JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

تم تحضير مركبات نانوية جديدة من شرائط الجرافين النانوية وجسيمات الهيدروكسيباتيت النانوية باستخدام توليف مرحلة المحلول. هذه الهجينة عند استخدامها في السقالات النشطة بيولوجيا يمكن أن تظهر تطبيقات محتملة في هندسة الأنسجة وتجديد العظام.

Abstract

يعد تطوير مواد جديدة لهندسة الأنسجة العظمية أحد أهم مجالات الدفع في الطب النانوي. تم تصنيع العديد من المركبات النانوية باستخدام الهيدروكسيباتيت لتسهيل التصاق الخلايا وانتشارها وتكوين العظام. في هذه الدراسة ، تم تطوير المركبات النانوية الهجينة بنجاح باستخدام شرائط الجرافين النانوية (GNRs) والجسيمات النانوية من الهيدروكسيباتيت (nHAPs) ، والتي عند استخدامها في السقالات النشطة بيولوجيا قد تحسن تجديد أنسجة العظام. يمكن أن تكون هذه الهياكل النانوية متوافقة حيويا. هنا ، تم استخدام نهجين لإعداد المواد الجديدة. وفي أحد النهج، استخدمت استراتيجية للتشغيل المشترك حيث تم توليف nHAP واقترانه ب GNRs في وقت واحد، مما أدى إلى هجين نانوي من nHAP على أسطح GNR (يشار إليها باسم nHAP/GNR). أكد المجهر الإلكتروني الناقل عالي الدقة (HRTEM) أن مركب nHAP/GNR يتكون من هياكل رفيعة ورقيقة من GNRs (أقصى طول 1.8 ميكرومتر) مع بقع منفصلة (150-250 نانومتر) من nHAP الشبيه بالإبرة (40-50 نانومتر في الطول). وفي النهج الآخر، اقترن nHAP المتاح تجاريا ب GNRs التي تشكل nHAP المغلفة ب GNR (يشار إليها باسم GNR/nHAP) (أي ذات اتجاه معاكس بالنسبة إلى الهجين النانوي nHAP/GNR). عرض الهجين النانوي الذي تم تشكيله باستخدام الطريقة الأخيرة أغلفة نانوية nHAP يتراوح قطرها من 50 نانومتر إلى 70 نانومتر مغطاة بشبكة من GNRs على السطح. أكدت أطياف تشتت الطاقة ، ورسم الخرائط الأولية ، وأطياف الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR) التكامل الناجح ل nHAP و GNRs في كل من الهجينة النانوية. وأشار التحليل الحراري الوزني (TGA) إلى أن الخسارة في درجات حرارة التسخين المرتفعة بسبب وجود GNRs كانت 0.5٪ و 0.98٪ ل GNR / nHAP و nHAP / GNR ، على التوالي. تمثل الهجينة النانوية nHAP-GNR ذات الاتجاهات المعاكسة مواد مهمة للاستخدام في السقالات النشطة بيولوجيا لتعزيز الوظائف الخلوية لتحسين تطبيقات هندسة الأنسجة العظمية.

Introduction

يحتوي الجرافين على هياكل ثنائية الأبعاد تشبه الألواح تتكون من الكربون الهجين sp. يمكن أن تعزى العديد من allotropes الأخرى إلى شبكة قرص العسل الموسعة من الجرافين (على سبيل المثال ، يشكل تكديس صفائح الجرافين الجرافيت 3D أثناء تدحرج نفس المادة يؤدي إلى تكوين أنابيب نانوية 1D1). وبالمثل ، يتم تشكيل الفوليرين 0D بسبب التفاف2. يتميز الجرافين بخصائص فيزيائية كيميائية وإلكترونية بصرية جذابة تشمل تأثير المجال القطبي المحيط وتأثير هول الكمومي في درجة حرارة الغرفة 3,4. يضيف اكتشاف أحداث الامتزاز أحادية الجزيء والتنقل العالي للغاية للناقل إلى السمات الجذابة للجرافين 5,6. علاوة على ذلك ، تعتبر شرائط الجرافين النانوية (GNRs) ذات العروض الضيقة والمسار الحر المتوسط الكبير ، والمقاومة المنخفضة ذات كثافة التيار العالية ، وحركة الإلكترونات العالية مواد ربط واعدة7. ومن ثم، يجري استكشاف GNRs للتطبيقات في عدد لا يحصى من الأجهزة، ومؤخرا في الطب النانوي، وخاصة هندسة الأنسجة وتوصيل الأدوية8.

من بين الأمراض المؤلمة المختلفة ، تعتبر إصابات العظام واحدة من أكثر الإصابات تحديا بسبب الصعوبات في تثبيت الكسر ، والتجديد والاستبدال بعظام جديدة ، ومقاومة العدوى ، وإعادة محاذاة العظام غير النقابية 9,10. تظل الإجراءات الجراحية هي البديل الوحيد لكسور العمود الفخذي. تجدر الإشارة إلى أنه يتم إنفاق ما يقرب من 52 مليون دولار كل عام على علاج إصابات العظام في أمريكا الوسطى وأوروبا11.

يمكن أن تكون السقالات النشطة بيولوجيا لتطبيقات هندسة أنسجة العظام أكثر فعالية من خلال دمج نانو هيدروكسيباتيت (nHAP) ، لأنها تشبه الخصائص المعمارية الدقيقة والنانوية للعظم نفسه12. HAP ، الممثلة كيميائيا باسم Ca 10 (PO4) 6 (OH) 2 مع نسبة Ca / P المولية من 1.67 ، هي الأكثر تفضيلا للتطبيقات الطبية الحيوية ، وخاصة لعلاج عيوب اللثة ، واستبدال الأنسجة الصلبة ، وتصنيع الغرسات لجراحات العظام13,14. وبالتالي ، فإن تصنيع المواد الحيوية القائمة على nHAP المعززة ب GNRs يمكن أن يمتلك توافقا حيويا متفوقا وقد يكون مفيدا بسبب قدرته على تعزيز التكامل العظمي وأن يكون موصلا للعظام15,16. يمكن لهذه السقالات المركبة الهجينة الحفاظ على الخصائص البيولوجية مثل التصاق الخلايا وانتشارها وانتشارها وتمايزها17. هنا ، نبلغ عن تصنيع مركبين نانويين جديدين لهندسة أنسجة العظام عن طريق تغيير الترتيب المكاني ل nHAP و GNRs بشكل عقلاني كما هو موضح في الشكل 1. تم تقييم الخصائص الكيميائية والهيكلية للترتيبين المختلفين ل nHAP-GNRs هنا.

Protocol

1. توليف nHAP عن طريق هطول الأمطار

  1. توليف nHAP البكر باستخدام 50 مل من خليط التفاعل الذي يحتوي على 1 M Ca(NO3)2∙4H 2 O و 0.67 M (NH 4)H2PO 4 متبوعا بإضافة قطرة NH 4OH (25٪) للحفاظ على درجة الحموضة حول 1018.
  2. بعد ذلك ، قم بتحريك خليط التفاعل عن طريق التشعيع بالموجات فوق الصوتية (UI) لمدة 30 دقيقة (طاقة 500 واط وتردد الموجات فوق الصوتية 20 كيلو هرتز).
  3. اترك المحلول الناتج ينضج لمدة 120 ساعة في درجة حرارة الغرفة حتى يستقر الراسب الأبيض ل nHAP. استرجع nHAP عن طريق الطرد المركزي عند 1398 × g لمدة 5 دقائق في درجة حرارة الغرفة.
  4. اغسل الراسب بالماء منزوع الأيونات (DI) 3x وقم بتجميده لمدة 48 ساعة. يخزن المسحوق الجاف على درجة حرارة 4 درجات مئوية.

2. تحضير المركبات النانوية nHAP/GNR

ملاحظة: يصف ما يلي نهجين لتصنيع nHAP/GNR (أي nHAP على أسطح GNR) و GNR/nHAP (nHAP المغلفة ب GNR) النانوية التي تمثل ترتيبين مكانيين مختلفين ل nHAP و GNRs (الشكل 1).

  1. توليف nHAP/GNR
    1. لإعداد المركب النانوي nHAP/GNRs ، استخدم استراتيجية التشغيل المشترك حيث يمكن توليف nHAP واقترانه ب GNRs في وقت واحد ، على النحو التالي.
    2. قم بإذابة 5 ملغ من GNRs (جدول المواد) في خليط من 1 M نترات الكالسيوم رباعي الهيدرات [Ca(NO3)2·4H 2 O] و 0.67 M ثنائي الأمونيوم فوسفات الهيدروجين [(NH 4)2 HPO4] إلى حجم نهائي 50 مل19.
    3. خلال هذا التفاعل ، أضف 25٪ من NH4OH dropwise للحفاظ على الرقم الهيدروجيني عند ~ 10. حرك الخليط الناتج بواسطة واجهة المستخدم لمدة 30 دقيقة.
    4. بعد الانتهاء من التفاعل ، اترك المحلول دون إزعاج لمدة 120 ساعة في درجة حرارة الغرفة حتى النضج.
    5. راقب تكوين راسب جيلاتيني من nHAP الذي يغطي GNRs ، وبعد ذلك يستقر راسب أبيض من nHAP / GNRs.
    6. اغسل الراسب 3x بواسطة الطرد المركزي عند 1398 × g لمدة 5 دقائق في درجة حرارة الغرفة تليها إعادة التشتت في ماء DI.
    7. Lyophilize الرواسب المغسولة المستردة لمدة 48 ساعة. يخزن المسحوق الجاف على درجة حرارة 4 درجات مئوية.
    8. استخدم nHAP البكر و GNRs كعينات تحكم.
  2. توليف المركب النانوي GNR/nHAP
    1. تعليق nHAP المتاح تجاريا بتركيز 5 ملغ / مل في 50 مل من ماء DI المكمل ب 5 ملغ من GNRs.
    2. حرك الخليط الناتج بواسطة واجهة المستخدم لمدة 30 دقيقة ثم اترك الخليط دون إزعاج لمدة 120 ساعة في درجة حرارة الغرفة.
    3. بعد النضج ، استرجع الراسب الأبيض ل GNR / nHAP الناتج عن طريق الطرد المركزي عند 1398 × g لمدة 5 دقائق في درجة حرارة الغرفة.
    4. اغسل العينة 3x باستخدام ماء DI ، وقم بتجميدها لمدة 48 ساعة ، وخزن المسحوق الجاف عند 4 درجات مئوية لمزيد من الاستخدام.

3. توصيف nHAP و nHAP / GNR و GNR / nHAP

  1. استخدم المجهر الإلكتروني الناقل عالي الدقة (HRTEM) (انظر جدول المواد) لتوصيف مورفولوجيا وحجم المركبات النانوية11.
  2. تحليل التركيب الأولي للمركبات النانوية باستخدام التحليل الطيفي المشتت للطاقة (EDS) وإجراء رسم الخرائط الأولية باستخدام المجهر الإلكتروني للإرسال الماسح (STEM)11.
  3. قم بإجراء التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء المحولة من فورييه (FTIR) للعينات الأنيقة عند أرقام موجية تبلغ 500-4000 سم −1 لتحليل المجموعات الكيميائية في المركب النانوي16.
  4. قم بإجراء تحليل حيود الأشعة السينية المسحوقة (XRD) ل nHAP كما تم تصنيعه باستخدام طول موجي للأشعة السينية يبلغ 1.5406 Å ، وإعدادات التيار والجهد من 40 mA و 40 kV ، على التوالي ، و 2θ تتراوح من 20 درجة إلى 90 درجة.
  5. تقييم النسبة المئوية لتحميل GNR في المركب النانوي باستخدام التحليل الحراري الوزني (TGA) عن طريق تسخين العينات من درجة حرارة الغرفة إلى 1000 درجة مئوية بمعدل 10 درجات مئوية / دقيقة تحت تدفق النيتروجين.

النتائج

تحليل HRTEM
وعلى المستوى الفردي، كانت الشبكات العالمية للإيرادات العالمية عبارة عن هياكل نحيلة تشبه الخيزران مع بعض الانحناءات على مسافة ما كما لوحظ في الشكل 2. كان أطول GNR 1.841 ميكرومتر في حين أن أصغر GNR عازمة كان 497 نانومتر. غالبا ما أظهرت الشرائط النانوية تباينا مر?...

Discussion

على الرغم من أن العديد من المعادن والبوليمرات والسيراميك ومجموعاتها قد تم بحثها كغرسات لتقويم العظام وملحقات التثبيت ، إلا أن HAP تعتبر واحدة من أكثر المواد المفضلة بسبب تشابهها الكيميائي مع العظام نفسها وما يترتب عليها من توافق خلوي عال 20،21،22....

Disclosures

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح.

Acknowledgements

يعترف الدكتور سوغاتا غوش بقسم العلوم والتكنولوجيا (DST) ، وزارة العلوم والتكنولوجيا ، حكومة الهند ، ومركز جواهر لال نهرو للبحث العلمي المتقدم ، الهند للتمويل في إطار زمالة ما بعد الدكتوراه في الخارج في علوم وتكنولوجيا النانو (المرجع JNC / AO / A.0610.1 (4) 2019-2260 بتاريخ 19 أغسطس 2019). تعترف الدكتورة سوغاتا غوش بجامعة كاسيتسارت ، بانكوك ، تايلاند للحصول على زمالة ما بعد الدكتوراه ، والتمويل في إطار برنامج إعادة اختراع الجامعة (المرجع رقم 6501.0207/10870 بتاريخ 9 نوفمبر 2021). يود المؤلفون أن يشكروا مرفق كوستاس المتقدم للتوصيف النانوي (KANCF) على المساعدة في تجارب التوصيف. KANCF هي منشأة بحثية وتعليمية مشتركة متعددة التخصصات داخل معهد كوستاس للأبحاث (KRI) في جامعة نورث إيسترن.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Ammonium phosphate monobasicSigma-Aldrich216003-100GSynthesis
Calcium nitrate tetrahydrateSigma-Aldrich237124Synthesis
CentrifugeHettichEBA 200SRecovery
Fourier transform infrared spectrometerBruckerVertex 70Characterization
Graphene nanoribbonSigma-Aldrich922714Synthesis
High resolution transmission electron microscopeThermo Fisher ScientificThemis Titan 300Characterization
Magnetic stirrerIKAC-MAG HS7 S68Functionalization
MicropipettesTreffLab06H35687Reagent preparation
pH meterEutech pH5+ECPH503PLUSKReagent preparation
Thermogravimetric analyzerTA InstrumentsSDT Q600Characterization
Ultrasonic bathBandelinDT100Functionalization
Universal OvenMemmertUF55Functionalization
Weighing balancePrecisaXB220AReagent preparation
X-ray diffractometerBruckerD8-AdvancedCharacterization

References

  1. Novoselov, K. S., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
  2. Novoselov, K. S., et al. Unconventional quantum Hall effect and Berry's phase of 2π in bilayer graphene. Nature Physics. 2 (3), 177-180 (2006).
  3. Zhang, Y. B., Tan, Y. W., Stormer, H. L., Kim, P. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene. Nature. 438 (7065), 201-204 (2005).
  4. Ozyilmaz, B., et al. Electronic transport and quantum hall effect in bipolar Graphene p−n−p junctions. Physical Review Letters. 99 (16-19), 166804 (2007).
  5. Morozov, S. V., et al. Giant intrinsic carrier mobilities in graphene and its bilayer. Physical Review Letters. 100 (1-11), 016602 (2008).
  6. Han, M., Ozyilmaz, B., Zhang, Y., Jarillo-Herero, P., Kim, P. Electronic transport measurements in graphene nanoribbons. Physica Status Solidi B: Basic Solid State Physics. 244 (11), 4134-4137 (2007).
  7. Talyzin, A. V., et al. Synthesis of graphene nanoribbons encapsulated in single-walled carbon nanotubes. Nano Letters. 11 (10), 4352-4356 (2011).
  8. Allen, M. J., Tung, V. C., Kaner, R. B. Honeycomb carbon: A review of graphene. Chemical Reviews. 110 (1), 132-145 (2010).
  9. Ghosh, S., Webster, T. J. Metallic nanoscaffolds as osteogenic promoters: Advances, challenges and scope. Metals. 11 (9), 1356 (2021).
  10. Ghosh, S., Webster, T. J. Mesoporous silica based nanostructures for bone tissue regeneration. Frontiers in Materials. 8, 213 (2021).
  11. Medeiros, J. S., et al. Nanohydroxyapatite/graphene nanoribbons nanocomposites induce in vitro osteogenesis and promote in vivo bone neoformation. ACS Biomaterials Science and Engineering. 4 (5), 1580-1590 (2018).
  12. Faniyi, I. O., et al. The comparative analyses of reduced graphene oxide (RGO) prepared via green, mild and chemical approaches. SN Applied Sciences. 1 (10), 1-7 (2019).
  13. Neelgund, G. M., Oki, A., Luo, Z. In situ deposition of hydroxyapatite on graphene nanosheets. Materials Research Bulletin. 48 (2), 175-179 (2013).
  14. Rajkumar, M., Sundaram, N. M., Rajendran, V. Preparation of size controlled, stoichiometric and bioresorbable hydroxyapatite nanorod by varying initial pH, Ca/P ratio and sintering temperature. Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures. 6 (1), 169-179 (2011).
  15. Mondal, S., et al. Hydroxyapatite coated iron oxide nanoparticles: A promising nanomaterial for magnetic hyperthermia cancer treatment. Nanomaterials. 7 (12), 426 (2017).
  16. Oliveira, F. C., et al. High loads of nano-hydroxyapatite/graphene nanoribbon composites guided bone regeneration using an osteoporotic animal model. International Journal of Nanomedicine. 14, 865-874 (2019).
  17. Murugan, N., Sundaramurthy, A., Chen, S. -. M., Sundramoorthy, A. K. Graphene oxide/oxidized carbon nanofiber/mineralized hydroxyapatite based hybrid composite for biomedical applications. Materials Research Express. 4 (12), 124005 (2017).
  18. Barbosa, M. C., Messmer, N. R., Brazil, T. R., Marciano, F. R., Lobo, A. O. The effect of ultrasonic irradiation on the crystallinity of nano-hydroxyapatite produced via the wet chemical method. Materials Science and Engineering C. 33 (5), 2620-2625 (2013).
  19. Rodrigues, B. V. M., et al. Graphene oxide/multi-walled carbon nanotubes as nanofeatured scaffolds for the assisted deposition of nanohydroxyapatite: characterization and biological evaluation. International Journal of Nanomedicine. 11, 2569-2585 (2016).
  20. Sharma, M., Nagar, R., Meena, V. K., Singh, S. Electro-deposition of bactericidal and corrosion-resistant hydroxyapatite nanoslabs. RSC Advances. 9 (20), 11170-11178 (2019).
  21. Kamrujjaman, M., Khandaker, J. I., Haque, M. M., Rahman, M. O., Rahman, M. M. Study of the dependency of pH values on HAp synthesis. Journal of Nanomaterials & Molecular Nanotechnology. 7, 4 (2019).
  22. Baradaran, S., et al. Mechanical properties and biomedical applications of a nanotube hydroxyapatite-reduced graphene oxide composite. Carbon. 69, 32-45 (2014).
  23. Sassoni, E. Hydroxyapatite and other calcium phosphates for the conservation of cultural heritage: A review. Materials. 11 (4), 557 (2018).
  24. Tang, H., Ehlert, G. J., Lin, Y., Sodano, H. A. Highly efficient synthesis of graphene nanocomposites. Nano Letters. 12 (1), 84-90 (2012).
  25. Walker, L. S., Marotto, V. R., Rafiee, M. A., Koratkar, N., Corral, E. L. Toughening in graphene ceramic composites. ACS Nano. 5 (4), 3182-3190 (2011).
  26. Rafiee, M. A., et al. Enhanced mechanical properties of nanocomposites at low graphene content. ACS Nano. 3 (12), 3884-3890 (2009).
  27. Luque de Castro, M. D., Priego-Capote, F. Ultrasound-assisted crystallization (sonocrystallization). Ultrasonics Sonochemistry. 14 (6), 717-724 (2007).
  28. Azhari, A., Toyserkani, E. Additive manufacturing of graphene-hydroxyapatite nanocomposite structures. International Journal of Applied Ceramic Technology. 12 (1), 8-17 (2015).
  29. Li, H., Wang, J., Bao, Y., Guo, Z., Zhang, M. Rapid sonocrystallization in the salting-out process. Journal of Crystal Growth. 247 (1-2), 192-198 (2003).
  30. Zou, Z., Lin, K., Chen, L., Chang, J. Ultrafast synthesis and characterization of carbonated hydroxyapatite nanopowders via sonochemistry-assisted microwave process. Ultrasonics Sonochemistry. 19 (6), 1174-1179 (2012).
  31. Rouhani, P., Taghavinia, N., Rouhani, S. Rapid growth of hydroxyapatite nanoparticles using ultrasonic irradiation. Ultrasonics Sonochemistry. 17 (5), 853-856 (2010).
  32. Fan, Z., et al. One-pot synthesis of graphene/hydroxyapatite nanorod composite for tissue engineering. Carbon. 66, 407-416 (2014).
  33. Ghosh, S., Mostafavi, E., Thorat, N., Webster, T. J., Liu, H., Shokuhfar, T., Ghosh, S. Nanobiomaterials for three- dimensional bioprinting. Nanotechnology in Medicine and Biology. , 1-24 (2021).
  34. Ghosh, S., Sanghavi, S., Sancheti, P., Balakrishnan, P., Sreekala, P., Thomas, S. Metallic biomaterial for bone support and replacement. Fundamental Biomaterials: Metals. Vol 2. Woodhead Publishing Series in Biomaterials. , 139-165 (2018).
  35. Hazra, A., Basu, S. Graphene nanoribbon as potential on-chip interconnect material-A Review. C Journal of Carbon Research. 4 (3), 49 (2018).
  36. Zanin, H., et al. Fast preparation of nano-hydroxyapatite/superhydrophilic reduced graphene oxide composites for bioactive applications. Journal of Materials Chemistry B. 1 (38), 4947-4955 (2013).
  37. Lobo, A. O., et al. Fast preparation of hydroxyapatite/superhydrophilic vertically aligned multiwalled carbon nanotube composites for bioactive application. Langmuir. 26 (23), 18308-18314 (2010).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

185

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved