The effect of carbon nanostructures on human cell behavior and the role of fetal bovine serum in cell adhesion

Abstract

Uhlíkové alotropy - grafen (G) a nanokrystalický diamant (NCD) - patří mezi nadějné nanomateriály vynikající výjimečnou kombinací vlastností jako jsou vysoká mechanická pevnost, elektrická a tepelná vodivost, možnost funkcionalizace a velký poměr povrchu k objemu. Z těchto důvodů jsou G and NCD využívány kromě elektroniky také v biomedicínských aplikacích zahrnujících potahování implantátů, dopravu léčiv a genů do buněk a biosenzory. Za účelem základní charakterizace chování buněk na G a NCD byla studována adheze a proliferace osteoblastů na těchto materiálech, které byly různě upravené. Obecně lze říci, že G a NCD sloužily jako lepší substrát pro kultivaci osteoblastů než kontrolní polystyren speciálně upravený pro kultivaci buněk. Lepší adheze buněk, ale nižší proliferace, byla pozorována na NCD ve srovnání s G. Nejvíce překvapivé bylo zjištění, že hydrofobní G s nanostrukturovaným povrchem výrazně více podporoval proliferaci buněk ve srovnání s hydrofilním a plochým G a s oběma NCD (hydrofobním i hydrofilním), které měly mírně drsnější povrch. Díky zvýšené proliferaci buněk může dojít k rychlejšímu osídlení G a NCD buňkami a díky tomu k rychlejší tvorbě nové tkáně, což je žádoucí v biomedicínských aplikacích. Dále bylo ukázáno, že adheze osteoblastů byla zvýšena za počáteční nepřítomnosti...

Graphene (G) and nanocrystalline diamond (NCD) are carbon allotropes and promising nanomaterials with an excellent combination of their properties, such as high mechanical strength, electrical and thermal conductivity, possibility of functionalization and very high surface area to volume ratio. For these reasons, G and NCD are employed next to electronics in biomedical applications, including implant coating, drug and gene delivery and biosensing. For a fundamental characterization of cell behavior on G and NCD, we studied osteoblast adhesion and proliferation on differently treated G and NCD. Generally, both G and NCD exhibited better properties for osteoblast cultivation than control tissue culture polystyrene. Better cell adhesion but lower cell proliferation were observed on NCD compared to G. The most surprising finding was that hydrophobic G with nanowrinkled topography enhanced cell proliferation extensively, in comparison to hydrophilic and flat G and both NCDs (hydrophobic and hydrophilic) with slightly higher roughness. Promoted cell proliferation enables faster cell colonization of G and NCD substrates, meaning faster new tissue formation which is beneficial in biomedical applications. Furthermore, it was shown that osteoblast adhesion was promoted in the initial absence of fetal bovine...