石墨烯材料在骨再生领域的进展

 

石墨烯材料的生物相容性

石墨烯及其衍生物在生物医学领域的应用，首先应该评估其生物相容性。碳纳米材料的形状和物理化学特性对于细胞，组织和器官的相互作用起着非常重要的作用。

 

以下几个方面都需要考虑：

细胞毒性

石墨烯材料在体内的生物学行为

石墨烯材料的功能化修饰

   这些关键的问题被攻克或被转化，石墨烯材料才能真正用在医学骨再生领域使用而不伤害人体。

 

石墨烯材料在干细胞成骨分化中的作用

骨组织重建，是骨科临床工作中最主要的问题。随着干细胞治疗思路的发展，基于人间充质干细胞（hMSC）的成骨分化能力进行骨组织重建一直是组织工程领域的研究热点。近年来，有多项研究表明，石墨烯材料对MSC有粘附和促成骨分化作用。

 

G 加速了 MSC 的成骨分化并增加了骨钙素的表达和钙盐沉积。在使用化学气相沉积法（CVD），将石墨烯涂覆在四种具有不同的刚度和表面粗糙度的基底物（聚二甲基硅氧烷（PDMS），PET，玻璃载片和 Si/SiO2）表面，并用这些基底物培养 hMSC，以研究石墨烯对干细胞生长的影响。结果具有石墨烯的所有四个基质显示出较高的钙盐沉积。石墨烯增强了骨钙素的表达，并加速了 hMSC 中的钙沉积。这证明石墨烯不仅表现出促进 hMSCs 的成骨趋势，而且与 BMP-2 一起协同作用于骨组织生成。

 

如上图，石墨烯材料可以通过吸附浓缩成骨诱导剂而加速干细胞成骨分化过程。

 

有机高分子聚合物经过石墨烯修饰，不仅材料性质发生变化，也能为细胞存活和分化提供了更好的环境。向明胶基复合物中加入 1wt%的 GO 显着提高了拉伸强度，杨氏模量和断裂能分别为 84%，65%和 158%。而同时石墨烯材料也被发现具有抗菌作用抗菌作用。2010年首次报道,研究者将浓度为 85 g/mL 的 GO 与大肠埃希菌共同培养2h，发现大肠埃希菌数量减少了 98.5% 。随后众多研究者纷纷报道了GO的抗菌作用。

 

另外，石墨烯石墨烯也可以复合无机材料。羟基磷灰石（HA）是一种磷酸钙陶瓷，因为其与骨骼中天然磷灰石的化学相似性 ，通常用于骨修复或再生。在硅酸钙中添加 1.5%的石墨烯，可以增强材料的耐磨性，并提高其细胞粘附性。

 

 

有机高分子聚合物经过石墨烯修饰，不仅材料性质发生变化，也能为细胞存活和分化提供了更好的环境。向明胶基复合物中加入 1wt%的 GO 显着提高了拉伸强度，杨氏模量和断裂能分别为 84%，65%和 158%。而同时石墨烯材料也被发现具有抗菌作用抗菌作用。2010年首次报道,研究者将浓度为 85 g/mL 的 GO 与大肠埃希菌共同培养2h，发现大肠埃希菌数量减少了 98.5% 。随后众多研究者纷纷报道了GO的抗菌作用。

 

总结与展望

由于独特的结构和卓越的性能，石墨烯及其衍生物具有巨大的生物医学应用潜力。石墨烯修饰的底物和材料有良好的生物相容性，允许细胞粘附和增殖，可以功能化以结合生物分子，加速MSC增殖分化，改变MSC的生长形态以促进其分化成成骨谱系，这些使得石墨烯材料作为成骨分化诱导剂有很好的前景。

但在其临床应用之前，仍存在一些挑战：一是石墨烯材料的细胞毒性和降解性；二是缺乏对由石墨烯刺激的干细胞分化所涉及的机制和信号通路的的理解。此外，应用于体内之前，一定要充分评估其在组织和器官中的生物分布及其代谢途径。

尽管用于骨科领域的石墨烯的研究仍处于早期发展阶段，但鉴于其优越的性能，石墨烯材料会有光明的未来。