氟化石墨烯改性的生物牙本质:其离子释放、细胞生长、分化潜能和抗压强度的体外研究

Fluorinated graphene-modified biodentine: an in vitro study on its ion release, cell growth, differentiation potential, and compressive strength.

作者信息Fagr Hassan Elmergawy, Iman Ahmed Fathy, Zeinab Mahmoud Abulwafa, Ghada Ahmed Elzayat, Heba Mahmoud Seif
PMID41174650
发布时间2025-10-31
DOI10.1186/s12903-025-06947-7

实验完整度

包含材料制备与表征、离子释放、体外矿化、细胞活力、分化及力学测试等多个独立实验层级。

主要模型

牙髓干细胞(DPSCs) Biodentine水泥圆盘(体外浸泡模型)

重点核对

FG制备采用改良Hummers法,需核对硫酸/磷酸比例(9:1)及处理条件 水泥圆盘制备条件:直径10 mm、高2 mm,样本量n=10,浸泡于10 mL HBSS中 细胞活力测试:细胞接种密度1×10^4 cells/well,MTT检测时间点为1、3、7天 抗压强度测试:圆柱形试件尺寸4 mm×6 mm,n=10,加载速度0.5 mm/min

摘要

目的:本研究评估了在Biodentine(BD)中加入2 wt%氟化石墨烯(FG)后的效果。方法:采用改良Hummers法制备FG,将硫酸和磷酸加入氟化石墨和过锰酸钾中,混合物经加热、过筛、过滤和离心得到FG粉末。通过XRD、FTIR、TEM和SEM/EDX进行表征。在1、14、28天时,评估pH值,并通过电感耦合等离子体光谱法和离子色谱法测定Ca和F离子释放。使用MTT法评估牙髓干细胞的细胞活力,ALP试验用分光光度计评估。通过万能试验机评估抗压强度。对数据进行统计分析(p≤0.05)。结果:XRD和FTIR证实了FG的石墨烯和C-F键,而TEM检测到纳米片。SEM/EDX显示改性的BD-FG表面更粗糙。pH值和Ca离子释放结果显示,改性的BD-FG在第1天显著更高,且累积Ca离子释放显著更高。细胞活力结果显示,在第1天和第7天,改性和未改性的Biodentine之间无显著差异;然而,改性的BD-FG在第3天显示出显著较低的值。两组之间ALP无显著差异,而BD-FG组显示出显著更高的抗压强度。结论:将2 wt% FG掺入BD可增加离子释放、羟基磷灰石形成和机械性能,而不损害细胞活力和分化。临床相关性:添加FG增强了Biodentine的生物活性并提高了其强度,且无细胞毒性,使其成为一种有前景的方法,需要进一步研究。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
将2 wt%氟化石墨烯掺入Biodentine是否影响其离子释放、细胞活力、碱性磷酸酶活性和抗压强度?
核心机制
添加FG增加了Biodentine的钙离子释放和氟离子释放,加速了水合动力学,促进表面羟基磷灰石形成;同时,FG纳米片的高模量和良好分散性增强了抗压强度,且未损害细胞活性和分化潜力。
主要证据
XRD/FTIR证实FG的碳-氟键和石墨烯结构;SEM显示BD-FG表面更粗糙多孔;离子释放实验显示BD-FG第1天钙离子释放和pH显著升高且累积释放量显著更高;ESEM/EDX显示BD-FG表面形成更致密的磷灰石沉淀;MTT和ALP实验表明两组细胞活性和分化无显著差异;万能试验机测试显示BD-FG抗压强度显著更高。
研究意义
作者认为FG是一种有前景的纳米填料,可添加到Biodentine中以增加离子释放和机械性能而不损害生物相容性,但其临床应用还需进一步研究。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

FG的制备与表征

制备氟化石墨烯并确认其结构、官能团和形态特征。

采用改良Hummers法,以氟化石墨、硫酸/磷酸和过锰酸钾为原料制备FG粉末;通过XRD、FTIR、TEM和SEM/EDX进行表征。

2

BD和BD-FG试件的制备与表征

制备未改性和含2 wt% FG的Biodentine试件,并确认FG成功掺入。

将2 wt% FG粉末与BD粉末混合,加入液体后按制造商说明混匀;通过XRD、FTIR、SEM/EDX和元素映射分析表面形态和元素组成。

3

pH和离子释放评估

比较改性与未改性Biodentine在不同时间点的pH、钙离子和氟离子释放。

将水泥圆盘浸泡于HBSS中,在第1、14、28天测量pH、钙离子(ICP-MS)、氟离子(离子色谱)和累积钙释放。

4

体外磷灰石形成能力评估

评估改性与未改性Biodentine在HBSS中浸泡后表面形成磷灰石的能力。

使用ESEM和EDX分析浸泡1、14、28天后的试件表面形态和Ca/P比。

5

细胞活力测试

评估改性与未改性Biodentine对牙髓干细胞活力的影响。

将DPSCs接种于试件上,培养1、3、7天后用MTT法检测细胞活力。

6

碱性磷酸酶活性测试

评估改性与未改性Biodentine对牙髓干细胞成骨分化的影响。

在成骨培养基中培养细胞,第7天测量ALP活性,并归一化至细胞活力。

7

抗压强度测试

比较改性与未改性Biodentine的抗压强度。

制备水泥圆柱体,在万能试验机上进行压缩测试,计算抗压强度。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
氟化石墨片Sigma Aldrich--
生物牙本质Septodont--
Hanks平衡盐溶液Biowest--
Dulbecco磷酸盐缓冲液Invitrogen™--
青霉素Sigma--
链霉素Gibco™--
I型胶原酶Invitrogen™--
Dulbecco改良Eagle培养基GIBCO™--
胎牛血清Hyclone™--
层流柜Thermo Scientific--
MTT溶液Elabsciences™Cat. No PB180519
二甲基亚砜----
地塞米松STEM CELL Technologies--
β-甘油磷酸STEM CELL Technologies--
抗坏血酸STEM CELL Technologies--
ALP检测试剂MG Science and technology centerCat. No MG 214001
X射线衍射仪SHIMADZUPXRD-6000
傅里叶变换红外光谱仪SHIMADZUIRAffinity-1 S
透射电子显微镜JEOLJEM-2100
扫描电子显微镜FEIQuanta FEG-250
能谱分析仪EDAX-AMETEK--
pH计Hanna InstrumentsHI98103
电感耦合等离子体质谱仪Agilent TechnologiesAgilent 7700
离子色谱仪Thermo ScientificDionex ICS 6000
环境扫描电子显微镜ThermofisherQuattro S

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
FG制备
硫酸和磷酸的体积比(9:1);反应温度50°C;搅拌时间12小时;洗涤顺序和体积
阅读提示:参见Materials and methods中的Fabrication of fluorinated graphene (FG)部分
试件制备
FG掺量2 wt%(0.014 g);混合时间30秒;液粉比恒定
阅读提示:参见Materials and methods中的Preparation of FG incorporated biodentine部分
离子释放测试
试件尺寸(直径10 mm,高2 mm);样本量n=10;浸泡液为10 mL HBSS;测试时间点1、14、28天
阅读提示:参见Materials and methods中的Ph behavior and ion release profile部分
细胞活力测试
细胞接种密度1×10^4 cells/well;测试时间点1、3、7天;MTT溶液浓度5 mg/mL,孵育2-4小时
阅读提示:参见Materials and methods中的Cell viability test部分
ALP测试
细胞接种密度1×10^4 cells/well;成骨培养基成分;检测时间点第7天
阅读提示:参见Materials and methods中的Alkaline phosphatase (ALP) assay部分
抗压强度测试
试件尺寸(直径4 mm,高6 mm);样本量n=10;加载速度0.5 mm/min
阅读提示:参见Materials and methods中的Compressive strength testing部分