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  • Reimpressões e Permissões

Resumo

Novos nanocompositos de nanocomibbons de grafeno e nanopartículas de hidroxiapatita foram preparados usando síntese de fase de solução. Esses híbridos quando empregados em andaimes bioativos podem apresentar aplicações potenciais na engenharia de tecidos e regeneração óssea.

Resumo

Desenvolver novos materiais para a engenharia de tecidos ósseos é uma das áreas de impulso mais importantes da nanomedicina. Vários nanocompositos foram fabricados com hidroxiapatita para facilitar a adesão celular, a proliferação e a osteogênese. Neste estudo, nanocompositos híbridos foram desenvolvidos com sucesso usando nanofibons de grafeno (GNRs) e nanopartículas de hidroxiapatita (nHAPs), que quando empregados em andaimes bioativos podem potencialmente melhorar a regeneração tecidual. Essas nanoestruturas podem ser biocompatíveis. Aqui, duas abordagens foram usadas para a preparação dos novos materiais. Em uma abordagem, foi utilizada uma estratégia de co-funcionalização onde o nHAP foi sintetizado e conjugado aos GNRs simultaneamente, resultando em nanoíbridas de nHAP em superfícies GNR (denotadas como nHAP/GNR). A microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) confirmou que o composto nHAP/GNR é composto por estruturas finas e finas de GNRs (comprimento máximo de 1,8 μm) com manchas discretas (150-250 nm) de nHAP semelhantes a agulhas (40-50 nm de comprimento). Na outra abordagem, o nHAP comercialmente disponível foi conjugado com GNRs formando nHAP revestido de GNR (denotado como GNR/nHAP) (ou seja, com uma orientação oposta em relação ao nanohibrid nHAP/GNR). A nanohíbrida formou-se usando o último método exibiu nanoesferas nHAP com um diâmetro que varia de 50 nm a 70 nm coberto com uma rede de GNRs na superfície. Espectros dispersivos de energia, mapeamento elementar e espectros de infravermelho de transformação Fourier (FTIR) confirmaram a integração bem sucedida de nHAP e GNRs em ambos os nanohibridos. A análise termogravimétrica (TGA) indicou que a perda em temperaturas de aquecimento elevadas devido à presença de GNRs foi de 0,5% e 0,98% para GNR/nHAP e nHAP/GNR, respectivamente. As nanohíbridas nHAP-GNR com orientações opostas representam materiais significativos para uso em andaimes bioativos para potencialmente promover funções celulares para melhorar as aplicações de engenharia de tecidos ósseos.

Introdução

O grafeno possui estruturas bidimensionais semelhantes a folhas compostas de carbono hibridizado sp. Vários outros aotropos podem ser atribuídos à rede estendida de favo de mel de grafeno (por exemplo, o empilhamento de folhas de grafeno forma grafite 3D enquanto rola o mesmo material resulta na formação de nanotubos 1D1). Da mesma forma, fullerenes 0D são formados devido ao embrulho2. O grafeno tem propriedades físico-químicas e optoeletrônicas atraentes que incluem um efeito de campo ambipolar e um efeito hall quântico à temperatura ambiente 3,4. A detecção de eventos de adsorção de molécula única e mobilidade extremamente alta do portador adicionam os atributos atraentes do grafeno 5,6. Além disso, os nanoribbons de grafeno (GNRs) com larguras estreitas e um grande caminho livre médio, baixa resistência com alta densidade atual e alta mobilidade eletrônica são considerados materiais de interconexão promissores7. Assim, os GNRs estão sendo explorados para aplicações em uma miríade de dispositivos, e mais recentemente na nanomedicina, particularmente engenharia de tecidos e entrega de medicamentos8.

Entre várias doenças traumáticas, as lesões ósseas são consideradas uma das mais desafiadoras devido às dificuldades na estabilização da fratura, regeneração e substituição por novos ossos, resistência à infecção e reinlinamento do osso não-uniões 9,10. Os procedimentos cirúrgicos continuam sendo a única alternativa para fraturas no eixo femoral. Deve-se notar que quase US$ 52 milhões são gastos todos os anos no tratamento de lesões ósseas na América Central e na Europa11.

Andaimes bioativos para aplicações de engenharia de tecidos ósseos podem ser mais eficazes incorporando nano-hidroxiapatita (nHAP), pois se assemelham às propriedades micro e nano arquitetônicas do próprio osso12. O HAP, quimicamente representado como Ca10(PO4)6(OH)2 com uma razão molar Ca/P de 1,67, é o mais preferido para aplicações biomédicas, particularmente para o tratamento de defeitos periodontais, a substituição de tecidos duros e a fabricação de implantes para cirurgias ortopédicas13,14. Assim, a fabricação de biomateriais baseados em nHAP reforçados com GNRs pode possuir biocompatibilidade superior e pode ser vantajosa devido à sua capacidade de promover a osseointegração e ser osteocondutiva 15,16. Esses andaimes compostos híbridos podem preservar propriedades biológicas como adesão celular, disseminação, proliferação e diferenciação17. Aqui, relatamos a fabricação de dois novos nanocompositos para a engenharia de tecidos ósseos alterando racionalmente o arranjo espacial de nHAP e GNRs como ilustrado na Figura 1. Foram avaliadas aqui as propriedades químicas e estruturais dos dois diferentes arranjos nHAP-GNRs.

Protocolo

1. Síntese de nHAP por precipitação

  1. Sintetizar o nHAP imaculado usando 50 mL da mistura de reação contendo 1 M Ca(NO3)2∙4H2O e 0,67 M (NH4)H2PO4 seguido pela adição dropwise de NH4OH (25%) para manter um pH em torno de 1018.
  2. Depois disso, agitar a mistura de reação por irradiação de ultrassom (UI) para 30 min (potência de 500 W e frequência de ultrassom de 20 kHz).
  3. Deixe a solução resultante amadurecer por 120 h à temperatura ambiente até que o precipitado branco do nHAP se instale. Recupere o nHAP por centrifugação a 1398 x g por 5 min a temperatura ambiente.
  4. Lave o precipitado com água deionizada (DI) 3x e liofilize por 48 h. Guarde o pó seco a 4 °C.

2. Preparação de nanocompositos nHAP/GNR

NOTA: Descreve duas abordagens para a fabricação de nanocompagtos nHAP/GNR (i.e., nHAP em superfícies GNR) e nanocompagtos GNR/nHAP (nHAP revestidos de GNR) que representam dois arranjos espaciais diferentes de nHAP e GNRs (Figura 1).

  1. Síntese de nHAP/GNR
    1. Para preparar o nanocomposite nHAP/GNRs, use uma estratégia de co-funcionalização onde o nHAP pode ser sintetizado e conjugado aos GNRs simultaneamente, da seguinte forma.
    2. Dissolva 5 mg de GNRs (Tabela de Materiais) em uma mistura de 1 M de tetrahidrato de nitrato de cálcio [Ca(NO3)2·4H2O] e 0,67 M fosfato de hidrogênio de diamônio [(NH4)2HPO4] a um volume final de 50 mL19.
    3. Durante esta reação, adicione 25% de NH4OH dropwise para manter o pH em ~10. Agitar a mistura resultante por interface do usuário por 30 minutos.
    4. Após a conclusão da reação, deixe a solução imperturbável por 120h em temperatura ambiente até o amadurecimento.
    5. Observe a formação de um precipitado gelatinoso de nHAP que reveste os GNRs, após o qual um precipitado branco de nHAP/GNRs se instala.
    6. Lave o precipitado 3x por centrifugação a 1398 x g por 5 min à temperatura ambiente seguido de re-dispersão em água DI.
    7. Lyophilize o precipitado recuperado por 48 h. Guarde o pó seco a 4 °C.
    8. Use nHAP e GNRs imaculados como amostras de controle.
  2. Síntese de nanocomposite GNR/nHAP
    1. Suspender nHAP comercialmente disponível a uma concentração de 5 mg/mL em 50 mL de água DI suplementada com 5 mg de GNRs.
    2. Agitar a mistura resultante por UI por 30 min e, posteriormente, deixar a mistura intacta por 120 h em temperatura ambiente.
    3. Após a maturação, recupere o precipitado branco da GNR/nHAP resultante por centrifugação a 1398 x g por 5 min a temperatura ambiente.
    4. Lave a amostra 3x usando água DI, liofilize-a por 48 h e armazene o pó seco a 4 °C para uso posterior.

3. Caracterização de nHAP, nHAP/GNR e GNR/nHAP

  1. Use um microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução (HRTEM) (ver Tabela de Materiais) para caracterizar a morfologia e o tamanho dos nanocompositos11.
  2. Analise a composição elementar dos nanocompactos que empregam espectroscopia dispersiva de energia (EDS) e realize mapeamento elementar usando o microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM)11.
  3. Realizar a espectroscopia infravermelha de transformação fourier (FTIR) para as amostras limpas em números de ondas de 500-4000 cm−1 para analisar os grupos químicos no nanocomposite16.
  4. Realize a análise de difração de raios-X em pó (XRD) do nHAP sintetizado como sintetizado utilizando um comprimento de onda de raios-X de 1,5406 Å, configurações de corrente e tensão de 40 mA e 40 kV, respectivamente, e 2φ variando de 20° a 90°.
  5. Avalie a carga percentual de GNR no nanocomposto usando análise termogravimétrica (TGA) aquecendo as amostras da temperatura ambiente a 1000 °C a uma taxa de 10 °C/min sob fluxo de nitrogênio.

Resultados

Análise hrtem
Individualmente, os GNRs eram estruturas esbeltas semelhantes a bambu com algumas curvas a alguma distância, como observado na Figura 2. O GNR mais longo foi de 1,841 μm, enquanto o menor GNR dobrado foi de 497 nm. Os nanoribbons frequentemente mostravam uma variação visível na largura que poderia ser atribuída à torção para formar configurações helicoidais em muitos lugares. Esse alinhamento unidirecional das GNRs pode ajudar a obter caracterís...

Discussão

Embora vários metais, polímeros, cerâmicas e suas combinações tenham sido pesquisados como implantes ortopédicos e acessórios de fixação, o HAP é considerado um dos materiais mais preferenciais devido à sua semelhança química com o próprio osso e consequente alta citocompatibilidade 20,21,22. Neste estudo, a orientação do HAP foi variada, o que pode ter um impacto significativo em suas propriedades únicas, como ...

Divulgações

Os autores não têm conflitos de interesse.

Agradecimentos

Dr. Sougata Ghosh reconhece o Departamento de Ciência e Tecnologia (DST), Ministério da Ciência e Tecnologia, Governo da Índia e Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research, Índia, para financiamento sob a Bolsa de Pós-Doutorado no Exterior em Nano Ciência e Tecnologia (Ref. JNC/AO/A.0610.1(4) 2019-2260 de 19 de agosto de 2019). Dr. Sougata Ghosh reconhece a Universidade Kasetsart, Bangkok, Tailândia para uma Bolsa de Pós-Doutorado, e financiamento sob o Programa Universitário reinventante (Ref. 6501.0207/10870 a partir de 9 de novembro de 2021). Os autores gostariam de agradecer ao Kostas Advanced Nano-Characterization Facility (KANCF) pela ajuda com os experimentos de caracterização. KanCF é uma instalação multidisciplinar compartilhada de pesquisa e educação dentro do Kostas Research Institute (KRI) da Northeastern University.

Materiais

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

Referências

  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).
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