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摘要

采用溶液相合成制备了石墨烯纳米带和羟基磷灰石纳米颗粒的新型纳米复合材料.当这些杂交种用于生物活性支架时，可以在组织工程和骨再生中表现出潜在的应用。

摘要

开发用于骨组织工程的新型材料是纳米医学最重要的推动领域之一。已经用羟基磷灰石制造了几种纳米复合材料，以促进细胞粘附，增殖和成骨。在这项研究中，使用石墨烯纳米带（GNRs）和羟基磷灰石纳米颗粒（nHAPs）成功开发了杂化纳米复合材料，当用于生物活性支架时，可以潜在地改善骨组织再生。这些纳米结构可以是生物相容性的。在这里，使用了两种方法来制备新材料。在一种方法中，使用了一种共功能化策略，其中nHAP被合成并同时与GNR共轭，从而在GNR表面上产生nHAP的纳米杂化（表示为nHAP / GNR）。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）证实，nHAP/GNR复合材料由细长薄的GNRs结构（最大长度为1.8μm）和针状nHAP（长度为40-50nm）的离散斑块（150-250 nm）组成。在另一种方法中，市售的nHAP与GNRs共轭，形成GNR涂层的nHAP（表示为GNR / nHAP）（即相对于nHAP / GNR纳米杂缰相反的方向）。采用后一种方法形成的纳米杂化物表现出直径范围为50 nm至70 nm的nHAP纳米球，表面覆盖着GNRs网络。能量色散光谱、元素映射和傅里叶变换红外（FTIR）光谱证实了nHAP和GNR在两种纳米杂联中的成功整合。热重分析（TGA）表明，GNR/nHAP和gnH/GNR在加热温度升高时的损耗分别为0.5%和0.98%。具有相反方向的nHAP-GNR纳米杂交代表了用于生物活性支架的重要材料，可以潜在地促进细胞功能以改善骨组织工程应用。

引言

石墨烯具有由sp杂交碳组成的片状二维结构。其他几种同素异形体可归因于石墨烯的扩展蜂窝网络（例如，石墨烯片的堆叠形成3D石墨，而从相同的材料上滚落导致1D纳米管1的形成）。同样，0D富勒烯是由于包裹2而形成的。石墨烯具有有吸引力的物理化学和光电特性，包括室温3，4下的双极场效应和量子霍尔效应。检测单分子吸附事件和极高的载流子迁移率增加了石墨烯5，6的吸引力。此外，石墨烯纳米带（GNRs）具有窄宽度和大平均自由程，低电阻率和高电流密度和高电子迁移率被认为是有前途的互连材料7。因此，正在探索GNR在无数设备中的应用，最近在纳米医学中的应用，特别是组织工程和药物递送8。

在各种创伤性疾病中，骨损伤被认为是最具挑战性的疾病之一，因为在稳定骨折，再生和用新骨替换，抵抗感染以及重新对齐骨不结合方面存在困难9，10。外科手术仍然是股骨干骨折的唯一替代方案。应该指出的是，中美洲和欧洲每年花费近5200万美元用于治疗骨损伤11.

用于骨组织工程应用的生物活性支架可以通过掺入纳米羟基磷灰石（nHAP）而更有效，因为它们类似于骨骼本身的微和纳米结构特性12。HAP，化学表示为Ca10（PO4）6（OH）2 ，Ca / P摩尔比为1.67，是生物医学应用的最优选，特别是用于治疗牙周缺损，硬组织的替代以及制造用于骨科手术的植入物13，14。因此，用GNRs增强的基于nHAP的生物材料的制备可以具有优异的生物相容性，并且由于其促进骨整合和骨传导的能力而可能是有利的15，16。这种杂交复合支架可以保持生物学特性，例如细胞粘附，扩散，增殖和分化17。在本文中，我们通过合理地改变nHAP和GNRs的空间排列，报告了两种用于骨组织工程的新型纳米复合材料的制备，如图 1所示。本文评估了两种不同nHAP-GNRs排列的化学和结构特性。

研究方案

1. 沉淀合成nHAP

  1. 使用含有1 M Ca（NO3）2∙4H 2 O和0.67 M（NH 4）H2PO 4的反应混合物的50 mL反应混合物合成原始nHAP，然后滴加NH4OH（25%）以保持pH值约为1018。
  2. 此后，通过超声照射（UI）搅拌反应混合物30分钟（500 W功率和20 kHz超声频率）。
  3. 让所得溶液在室温下成熟120小时，直到nHAP的白色沉淀沉淀出来。通过在室温下以1398× g 离心5分钟来回收nHAP。
  4. 用去离子（DI）水洗涤沉淀3x并冻干48小时。将干粉储存在4°C。

2. nHAP/GNR纳米复合材料的制备

注意:下面描述了两种制造nHAP / GNR（即GNR表面上的nHAP）和GNR / nHAP（GNR涂层的nHAP）纳米复合材料的方法，它们代表了nHAP和GNRs的两种不同空间排列（图1）。

  1. nHAP/GNR的合成
    1. 为了制备nHAP / GNRs纳米复合材料，请使用共功能化策略，其中nHAP可以同时合成并共轭到GNR，如下所示。
    2. 将5mg GNRs（材料表）溶解在1M硝酸钙四水合物[Ca（NO3）2·4H2O]和0.67M磷酸氢二铵[（NH4）2HPO4]的混合物中至50mL最终体积19。
    3. 在该反应过程中，滴加25%的NH4OH以保持pH值在〜10。通过UI搅拌所得混合物30分钟。
    4. 反应完成后，将溶液在室温下不受干扰地放置120小时直至成熟。
    5. 观察覆盖GNRs的nHAP凝胶沉淀物的形成，随后nHAP / GNRs的白色沉淀物沉降。
    6. 通过在室温下以1398× g 离心5分钟洗涤沉淀物3倍，然后在去离子水中重新分散。
    7. 冻干回收的洗涤沉淀物48小时。将干粉储存在4°C。
    8. 使用原始的 nHAP 和 GNR 作为对照样本。
  2. GNR/nHAP纳米复合材料的合成
    1. 将市售的 nHAP 以 5 mg/mL 的浓度悬浮在 50 mL 去离子水中，并补充 5 mg 的 GNR。
    2. 通过UI搅拌所得混合物30分钟，然后使混合物在室温下不受干扰120小时。
    3. 成熟后，通过在室温下以1398× g 离心5分钟来回收所得GNR / nHAP的白色沉淀物。
    4. 使用去离子水洗涤样品3倍，冻干48小时，并将干粉储存在4°C以备将来使用。

3. nHAP、nHAP/GNR 和 GNR/nHAP 的表征

  1. 使用高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）（参见 材料表）来表征纳米复合材料的形貌和尺寸11。
  2. 使用能量色散光谱（EDS）分析纳米复合材料的元素组成，并使用扫描透射电子显微镜（STEM）进行元素映射11。
  3. 对波数为500-4000 cm−1 的纯样品进行傅里叶变换红外（FTIR）光谱分析纳米复合材料16中的化学基团。
  4. 使用1.5406 Å的X射线波长，分别为40 mA和40 kV的电流和电压设置以及20°至90°的2θ范围，对合成的nHAP进行粉末X射线衍射（XRD）分析。
  5. 使用热重分析（TGA）评估GNR在纳米复合材料中的负载百分比，方法是在氮气流下以10°C / min的速率将样品从室温加热到1000°C。

结果

断续器分析
单独来看，GNR是细长的竹状结构，在一定距离处有一些弯曲，如图 2所示。最长的GNR为1.841μm，而最小的弯曲GNR为497nm。纳米带通常显示出明显的宽度变化，这可能归因于在许多地方扭曲形成螺旋构型。这种GNRs的单向对准可能有助于获得有吸引力的特征，例如磁性、电导率或传热性7。

在室温下使用硝酸钙四水...

讨论

虽然已经研究了各种金属，聚合物，陶瓷及其组合作为骨科植入物和固定配件，但HAP被认为是最优选的材料之一，因为它与骨骼本身具有化学相似性，因此细胞相容性高20，21，22。本研究的HAP取向不同，对其独特性质有显著影响，如促骨生成、骨整合、骨导等。此外，改变HAP的取向可以影响纳米复合材料的力学性能，以进一步...

披露声明

作者没有利益冲突。

致谢

Sougata Ghosh博士感谢印度政府科学技术部科学和技术部（DST）和印度贾瓦哈拉尔·尼赫鲁高级科学研究中心在纳米科学技术博士后海外奖学金（参考JNC / AO / A.0610.1（4）2019年8月19日的2019-2260）下获得资助。Sougata Ghosh博士感谢泰国曼谷泰国农业大学获得博士后奖学金，并资助重塑大学计划（参考号:6501.0207/10870，日期为2021年11月9日）。作者要感谢Kostas高级纳米表征设施（KANCF）对表征实验的帮助。KANCF是东北大学科斯塔斯研究所（KRI）内的共享多学科研究和教育设施。

材料

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

参考文献

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