骨組織工学のための新規亜鉛ドープハイドロキシアパタイト/グラフェンナノコンポジットの抗菌性と細胞挙動

Antibacterial and Cellular Behaviors of Novel Zinc-Doped Hydroxyapatite/Graphene Nanocomposite for Bone Tissue Engineering.

抄録

バクテリアは、スカフォールド移植後の体内感染の重要な原因の一つです。この問題を克服するためにナノテクノロジーを効果的に利用することは、エキサイティングで実用的なソリューションです。ナノ粒子は、受容体や細胞壁との静電相互作用により、細菌の分解を引き起こすことができます。同時に、亜鉛やグラフェンなどの抗菌性材料をナノ粒子に組み込むことで、細菌の分解をさらに促進することができる。本研究では、亜鉛をドープしたハイドロキシアパタイト/グラフェンを合成し、骨組織工学のための抗菌性と生物活性の両方の特性を有するナノ複合材料として特性評価を行った。メカノケミカル法を用いて亜鉛ドープのハイドロキシアパタイトナノ粒子を合成した後、還元型酸化グラフェンと複合化させた。ナノ粒子とナノ複合体のサンプルは、透過型電子顕微鏡、X線回折、ラマン分光法によって広範囲に調査された。また、Escherichia coliおよびStaphylococcus aureusに対する抗菌性を調べた。ハイドロキシアパタイトナノ粒子の抗菌性は、亜鉛をドーピングし、さらにグラフェンと複合化することで、それぞれ2.7倍、3.4倍以上に向上することがわかった。また、間葉系幹細胞を用いて、細胞生存率試験とアルカリホスファターゼ活性によるin vitroの細胞評価を行った結果、ハイドロキシアパタイトナノ粒子を培養液に配合することで、無毒性に加えて、骨髄系幹細胞の増殖促進につながることがわかった。さらに、グラフェンと組み合わせて亜鉛をドーピングすると、アルカリホスファターゼ活性と間葉系幹細胞の増殖が有意に増加した。亜鉛をドープしたハイドロキシアパタイト/グラフェンナノコンポジットの抗菌性と細胞の生体適合性/生物活性は、本研究で成功した骨組織工学に非常に望ましい適切な生物学的特性である。

Bacteria are one of the significant causes of infection in the body after scaffold implantation. Effective use of nanotechnology to overcome this problem is an exciting and practical solution. Nanoparticles can cause bacterial degradation by the electrostatic interaction with receptors and cell walls. Simultaneously, the incorporation of antibacterial materials such as zinc and graphene in nanoparticles can further enhance bacterial degradation. In the present study, zinc-doped hydroxyapatite/graphene was synthesized and characterized as a nanocomposite material possessing both antibacterial and bioactive properties for bone tissue engineering. After synthesizing the zinc-doped hydroxyapatite nanoparticles using a mechanochemical process, they were composited with reduced graphene oxide. The nanoparticles and nanocomposite samples were extensively investigated by transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and Raman spectroscopy. Their antibacterial behaviors against Escherichia coli and Staphylococcus aureus were studied. The antibacterial properties of hydroxyapatite nanoparticles were found to be improved more than 2.7 and 3.4 times after zinc doping and further compositing with graphene, respectively. In vitro cell assessment was investigated by a cell viability test and alkaline phosphatase activity using mesenchymal stem cells, and the results showed that hydroxyapatite nanoparticles in the culture medium, in addition to non-toxicity, led to enhanced proliferation of bone marrow stem cells. Furthermore, zinc doping in combination with graphene significantly increased alkaline phosphatase activity and proliferation of mesenchymal stem cells. The antibacterial activity along with cell biocompatibility/bioactivity of zinc-doped hydroxyapatite/graphene nanocomposite are the highly desirable and suitable biological properties for bone tissue engineering successfully achieved in this work.