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Graphene oferece um potencial como um material de revestimento para implantes biomédicos. Neste estudo, demonstrar um método para ligas de revestimento de nitinol com camadas de grafeno nanômetro de espessura e determinar como o grafeno pode influenciar a resposta do implante.
Grafeno atomicamente lisa como um revestimento de superfície tem um potencial para melhorar as propriedades dos implantes. Isto demonstra um método para revestimento de ligas de nitinol com camadas espessas de grafeno nanômetros para aplicações como material de stent. Graphene foi cultivada em substratos de cobre através da deposição química de vapor e, em seguida, transferido para o nitinol substratos. A fim de compreender como o revestimento de grafeno poderia alterar a resposta biológica, a viabilidade celular das células endoteliais da aorta de rato e aorta de rato nas células musculares lisas foi investigada. Além disso, o efeito de grafeno-revestimentos sobre a adesão celular e morfologia foi analisada por microscopia confocal com fluorescente. As células foram coradas para a actina e núcleos, e houve diferenças perceptíveis entre amostras puras de nitinol em comparação com grafeno amostras revestidas. Expressão da actina total a partir de ratos células do músculo liso da aorta foi encontrada utilizando Western blot. Características adsorção de proteínas, um indicador para trombogenicidade potencial, were determinado para o fibrinogénio e com albumina de soro de electroforese em gel. Além disso, a transferência de carga a partir de fibrinogénio ao substrato foi deduzida utilizando espectroscopia de Raman. Verificou-se que o revestimento de substratos de grafeno em nitinol preencheram os requisitos funcionais de um material de stent e melhorar a resposta biológica em comparação com o nitinol não revestido. Assim, o grafeno revestido nitinol é um candidato viável para um material do stent.
As últimas três décadas têm testemunhado a descoberta de novos materiais baseados em terapias e dispositivos para tratamento de doenças e diagnósticos. Novos materiais de liga, tais como o nitinol (NiTi) e aço inoxidável são frequentemente utilizadas na fabricação de implantes biomédicos, devido às suas propriedades mecânicas superiores. 1-3 No entanto, vários desafios permanecem devido à citotoxicidade de material exógeno, bio e hemo-compatibilidade. A natureza metálica destes resultados ligas pobres em bio-hemocompatibilidade e devido à lixiviação de metais pesados, à falta de adesão celular, proliferação e trombose quando entra em contacto com o sangue que flui (por exemplo, cateteres, enxertos de vasos sanguíneos, stents vasculares, válvulas cardíacas artificiais etc.). 1, 4, 5 A interacção de proteínas ou células vivas com a superfície do implante pode conduzir a uma forte resposta imunológica e a consequente cascata de reacções bioquímicas podem afectar negativamente a funcionalidade do dispositivo. Portanto, é pertinent para conseguir o controle sobre as interações entre os implantes biomédicos e seu ambiente circundante biológica. A modificação da superfície é frequentemente utilizado para reduzir ou evitar a resposta fisiológica adversa de origem a partir do material de implante. Uma superfície de revestimento ideal deverá ter a força de aderência elevada, inércia química, suavidade elevada e bom hemo-e biocompatibilidade. Anteriormente, vários materiais, incluindo carbono tipo diamante (DLC), SiC, TiN, TiO 2 e muitos materiais poliméricos têm sido testados como bio-compatíveis revestimentos de superfície do implante. 1, 6-23 No entanto, estes materiais ainda são incapazes de atender a todos os critérios funcionais para um revestimento adequado do implante de superfície.
A descoberta do átomo espessa camada de carbono sp 2, conhecido como o grafeno, abriu as portas para o desenvolvimento de novos materiais multifuncionais. Grafeno é esperado para ser um candidato ideal para o revestimento de superfície do implante, uma vez queé quimicamente inerte, atomicamente suave e altamente durável. Nesta Carta, vamos investigar a viabilidade de grafeno como um revestimento de superfície para implantes biomédicos. Os nossos estudos mostram que o nitinol grafeno revestido (Gr-NiTi) cumpre todos os critérios funcionais, e também suporta o músculo liso e excelente crescimento celular endotelial que conduz à proliferação celular melhor. Nós também achamos que a adsorção de albumina de soro na Gr-NiTi é maior do que fibrinogênio. É importante notar que (i) as nossas medições espectroscópicas detalhados confirmou a falta de transferência de carga entre o grafeno e fibrinogénio sugere que o revestimento grafeno inibe a activação de plaquetas por meio de implantes, (ii) revestimento de grafeno não exibem qualquer toxicidade significativa em testes in vitro sobre linhas endoteliais e musculares lisas celulares confirmando sua biocompatibilidade, e (iii) os revestimentos grafeno são quimicamente inerte, resistente e impermeável no fluxo sanguíneo ambiente. Estes hemo-e propriedades biocompatíveis, juntamente com st elevadorength inércia química e durabilidade, tornam revestimentos grafeno como um revestimento de superfície ideal.
1. Graphene revestimento de NiTi
2. Toxicidade In Vitro de Gr-NiTi
As células endoteliais da aorta de rato (Cell aplicação Inc.,) foram cultivadas em um revestimento de gelatina de slides câmaras 8. Para testar o crescimento celular, como novo e Gr-NiTisubstrates foram colocadas em poços sem qualquer revestimento de gelatina. As imagens de microscopia electrónica de digitalização foram obtidos utilizando um Hitachi S-4800 SEM. Além disso, o rato células musculares lisas da aorta foram também cultivadas em Cellbind placas de 96 poços, como um grupo de controlo (Corning) em DuModified lbecco de Eagle Médium (ATCC).
3. Estudos de microscopia confocal da morfologia das células
4. A adsorção da proteína Estudos
5. Western Blotting para Protein Expression
. Figura 1 a) DCV grafeno policristalino cultivadas em folhas de Cu imita os grãos de metal de cristal (barra de escala: 10 mm). b) espectro Raman de 1 sccm (4 sccm) grafeno mostra monocamada intensa (relativamente mais fraca) G 'banda indicando (camada poucos) a natureza de como preparado grafeno. c) imagem de AFM grafeno transferidos para NiTi mostra uma rugosidade de aproximadamente 5 nm. Barra de escala = 500 nm.
Figura 2 As imagens de microscopia confocal ópticos para SMCs crescidas em uma placa de vidro) de controlo, b) de NiTi como novo, c) 1 sccm Gr-NiTi e d) 4 sccm Gr-NiTi substratos (barra de escala:. 50 fim).
Figura 3 a.) Ensaio de MTT que mostra Gr-NiTi substratos (1 e 4 sccm) não apresentam uma diferença significativa na viabilidade celular relativa SMC para NiTi intocada. B) ensaio de MTS que mostra a viabilidade de células a 3 dias para RAECs não foi significativamente diferente do que os controlos.
Figura 4. Imagens de microscopia eletrônica de varredura para RAECs cultivadas a) intocada NiTi, b) 1 sccm Gr-NiTi e c) 4 sccm Gr-NiTi substratos mostram que os revestimentos de grafeno levar a morfologia celular melhor esférica de RAECs. Escala da barra = 10 m.
Figura 5. A) relação de Fibrinogênio / Albumina para NiTi intocada, Gr-NiTi (1 e 4 amostras SCCM). B) diagrama de níveis de energia para o fibrinogênio e densidade eletrônica de estados para o grafeno mostrando o equilíbrio do nível de Fermi. Uma transferência de elétron fibrinogênio em Gr-NiTi só é possível a partir dos estados ocupados eletrônicos da molécula de fibrinogênio em vazios estados eletrônicos de Gr-NiTi no mesmo nível de energia. Ambos grafeno única e poucas camadas são semi-metais, à temperatura ambiente com baixa densidade de estados na EF o que resulta numa transferência de carga fraco (quando comparado com o nitinol nu) a partir de fibrinogénio em grafeno.
Figura Graphene 6. Não apresentam qualquer alteração na LineShape G-banda ou de frequência que indica a ausência de qualquer transferência de carga a partir das proteínas do plasma. O deconvoluted picos obtidos a partir de um ajuste de curva são mostrados em preto.
Figura 7. Uma) peça grafeno revestido de um centavo Cu expostas a 5% de H 2 O 2 permanece inalterado, enquanto a parte descoberta é descolorido. B) Não há alteração na freqüência banda G foi observada em nosso in situ estudos Raman de Gr- NiTi imersos em 70% HNO 3 confirmando a durabilidade dos revestimentos de grafeno. c) O tempo de etch para Cu no CE 100 solvente é duplicada quando Cu é revestido com grafeno (como na Gr-NiTi) indicando a impermeabilidade das membranas de grafeno.
Biocompatibilidade e citotoxicidade: A deposição de vapor químico (CVD) método rendeu amostras policristalinas grafeno que imitavam grãos de cristal de Cu, como mostrado na Figura 1A. Nós empregamos espectroscopia Raman para confirmar a presença de monocamada de grafeno (camadas poucos) em 1 sccm (4 sccm) amostras (ver Figura 1b). Claramente, uma SCCM (4 sccm) amostras exibem faixa indicativa de monocamada intensa (relativamente mais fraca) G '(camada poucos) grafeno. Figura 1c mostra uma imagem de microscopia de força atômica (AFM) de grafeno camada poucos em NiTi substratos. As nossas medições detalhadas proporcionou um valor de rugosidade de superfície R q = 5 nm para as camadas de grafeno transferidos (Gr-NiTi). É bem conhecido que a topografia da superfície nanoestruturada afecta fortemente a forma da célula e montagem do citoesqueleto em células endoteliais e do músculo liso-células. Estas linhas de células de responder às solicitações mecânicas, alterando a sua bicamada lipídica-fluidez, o que pode afectar adversamente a translocação de proteínas e a entrada de activadores tais como o cálcio nas células. Mais importante ainda, o aumento do gradiente de tensão de membrana celular pode alterar a conformação e densidade de receptores de superfície celular. De modo a testar a influência do revestimento grafeno em gradientes de tensão das células, foi estudada a morfologia do músculo liso e células endoteliais utilizando técnicas de microscopia.
Como mostrado na Figura 2, células de músculo liso morfologia (SMC) no NiTi pristine é não esférica. Além disso, as células são escassamente espalhados indicando fraca adesão de SMCs ao NiTi intocada. Pelo contrário, SMCs são densos e esférica na Gr-NiTi (ambos 1 e 4 sccm) superfícies semelhantes ao controle. Revestimento grafeno reduz gradientes de tensão nas células, proporcionando superfícies mais lisas (evidente a partir baixos valores de R Q mostrado na Figura 1c) e, portanto, resulta em uma melhor morfologia celular.A fim de medir a viabilidade celular e proliferação, foi realizada a coloração MTT em células musculares lisas cultivadas em intocada e Gr-NiTisubstrates a 3 e 7 pontos durante o dia. Neste ensaio, o corante MTT (cor amarela) é reduzido em formazan corante (cor púrpura) pelas enzimas redutase activa e, portanto, as células saudáveis e em proliferação (ou a citotoxicidade do material) pode ser quantificada através da realização de medições colorimétricas. Como mostrado na Figura 3a, não foram observadas quaisquer alterações significativas na toxicidade para Gr-NiTi substratos após 3 e 7 dias. Estes resultados confirmam que os revestimentos grafeno não provocar toxicidade excessiva em relação à primitiva NiTi substratos eles mesmos.
Para confirmar os efeitos de revestimento de grafeno, realizamos detalhados experimentos com imagens de microscopia electrónica de rato-células endoteliais aórticas (ver Figura 4). As células em substratos imaculadas NiTi são escassos e alongada, enquanto eles são elipsoidais e dense na substratos Gr-NiTi. Morfologia celular, tais densidade melhorada e verificou-se ser semelhante a SMCs confirmam a redução dos gradientes de tensão fornecidos pelo revestimento grafeno. Além disso, foi medida a citotoxicidade revestimento grafeno em RAEC MTS utilizando 3 - (4,5-dimetiltiazol-2-il) -5 - (3-carboximetoxifenil) -2 - (4-sulfofenil)-2H-tetrazólio ensaio. A razão para o uso do ensaio MTS (em vez de MTT) reside na sua maior compatibilidade com o meio de crescimento e condições de RAEC. Como mostrado na Figura 3b, o nosso ensaio MTS na célula endotelial exibiram viabilidade celular muito boa e proliferação confirmando nenhuma toxicidade em excesso dos revestimentos grafeno mesmo para RAEC. É importante notar que ambos 1 e 4 sccm Gr-NiTi exibiram nenhuma alteração significativa na proliferação de células, sugerindo nenhuma dependência da morfologia celular sobre o número de camadas de grafeno.
Adsorção de proteínas e hemocompatibilidade: A coagulação do sangue na vizinhança do material de implante hatem sido um dos principais obstáculos na tecnologia de implante desde 2003. Como mencionado anteriormente, o material de implante desencadeia cascata de coagulação, quando se entra em contacto com o sangue. A interacção entre o implante biomédico e sangue começa com a adsorção de proteínas do plasma (soro fibrinogênio, albumina, etc.) Na sua superfície. Inicialmente, proteínas altamente abundantes, como o soro flbrinogen, albumina e flbronectin mas são adsorvidos são depois substituídos por factores XII e quininogénio de elevado peso molecular. A proporção de flbrinogen adsorvido e albumina é crucial para a determinação da hemocompatibilidade do biomaterial. Anteriormente, uma baixa relação de fibrinogénio / albumina adsorvido sobre a superfície do implante biomédico tem sido correlacionada com a adesão de plaquetas e formação de trombos baixo. 1 Tal como mostrado na Figura 5a, Gr-NiTi exposição fibrinogénio relação albumina / baixo em relação ao NiTi pristine sugerindo melhor hemocompatibilidade resultante a partir de grafeno. O rati FIB / albo foi significativamente menor para ambos 1 e 4 sccm Gr-NiTi indicando que a hemocompatibilidade de grafeno camada é independente.
Sabe-se que a transferência de electrões a partir da molécula de fibrinogénio para o implante é o responsável pela formação de fibrina como um primeiro passo para o crescimento do trombo. Como mostrado na figura 5b, o fibrinogénio exibe semi-condutores, como a densidade de estados electrónicos ou DOS (denotado por p (E)), com um intervalo de energia de 1,8 eV. Os níveis de Fermi (EF) de fibrinogênio e Gr-NiTi equilibrar na sua interface. A transferência de carga de um electrão por fibrinogénio é necessária para a formação de fibrina em NiTi pura, e transferência de electrões a partir da molécula de fibrinogénio em Gr-NiTi só é possível a partir dos estados ocupados electrónica da molécula de fibrinogénio em vazio estados electrónicos de Gr-NiTi no mesmo nível de energia. Ambos grafeno única e poucas camadas são semi-metais, à temperatura ambiente com um baixo p (E) na vizinhança de F E 24. Assim, a troca de carga actual do fibrinogénio às grafeno é insignificante (quando comparado com o nitinol nu), devido a baixos valores de p (E). Esta propriedade intrínseca de revestimentos grafeno é crucial para a inibição de transferência de carga de qualquer fibrinogénio (e subsequente coagulação do sangue).
Foram utilizados micro-espectroscopia Raman para confirmar que a dinâmica de transferência de carga entre fibrinogênio e Gr-NiTi é realmente insignificante. O espectro de Raman do grafeno apresenta várias características nítidas, devido a efeitos de ressonância. Notavelmente, a banda tangencial (G-banda) surge a partir da vibração plana de átomos de carbono e foi previamente encontrado para ser altamente sensíveis à carga de transferência. Freqüência de 25 A banda G é conhecida a troca de marcha (redução de marcha) quando qualquer receptor (doador) espécies interage com o grafeno através de transferência buraco (elétron). Importante, o LineShape do dev G-bandaiates de uma Lorentziana simétrica para assimétrica Breit-Wigner-Fano (BWF) LineShape devido à transferência de carga. 25 Como esperado, não observamos uma mudança na frequência de banda G de grafeno sobre adsorção de fibrinogênio confirmando a ausência de transferência de carga entre Gr-NiTi e fibrinogénio (Figura 6). Tal inibição de transferência de carga e relação FIB / alb baixo indicam hemocompatibilidade bom de revestimentos de grafeno.
Inércia química dos revestimentos Graphene: Graphene é conhecido por actuar como uma camada de protecção, devido às suas propriedades físico-químicas únicas. Seu sp 2 retículo proporciona uma barreira de difusão natural e, portanto, impede a lixiviação de iões de metal a partir do material de implante. Recentemente, o grafeno tem sido usado como um balão microscópico hermética 26 e revestimento protector para a Cu / Ni. 27 Embora a estabilidade e a impermeabilidade do grafeno estão bem documentados na litroature, apresentamos os nossos dados relacionados com a gravação de uma moeda de Cu na Figura 7 para reiterar a utilidade ea viabilidade de grafeno como revestimentos de implantes. Como mostrado na Figura 7a, a porção grafeno revestido da moeda (~ 95% de Cu) permanece protegida da oxidação quando exposto a H 2 O 2, enquanto a região nua da moeda se tornou descorada em contacto com 5% de H 2 O 2 (ver a imagem do microscópio óptico ampliada na figura 7a).
Para testar a durabilidade dos revestimentos de grafeno, expusemos Gr-NiTi substratos de ácido nítrico a 70% até que o NiTi foi parcialmente gravado fora. Em nossa espectroscopia de Raman in situ da Gr-NiTi imerso em HNO 3 não apresentaram alteração do D-e L-banda de grafeno implicando que o revestimento de grafeno é extremamente durável (Figura 7b). Além disso, verificou-se que o revestimento de grafeno em Gr-NiTi reduz a taxa de corrosão do coppe subjacenter, como mostrado na Figura 7c.
Em conclusão, nossos detalhadas medições espectroscópicas confirmaram a falta de transferência de carga entre o grafeno e fibrinogênio sugerindo que o revestimento de grafeno inibe a ativação plaquetária por implantes. Além disso, os revestimentos de grafeno não exibem qualquer toxicidade significativa em testes in vitro sobre linhas endoteliais e musculares lisas celulares confirmando sua biocompatibilidade. Além disso, os revestimentos de grafeno foram encontrados para ser quimicamente inerte, resistente e impermeável no fluxo sanguíneo ambiente. O bio-e hemocompatibilidade de revestimentos de grafeno, juntamente com a sua inércia química, durabilidade e impermeabilidade fazer um material grafeno única para implantes de revestimento biomédicas. Por fim, notamos que conseguimos transferir folhas de grafeno em fibras individuais de NiTi, usando o que a malha grafeno revestido pode ser fabricado. Desenvolvemos também quimicamente esfoliadas folhas de grafeno que podem ser diretamente giram ont revestidoo os stents malha-como. Além disso, nossos experimentos preliminares mostram que é realmente possível crescer grafeno diretamente em liga de NiTi.
Não há conflitos de interesse declarados.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Reagente | |||
Modified Eagle Médium da Dulbecco | ATCC | 30-2002 | |
Azul de tiazolilo tetrazólio | Sigma-Aldrich | M2128 | |
CellTiter 96 Aqueous One solução ensaio de proliferação celular (MTS) | Promega | G3582 | |
Dimetilsulfóxido | Sigma-Aldrich | D8418 | |
36,5% de formaldeído | Sigma-Aldrich | F8775 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | |
Alexafluor 488 faloidina | Life Technologies | A12379 | |
Vectashield meio de montagem com DAPEu | Vector Laboratories | H-1200 | |
Albumina de soro humano | Sigma-Aldrich | A9511 | |
O fibrinogénio humano | |||
Tris / glicina / SDS | Bio-Rad | 161-0732 | |
Pronto Gel Gel de Tris-HCl | Bio-Rad | 161-1158 | |
Ácido acético | Sigma-Aldrich | 45726 | |
Sypro Vermelho | Life Technologies | S-6653 | |
Proteína ensaio BCA baixo | Lamda Biotech | G1003 | |
Precision Plus Padrão Caleidoscópio Proteína | Bio-Rad | 161-0375 | |
Immun-Blot membrana PVDF | Bio-Rad | 162-0177 | |
Blotting grau bloqueador de leite seco não gordo | Bio-Rad | 170-6404XTU | |
Anti-actina de anticorpos produzidos em coelho | Sigma-Aldrich | A2066 | |
Quimioluminescência BM kit Western Blot (rato / coelho) | Roche Applied Science | 11520709001 | |
Tampão RIPA | Sigma-Aldrich | R0278 | |
NiTi (51% Ni, Ti 49%) | Alfa-Aesar | 44953 | |
Equipamento | |||
Horiba JobinYvon | Raman espectrômetro | Dilor XY 98 | |
Nikon | Microscópio confocal | Eclipse microscópio TI | |
Thermoscientific | Leitor de placa | ||
Bio-Rad | Fonte de alimentação | 164-5050 | PowerPac alimentação básica |
Bio-Rad | Célula de eletroforese | 165-8004 | Mini-PROTEAN célula tetra |
Bio-Rad | Cassete titular gel | 170-3931 | Mini cassete titular gel |
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