Advanced Bioceramics in Nanomedicine and Tissue Engineering

375 Pages·2010·19.646 MB·375\375

by  Vallet-Regí, M., Vila, M. (Eds.)

Advanced Bioceramics
in Nanomedicine and
Tissue Engineering
Special topic volume with invited peer reviewed papers only.
Edited by
M. Vallet-Regí and M.Vila

TRANS TECH PUBLICATIONS LTD

Switzerland • UK • USA
Copyright © 2010 Trans Tech Publications Ltd, Switzerland

All rights reserved. No part of the contents of this publication may be
reproduced or transmitted in any form or by any means without the
written permission of the publisher.

Trans Tech Publications Ltd
Laubisrutistr. 24
CH-8712 Stafa-Zurich
Switzerland
http://www.ttp.net
Volume 441 of
Key Engineering Materials
ISSN 1013-9826
Full text available online at http://www.scientific.net

Distributed worldwide by and in the Americas by
Trans Tech Publications Ltd. Trans Tech Publications
Inc.
Laubisrutistr. 24 PO Box 699, May Street
CH-8712 Stafa-Zurich Enfield, NH 03748
Switzerland USA
Phone: [phone]
Fax: [phone] Fax: [phone]
e-mail: [email protected] e-mail: [email protected]
Preface

Challenges in nanomedicine and tissue engineering

Nanoscience is revolutionizing the design of medical devices, scaffolds and drug
delivery systems. The scientific community, for approaching the still actual unsolved
critical problems in tissue regeneration and disease treatment, has proposed to use new
methods based on nanotechnology.
The new discoveries on nano systems for other research areas have opened the
possibility of using them in biomedicine. But this nanoscience and these highlight ideas
bordering the science fiction, have to be kept in perspective for not loosing the ground
in terms of possibilities, fabrication, safety and applications inside the limits that the
biology of the human body requires.
In modern society our needs of nanomedicine focus nowadays in the treatment
of cancer, tissue regeneration, diagnosis and imaging. These needs, blossom as a huge
effort for diminishing the secondary effects of aggressive treatments or to see what until
now was unimaginable to observe or to regenerate tissue where it has been lost.
The main goal of this book is to join together some of the new advanced trends
in biomedicine that involves potential nano candidates for the future disease treatments,
diagnosis and control of biological systems and regenerative medicine.
One of the main requirements on these nanosystems is that they react with an
intelligent response under certain stimuli, to do what we design them for, so we can call
them “smart materials”. These intelligent materials will perform certain activities inside
the human body and will be activated by internal or external stimuli.
With this book, we tried to make a review in three parts, of the leading advances
in biomedicine related to nanoceramics and nanosystems. These three Parts are
dedicated to:
Part I. Carbon nanotubes. Heights of science fashion and under the critical eyes
of the community, are giving rise to a vast field of applications in nanomedicine. Their
possible use as nanocarriers of several substances such as DNA, proteins, drugs, etc…,
for imaging or drug delivery, or the simple use of their exceptional properties by
applying an external stimuli of infrared light, acoustic waves or electrical impulses, as
well as their mechanical resistance, open a new window, carefully and deeply explored.
Moreover, we have included in this section a chapter showing the important role
that the electron transmission microscopy techniques display on the nanotube
characterization. This technique is and efficient method for characterizing
nanomaterials.
Part II. Scaffolds for tissue engineering. Implants and prostheses as we
imagined and classified as 1st and 2nd generation biomaterials are being substituted by
materials that induce and accelerate bone regeneration processes. The aim of these
materials in the form of scaffolds is to “disappear” as the new tissue is being formed.
The new technologies for designing them are already combining in situ drug delivery
and promotion of cell interactions envisaging total bone healing and reconstruction.
Part III. Nanoparticles. The promises for cancer treatment; Will they win the
battle against this disease? The aim is to develop safer and more effective therapeutic or
diagnostic modalities to avoid the aggression to the body of the actual treatments. There
have been already huge advances in gene/drug delivery as well as in molecular imaging
using targeted multi-functionalized nanoparticles.
As all the new emergent ways of technology in their earlier stages, there is
always a question to make, is this nanotechnology harmful? Toxicity in nano-
dimensional systems has been studied since the early beginning of their boom. For
example, the main problem of using carbon nanotubes on medicine was the toxicity
they presented in certain applications. Nowadays, these multilevel complex
nanosystems are able to be finely engineer and manipulated to be designed to fulfil our
requirements. Their surfaces are functionalized, their structures are modified and the
barrier of toxicity is being knocked down. Carbon nanotubes are already well known,
and are the example of how a response can be transformed. This fact opens the door to
more recently proposed nanoparticles that maybe today find limits on their application,
but in a few years could be the new Trojan horses against disease.
There are still many challenges remaining to be overcame, as the efficiency of
encapsulation and targeting or the toxicity, but the better understanding of these systems
envisages wide clinical improvements.
Because of all these reasons we have joined together specialized scientists in the
three areas to give an overview and a reference of what nowadays are the hot topics of
nanomedicine.
M. Vallet-Regí and M.Vila
Table of Contents
Preface
Part 1: Carbon Nanotubes
Carbon Nanotubes: A Solution for Processing Smart Biomaterials
M. Vila, M. Manzano and M. Vallet-Regí 3
Carbon Nanotube Coatings and Applications in Tissue Engineering Scaffolds
A.R. Boccaccini and L.C. Gerhardt 31
Formulating Nanomedicines: Focus on Carbon Nanotubes as Novel Nanoexcipients
M. Foldvari 53
Driving Forces and Consequences of the Adsorption of Proteins to Carbon Nanotubes
M.F. Mora, L.E. Valenti, C.D. García and C.E. Giacomelli 75
High Resolution Electron Microscopy: A Powerful Tool to Characterize Nanotubes
M.L. Ruiz-González and J.M. González-Calbet 95
Part 2: Scaffolds
Bioactive Glass Scaffolds with Hierarchical Structure and their 3D Characterization
J.R. Jones and P.D. Lee 123
Design of Hierarchically Porous Materials for Bone Tissue Regeneration
H.S. Yun 139
Generating Porous Ceramic Scaffolds: Processing and Properties
U. Deisinger 155
Calcium Phosphate Ceramics as Bone Drug-Combined Devices
E. Verron and J.M. Bouler 181
Bioactive Composites Based on Calcium Phosphates for Bone Regeneration
M. Navarro and J.A. Planell 203
Dendritic Macromolecules: New Possibilities
for Advanced Bioceramics
B. González, C. López de Laorden, M. Colilla and M. Vallet-Regí 235
Biomineralization of Polymer Scaffolds
E. Katsanevakis, X.J. Wen, D.L. Shi and N. Zhang 269
Part 3: Nanoparticles
Functionalized Calcium Phosphate Nanoparticles for Biomedical Application
M. Epple and A. Kovtun 299
On Cancer Nanotechnology
R. Bosetti and L. Vereeck 307
Multifunctional Nano and Microparticles for Drug Delivery Systems
E. Ruiz-Hernández, A. López-Noriega, D. Arcos and M. Vallet-Regí 333
Drug Targeting and other Recent Applications of Magnetic Carriers in Therapeutics
A.K.A. Silva, E.L. Silva, J.F. Carvalho, T.R.F. Pontes, R.P.d.A. Neto, A.d.S. Carriço and E.S.T.
Egito 357
PPaarrtt 11::
CCaarrbboonn NNaannoottuubbeess
CCaarrbboonn NNaannoottuubbeess:: aa ssoolluuttiioonn ffoorr pprroocceessssiinngg ssmmaarrtt bbiioommaatteerriiaallss..
MM.. VViillaa,, MM.. MMaannzzaannoo aanndd MM.. VVaalllleett--RReeggíí

DDeepptt.. QQuuíímmiiccaa IInnoorrggáánniiccaa yy BBiiooiinnoorrggáánniiccaa.. FFaaccuullttaadd ddee FFaarrmmaacciiaa.. UUnniivveerrssiiddaadd CCoommpplluutteennssee ddee
MMaaddrriidd.. PPllaazzaa ddee RRaammóónn yy CCaajjaall ss//nn.. 2288004400 MMaaddrriidd.. SSppaaiinn CCeennttrroo ddee IInnvveessttiiggaacciióónn BBiioommééddiiccaa eenn
RReedd.. BBiiooiinnggeenniieerrííaa,, BBiioommaatteerriiaalleess yy NNaannoommeeddiicciinnaa,, CCIIBBEERR--BBBBNN

11.. IInnttrroodduuccttiioonn

11..11 SSmmaarrtt mmaatteerriiaallss
IInn tthhee rreecceenntt yyeeaarrss tthhee ddrriivviinngg ffoorrccee ffoorr tteecchhnnoollooggiiccaall cchhaannggee iinn mmaannyy rreessppeeccttss hhaass sshhiifftteedd
ttoowwaarrddss tthhee ddeessiiggnn aanndd pprroocceessss ooff mmaatteerriiaallss tthhaatt ooffffeerr aa sseett ooff rreessppoonnsseess ttoo eexxtteerrnnaall ssttiimmuullii oorr
eennvviirroonnmmeennttaall ccoonnddiittiioonnss.. TThheessee mmaatteerriiaallss aarree ccaalllleedd ““ssmmaarrtt mmaatteerriiaallss””.. SSuucchh rreessppoonnsseess aarree
ddeessiiggnneedd ttoo ffuullffiill tthhee rraannggee ooff sscceennaarriiooss ttoo wwhhiicchh aa mmaatteerriiaall oorr ssttrruuccttuurree mmaayy bbee eexxppoosseedd pprroovviiddiinngg
tthheemm wwiitthh aa ppaarrttiiccuullaarr ffuunnccttiioonnaalliittyy..
TThheessee mmaatteerriiaallss aarree nnoott oonnllyy uusseeffuull bbeeccaauussee ooff tthheeiirr ssttrruuccttuurraall,, cchheemmiiccaall,, pphhyyssiiccaall oorr
mmeecchhaanniiccaall pprrooppeerrttiieess;; tthheeyy ccaann aallssoo ppeerrffoorrmm aann aaccttiioonn wwiitthhiinn aa pprroocceessss..
IItt hhaass bbeeeenn ddeessccrriibbeedd11 tthhaatt ssmmaarrtt ssttrruuccttuurreess eexxhhiibbiitt oonnee oorr mmoorree ooff tthhee ffoolllloowwiinngg ffeeaattuurreess;;
tthheeyy ccaann aacctt aass sseennssoorrss oorr aaccttuuaattoorrss wwiitthhiinn aa ssttrruuccttuurraall mmaatteerriiaall oorr bboonnddeedd iinn tthhee ssuurrffaaccee;; oorr tthheeyy
hhaavvee ccoonnttrroollllaabbllee ccaappaabbiilliittiieess tthhaatt ppeerrmmiitt ttoo rreessppoonndd ttoo tthhee ssttiimmuullii aaccccoorrddiinngg ttoo aa pprreessccrriibbeedd
ffuunnccttiioonn.. TThheessee mmaatteerriiaallss bbeeccoommee iinntteelllliiggeenntt wwhheenn tthheeyy hhaavvee tthhee aabbiilliittyy ttoo rreessppoonndd iinntteelllliiggeennttllyy aanndd
aauuttoonnoommoouussllyy ttoo cchhaannggiinngg ccoonnddiittiioonnss..
TThheerree aarree lloottss ooff ppoossssiibbiilliittiieess wwiitthhiinn tthhee tteerrmm ffuunnccttiioonnaall ““ssmmaarrtt mmaatteerriiaallss”” bbuutt iinn aallll ooff tthheemm,,
tthhee tteerrmm iiss uusseedd ttoo ddeessccrriibbee ssyysstteemmss wwhhiicchh rreessppoonndd ttoo aa ssttiimmuulluuss iinn aa uusseeffuull aanndd pprreeddiiccttaabbllee mmaannnneerr..
NNoowwaaddaayyss iitt iiss wwiiddeellyy kknnoowwnn tthhee uusseeffuull ccaappaabbiilliittyy ooff,, ppiieezzooeelleeccttrriicc,, eelleeccttrroo--ooppttiicc,, mmaaggnneettiicc,,
eelleeccttrroo--mmeecchhaanniicc mmaatteerriiaallss,, eettcc……tthhaatt rreessppoonndd ttoo ssttiimmuullii ssuucchh aass,, eelleeccttrriicc oorr mmaaggnneettiicc ffiieellddss,, ssttrreessss,,
tteemmppeerraattuurree,, mmooiissttuurree oorr ppHH.. TThheessee mmuullttiiffuunnccttiioonnaall cchhaarraacctteerr aanndd ccaappaabbiilliittyy ooff bbiioommaatteerriiaallss mmaakkeess
tthheemm ssuuiittaabbllee ffoorr aa bbiigg nnuummbbeerr ooff aapppplliiccaattiioonnss iinn eevveerryy oorrddeerr ooff hhuummaann aaccttiivviittyy,, ffrroomm pphhoottoocchhrroommiicc
lleennsseess ffoorr ssuunnggllaasssseess ttoo mmiilliittaarryy aanndd aaeerroossppaaccee uusseess.. TThheeyy aarree aallrreeaaddyy aa bbiigg ppaarrtt ooff tthhee mmaarrkkeett iinn tthhee
eennggiinneeeerriinngg iinndduussttrryy..
IInn tthhee bbiioommeeddiiccaall rreesseeaarrcchh aarreeaa,, iitt iiss bbeeiinngg aa ggiiaanntt eeffffoorrtt ooff eennggiinneeeerriinngg aanndd ddeessiiggnniinngg
mmaatteerriiaallss ccooppyyiinngg ccoonncceeppttss ffrroomm bbiioollooggiiccaall ssttrruuccttuurreess wwiitthh tthhee ppuurrppoossee ooff pprroocceessssiinngg ssyynntthheettiicc
mmaatteerriiaallss tthhaatt wwiillll mmiimmiicc tthhee nnaattuurraall ssttrruuccttuurreess.. TThhee „„ssmmaarrtt‟‟ oorr iinntteelllliiggeenntt rreessppoonnssee,, wwiillll aallllooww tthhee
ssttrruuccttuurree ttoo aaddaapptt aanndd iinntteerraacctt wwiitthh tthhee mmeeddiiaa iinndduucciinngg bbiioollooggiiccaall rreessppoonnsseess..
4 Advanced Bioceramics in Nanomedicine and Tissue Engineering
NNoowwaaddaayyss,, tthhee ssoolluuttiioonnss ffoorr rreeppaaiirriinngg ttiissssuueess oorr ttrreeaattiinngg ddiisseeaasseess bbaasseedd oonn bbiioommaatteerriiaallss
aapppplliiccaattiioonnss hhaavvee ddeevveellooppeedd hhiigghhllyy ssuucccceessssffuull ssoolluuttiioonnss.. FFoorr eexxaammppllee,, nneeuurraall nneettwwoorrkkss,, ssyysstteemmss
wwhhiicchh rreessppoonndd ttoo tteemmppeerraattuurree aanndd ppHH,, ssttiimmuullii--rreessppoonnssiivvee ppoollyymmeerr ssyysstteemmss,, sshhaappee mmeemmoorryy
mmaatteerriiaallss,, bbiioommaatteerriiaallss ddeessiiggnneedd ttoo aacctt aass aann ““oonn--ooffff”” sswwiittcchh ffoorr ddrruugg ddeelliivveerryy tteecchhnnoollooggiieess,, ggeennee
tthheerraappyy,, aaffffiinniittyy sseeppaarraattiioonnss,, cchhrroommaattooggrraapphhyy,, ddiiaaggnnoossttiiccss,, iimmaaggiinngg eettcc....;; oorr mmoovveeaabbllee mmaaggnneettiicc
nnaannooppaarrttiicclleess tthhaatt ccaann ccaarrrryy aannttiiccaanncceerr aaggeennttss ttoo tthhee ccaanncceerr oorr ttuummoouurr cceellll,, eettcc…… ssuucchh ssmmaarrtt
bbiioommaatteerriiaallss aarree rreevvoolluuttiioonniizziinngg tthhee ddeessiiggnn ooff mmeeddiiccaall ddeevviicceess aanndd ddrruugg ddeelliivveerryy ssyysstteemmss..
AAllssoo,, bbiioommaatteerriiaallss ssttrruuccttuurriinngg ssccaaffffoollddss ffoorr ttiissssuuee eennggiinneeeerriinngg ppllaayy aa vveerryy iimmppoorrttaanntt rroollee iinn
rreeggeenneerraattiivvee mmeeddiicciinnee.. TThhee nnaattuurree aanndd ssttrruuccttuurree ooff tthheessee bbiioommaatteerriiaallss aaffffeecctt tthhee lloonngg--tteerrmm ssuucccceessss
aanndd tthhee wwoouunndd hheeaalliinngg pprroocceessss.. NNeevveerrtthheelleessss,, aalltthhoouugghh nnoowwaaddaayyss tthheeyy aarree aallrreeaaddyy wwiiddeellyy aapppplliieedd iinn
iimmppllaanntt ssuurrggeerryy,, tthheerree aarree ssttiillll lliimmiittaattiioonnss iinn tthheeiirr uussee aass aallll tthhee mmeeddiiccaall iimmppllaannttss mmeettaalllliicc,, cceerraammiicc
oorr ppoollyymmeerriicc hhaavvee sseeccoonnddaarryy rreeaaccttiioonnss tthhaatt aarree nnoott ssttiillll aavvooiiddeedd,, ssuucchh aass tthhee ffoorrmmaattiioonn ooff
uunnddeessiiddeerraabbllee ffiibbrroouuss ttiissssuuee aarroouunndd tthhee iimmppllaanntt oorr iittss wweeaarr aanndd tteeaarr lleeaaddiinngg ttoo tthhee iimmppllaanntt ffaaiilluurree
aanndd ssuubbsseeqquueenntt rreemmoovviinngg..
AAnn aapppprrooaacchh ffoorr iimmpprroovviinngg tthheeiirr ppeerrffoorrmmaannccee hhaass bbeeeenn,, ffoorr eexxaammppllee,, iinnttrroodduucciinngg nnaannoossiizzeedd
ppaarrttiicclleess aanndd ccaarrbboonn nnaannooffiibbeerrss iinnttoo iimmppllaanntt mmaatteerriiaallss oorr ffuunnccttiioonnaalliizziinngg tthheeiirr ssuurrffaacceess wwiitthh
bbiioollooggiiccaallllyy aaccttiivvee mmoolleeccuulleess ffoorr eennhhaanncciinngg oosstteeoobbllaassttiicc cceellllss aaddhheessiioonn.. TThheerreeffoorree,, ccoonnttrroolllliinngg tthhee
bbiioommaatteerriiaall ssuurrffaaccee bbyy tthhee ccoommbbiinnaattiioonn ooff sseevveerraall mmaatteerriiaallss,, oonnee ccoouulldd ttaakkee aaddvvaannttaaggee ooff tthhee
ddiiffffeerreenntt pphhyyssiiccaall aanndd cchheemmiiccaall pprrooppeerrttiieess ooff tthhee ccoommbbiinnaattiioonn,, aanndd uussee tthheemm wwiitthh aa ssppeecciiffiicc ppuurrppoossee..
FFoorr eexxaammppllee,, aass iitt wwiillll bbee ccoommmmeenntteedd llaatteerr,, uussiinngg tthhee eelleeccttrrooaaccttiivvee pprrooppeerrttiieess ooff ccaarrbboonn nnaannoottuubbeess
((CCNNTTss )) bblleennddeedd iinnttoo aa bbiioommaatteerriiaall,, eennhhaanncceedd cceellll bbeehhaavviioouurrss ccoouulldd bbee oobbttaaiinneedd..
TThhee aallrreeaaddyy wweellll eessttaabblliisshheedd rreesseeaarrcchh iinn nnaannoommaatteerriiaallss iiss ooppeenniinngg nneeww ssttrraatteeggiieess iinn tthhee
ddeessiiggnn ooff bbiioommaatteerriiaallss.. AAss tthhee mmaaiinn ffeeaattuurree ooff tthhiiss cchhaapptteerr,, CCNNTTss aarree ppaarrtt ooff aa ggrroowwiinngg nneeww ccllaassss ooff
ffuunnccttiioonnaall ssmmaarrtt bbiioommaatteerriiaallss..

11..22 CCaarrbboonn nnaannoottuubbeess
CCaarrbboonn nnaannoottuubbeess aarree oonnee ooff tthhee aalllloottrrooppeess ((eelleemmeennttss tthhaatt ccaann eexxiisstt iinn ttwwoo oorr mmoorree ddiiffffeerreenntt
ffoorrmmss)) ooff ccaarrbboonn,, wwiitthh aa ccyylliinnddrriiccaall nnaannoossttrruuccttuurree.. TThhee ffaacctt tthhaatt ccaarrbboonn ccoouulldd ffoorrmm ssttaabbllee,, oorrddeerreedd
ssttrruuccttuurreess ootthheerr tthhaann ggrraapphhiittee aanndd ddiiaammoonndd,, iinnssppiirreedd rreesseeaarrcchheerrss ttoo sseeaarrcchh ffoorr ootthheerr nneeww ffoorrmmss ooff
ccaarrbboonn.. AAfftteerr tthhee ddiissccoovveerryy ooff tthhee CC6600 BBuucckkmmiinnsstteerrffuulllleerreennee22,, tthhee eexxpplloorraattiioonn wwaass ggiivveenn nneeww
mmoottiioonn wwhheenn iitt wwaass sshhoowwnn iinn 11999900 tthhaatt tthheessee CC6600 ccoouulldd bbee pprroodduucceedd iinn aann aarrcc--eevvaappoorraattiioonn
aappppaarraattuuss rreeaaddiillyy aavvaaiillaabbllee iinn tthhee llaabboorraattoorriieess.. TThhee wwoorrkk ssppeecciiffiiccaallllyy oonn ccaarrbboonn nnaannoottuubbeess wwaass
bboooosstteedd bbyy tthhee ppuubblliiccaattiioonn mmaaddee bbyy IIiijjiimmaa tthhaatt rreeppoorrtteedd ffuulllleerreennee--rreellaatteedd ccaarrbboonn nnaannoottuubbeess iinn
11999911..33 TThhee ttuubbeess ccoonnttaaiinneedd aatt lleeaasstt ttwwoo llaayyeerrss,, aanndd rraannggeedd iinn oouutteerr ddiiaammeetteerr ffrroomm aabboouutt 33 nnmm ttoo 3300
Key Engineering Materials Vol. 441 5
nnmm.. TThhoossee wweerree ccaalllleedd mmuullttiiwwaalllleedd ccaarrbboonn nnaannoottuubbeess ((MMWWCCNNTTss)).. LLaatteerr iinn 11999933,, aa nneeww ccllaassss ooff
ccaarrbboonn nnaannoottuubbee wwiitthh jjuusstt aa ssiinnggllee llaayyeerr wwaass ddiissccoovveerreedd..44,,55,,66 ((sseeee FFiigguurree 11))..

FFiigg..11.. SSiinnggllee wwaalllleedd ((lleefftt)) aanndd MMuullttiiwwaalllleedd ((rriigghhtt)) ccaarrbboonn nnaannoottuubbee ssttrruuccttuurreess..

11..22..11 SSttrruuccttuurree aanndd pprrooppeerrttiieess
IInn ccaarrbboonn ssttrruuccttuurreess,, ccaarrbboonn aattoomm bboonnddss ttoo eeaacchh ootthheerr ccoovvaalleennttllyy bbyy tthhee sshhaarriinngg ooff eelleeccttrroonn
ppaaiirrss aanndd tthheessee ccoovvaalleenntt bboonnddss pprreesseenntt ddiirreeccttiioonnaall pprrooppeerrttiieess.. TThhiiss ggiivveess ccaarrbboonn tthhee aabbiilliittyy ttoo aaddaapptt
iinnttoo vvaarriioouuss mmoolleeccuullaarr aanndd ccrryyssttaalllliinnee ssttrruuccttuurreess.. TThhee bboonnddiinngg iinn ccaarrbboonn nnaannoottuubbeess iiss sspp²²,, wwiitthh eeaacchh
aattoomm jjooiinneedd ttoo tthhrreeee nneeiigghhbboouurrss,, aass iinn ggrraapphhiittee.. TThhee ttuubbeess ccaann tthheerreeffoorree bbee ccoonnssiiddeerreedd aass rroolllleedd--uupp
ggrraapphheennee sshheeeettss ((ggrraapphheennee iiss aann iinnddiivviidduuaall ggrraapphhiittee llaayyeerr,, aa ssiinnggllee sshheeeett ooff aa hhoonneeyyccoommbb nneettwwoorrkk ooff
ccaarrbboonn aattoommss)) aanndd wwhheenn iiss ccooiilleedd,, tthhee ccaarrbboonn aarrrraannggeemmeenntt bbeeccoommeess vveerryy ssttrroonngg ((sseeee FFiigguurree 11)).. TThhee
tthhrreeee ddiissttiinncctt wwaayyss iinn wwhhiicchh aa ggrraapphheennee sshheeeett ccaann bbee rroolllleedd iinnttoo aa ttuubbee aarree ddeessccrriibbeedd bbyy tthhee cchhiirraall
vveeccttoorr ((nn,, mm)) tthhaatt rreepprreesseennttss tthhee ““ttwwiisstt"" ooff tthhee nnaannoottuubbee..77 WWiitthh aa sslliigghhtt ddiiffffeerreennccee iinn tthheessee
ppaarraammeetteerrss,, tthhee cchhaarraacctteerr ooff tthhee nnaannoottuubbeess ccoouulldd bbee cchhaannggeedd ffrroomm mmeettaalllliicc ttoo sseemmiiccoonndduuccttoorr.. TThhee
ttuubbee ddiiaammeetteerr aanndd wwrraappppiinngg aannggllee,, bbyy mmeeaannss ooff tthheeiirr cchhiirraalliittyy,, aaffffeecctt iittss ccoonndduuccttaannccee,, ddeennssiittyy,,
llaattttiiccee ssttrruuccttuurree,, aanndd ootthheerr pprrooppeerrttiieess..
DDeeppeennddiinngg oonn tthhee nnuummbbeerr ooff rroolllleedd llaayyeerrss ((ccoonncceennttrriicc ttuubbeess)) ooff ggrraapphhiittee,, ccaarrbboonn nnaannoottuubbeess
aarree ddeeffiinneedd aass MMuullttii--wwaalllleedd nnaannoottuubbeess ((MMWWNNTTss)) oorr SSiinnggllee--wwaalllleedd nnaannoottuubbeess ((SSWWNNTTss)).. MMoosstt
SSWWNNTTss pprreesseenntt aa ddiiaammeetteerr cclloossee ttoo 11 nnaannoommeetteerr,, wwhhiillee ffoorr tthhee MMWWNNTTss tthhee ddiiaammeenntteerr rraannggeess ffrroomm
44 ttoo 5500 nnmm aapppprrooxxiimmaatteellyy..
IInn ggrraapphhiittee,, tthheerree iiss aa ssttaacckkiinngg ooff llaayyeerrss ppaarraalllleell wwiitthh rreessppeecctt ttoo eeaacchh ootthheerr aanndd tthhee cchheemmiiccaall
bboonnddiinngg iinn tthhee llaayyeerrss iiss sspp22 hhyybbrriiddiissaattiioonn wwhhiillee tthhee llaayyeerrss aarree hheelldd ttooggeetthheerr bbyy VVaann ddeerr WWaaaallss
ffoorrcceess.. IInn tthheessee ccaarrbboonn ttuubbeess,, tthhee ffaacctt tthhaatt aallll tthhee bbaassaall ppllaanneess rruunn ppaarraalllleell ccooaaxxiiaall ttoo tthhee ttuubbee aaxxiiss,,
mmaakkeess tthheemm oonnee ooff tthhee ssttrroonnggeesstt mmaatteerriiaallss kknnoowwnn.. IInn tthhiiss ssttrruuccttuurree tthhee wweeaakknneessss ooff ggrraapphhiittee dduuee ttoo
tthhee iinntteerrppllaannaarr bboonnddiinngg ((sseeee ffiigguurree 22)) iiss aavvooiiddeedd aanndd tthhee sspp22 ccaarrbboonn--ccaarrbboonn bboonndd iinn tthhee bbaassaall ppllaannee,,
aass tthhee ssttrroonnggeesstt ooff aallll cchheemmiiccaall bboonnddss,, iiss tthhee oonnllyy bboonndd ddoommiinnaattiinngg tthhee ssttrruuccttuurree..88
6 Advanced Bioceramics in Nanomedicine and Tissue Engineering

FFiigg..22.. PPllaannaarr sshheeeettss ooff ggrraapphhiittee ssttaacckk iinn hheexxaaggoonnaall aarrrraannggeemmeenntt..

AAllssoo,, tthheeiirr llaarrggee eellaassttiicc mmoodduulluuss aanndd bbrreeaakkiinngg ssttrreennggtthh mmaakkeess tthheemm ssuuiittaabbllee ccaannddiiddaatteess aass
rreeiinnffoorrcceemmeenntt eelleemmeennttss iinn cceerraammiicc,, mmeettaall aanndd ppoollyymmeerr mmaattrriixx ccoommppoossiitteess..88
AAss iitt hhaass bbeeeenn mmeennttiioonneedd bbeeffoorree,, pprrooppeerrttiieess iinn eelleeccttrroonniicc ccoonndduuccttiioonn ooff tthheessee nnaannoottuubbeess aarree
ddiirreeccttllyy ddeeppeennddeenntt oonn tthhee ttuubbuullaarr ssttrruuccttuurree,, ddiiaammeetteerr aanndd ddeeggrreeee ooff hheelliiccaall aarrrraannggeemmeenntt.. TThheeyy hhaavvee
bbeeeenn ccllaassssiiffiieedd iinnttoo tthhrreeee ccllaasssseess:: mmeettaalllliicc ttuubbeess,, sseemmiiccoonndduuccttiinngg ttuubbeess wwiitthh vveerryy nnaarrrrooww bbaanndd ggaappss
aanndd sseemmiiccoonndduuccttiivvee oonneess wwiitthh mmooddeerraattee bbaanndd ggaappss.. 99,,1100
MMoorreeoovveerr,, ttaakkiinngg iinnttoo aaccccoouunntt tthhaatt mmoonnooccrryyssttaalllliinnee ddiiaammoonndd iiss oonnee ooff tthhee bbeesstt tthheerrmmaall
ccoonndduuccttoorrss dduuee ttoo iittss ssttiiffff sspp33 bboonnddss,, iitt wwaass eexxppeecctteedd tthhaatt ccaarrbboonn nnaannoottuubbeess hhaadd aann uunnuussuuaall hhiigghh
tthheerrmmaall ccoonndduuccttaannccee.. AAttoommss iinn tthhiiss ssttrruuccttuurree aarree hheelldd ttooggeetthheerr bbyy sspp22 bboonnddiinngg ((eevveenn ssttrroonnggeerr tthhaann
sspp33)) aanndd aarree ccoonnssiisstteedd oonn aattoommiiccaallllyy ppeerrffeecctt ggrraapphhiittiicc ccyylliinnddeerrss wwiitthh aa ffeeww nnaannoommeetteerrss ooff ddiiaammeetteerr..
NNaammeedd hhiigghh vvaalluueess aarree aassssoocciiaatteedd wwiitthh llaarrggee pphhoonnoonn mmeeaann ffrreeee ppaatthhss iinn tthheessee ssyysstteemmss,, wwiitthh tthhee
rriiggiiddiittyy aanndd wwiitthh tthhee aabbsseennccee ooff aattoommiicc ddeeffeeccttss oorr ccoouupplliinngg ttoo ssoofftt pphhoonnoonn mmooddeess ooff tthhee mmeeddiiuumm..1111
MMoorree ssttuuddiieess hhaavvee bbeeeenn mmaaddee aannaallyyzziinngg CCNNTTss pprrooppeerrttiieess ffiinnddiinngg tthhaatt tthheeiirr ffiieelldd eemmiissssiioonn ooff
eelleeccttrroonnss ffrroomm iinnddiivviidduuaallllyy mmoouunntteedd ccaarrbboonn nnaannoottuubbeess iiss eennhhaanncceedd wwhheenn tthhee nnaannoottuubbee ttiippss aarree
ooppeenneedd;;1122 AAddddiittiioonnaallllyy iitt hhaass bbeeeenn ffoouunndd tthhaatt tthheeyy ccaann aaddssoorrbb llaarrggee qquuaannttiittiieess ooff ggaasseess ssuuggggeessttiinngg
tthhaatt tthheeyy mmiigghhtt bbee eeffffeeccttiivvee aass aa hhyyddrrooggeenn--ssttoorraaggee mmaatteerriiaall..1133
IInn tteerrmmss ooff tthheeiirr ooppttiiccaall pprrooppeerrttiieess,, tthheeiirr lliigghhtt--eemmiittttiinngg pprrooppeerrttiieess1144aanndd pphhoottoo--ccoonndduuccttiivviittyy1155
hhaavvee bbeeeenn rreeppoorrtteedd sshhoowwiinngg aa nnaarrrrooww sseelleeccttiivviittyy iinn tthhee wwaavveelleennggtthh ooff eemmiissssiioonn aanndd ddeetteeccttiioonn ooff
lliigghhtt aanndd tthhee ppoossssiibbiilliittyy ooff iittss ffiinnee ttuunniinngg tthhrroouugghh tthhee nnaannoottuubbee ssttrruuccttuurree iinntteerreessttiinngg ffoorr tthhee
ddeevveellooppmmeenntt ooff lliigghhtt sseennssoorrss..
IInn rreellaattiioonn wwiitthh tthheeiirr bbiiooccoommppaattiibbiilliittyy,, CCNNTTss hhaavvee bbeeeenn uunnddeerr ddiissccuussssiioonn aass aatt tthhee bbeeggiinnnniinngg
ooff tthhiiss nnaannootteecchhnnoollooggyy bboooomm,, iitt wwaass bbeelliieevveedd tthhaatt tthheeyy wweerree ttooxxiicc hhoowweevveerr rreecceenntt ssttuuddiieess oonn CCNNTTss