, céramiques et leurs combinaisons aient été étudiés comme implants orthopédiques et accessoires de fixation, le HAP est considéré comme l’un des matériaux les plus préférables en raison de sa similitude chimique avec l’os lui-même et de sa cytocompatibilité élevée 20,21,22 qui en résulte. Dans cette étude, l’orientation de haP était variée, ce qui peut avoir un impact …
The authors have nothing to disclose.
Le Dr Sougata Ghosh remercie le Département des sciences et de la technologie (DST), le ministère des Sciences et de la Technologie, gouvernement de l’Inde, et le Centre Jawaharlal Nehru pour la recherche scientifique avancée, en Inde, pour le financement dans le cadre de la bourse postdoctorale à l’étranger en nanosciences et technologies (Réf. JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 daté du 19 août 2019). Le Dr Sougata Ghosh remercie l’Université Kasetsart, Bangkok, Thaïlande, pour une bourse postdoctorale et un financement dans le cadre du programme Réinventer l’université (réf. n° 6501.0207/10870 du 9 novembre 2021). Les auteurs tiennent à remercier le Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) pour son aide dans les expériences de caractérisation. KANCF est un établissement de recherche et d’enseignement multidisciplinaire partagé au sein de l’Institut de recherche Kostas (KRI) de l’Université Northeastern.
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 |