石墨烯及其衍生物具有獨(dú)特的物理、化學(xué)及生物學(xué)特性，如具有抗菌性，促進(jìn)成骨，增加復(fù)合材料的耐磨損等，在生物醫(yī)學(xué)及組織工程領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。主要介紹了石墨烯及其衍生物在骨科的應(yīng)用及研究進(jìn)展，從而為未來(lái)它們?cè)诨A(chǔ)及臨床研究提供理論依據(jù)。

石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來(lái)，由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的只有一層原子厚度的二維晶體，其基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)，它可以看做是構(gòu)成零維的富勒烯、一維的碳納米管及三維的石墨和金剛石的基本結(jié)構(gòu)單元(圖1)^[1]。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Novoselo等^[2]成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，并證實(shí)它可以單獨(dú)存在。他們因此也獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。由于單層石墨烯的厚度僅為0.35nm，是世界上已知最薄的新型二維材料，所以具有獨(dú)特的物理、化學(xué)及生物學(xué)特性，因此廣泛應(yīng)用于藥物傳遞、抗菌、臨床檢測(cè)、抗腫瘤、生物工程等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域^[3-7]。石墨烯應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的主要形式是功能化石墨烯，如氧化石墨烯(GO)，還原氧化石墨烯(r-GO)等。這些功能化石墨烯表面含有大量的活性基團(tuán)，比如羰基、羧基、羥基及環(huán)氧基等，這些基團(tuán)使石墨烯具有良好的水溶性及生物相容性^[8]。本文著重介紹了石墨烯及其衍生物在骨科的應(yīng)用及其相關(guān)研究，并為未來(lái)其在基礎(chǔ)及臨床研究提供理論依據(jù)及物質(zhì)基礎(chǔ)。

1 石墨烯及其衍生物的生物學(xué)性能

1.1 抗菌性

中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理所黃慶課題組在2010年首先研究并報(bào)道了石墨烯在抗菌方面的研究^[9]。他們的研究發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯懸液在與大腸桿菌孵育2h后抑菌率達(dá)到90%以上，其抗菌性的主要原理是基于氧化石墨烯對(duì)大腸桿菌細(xì)胞膜的機(jī)械切割破壞。同時(shí)，Liu等^[10]研究發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯和還原氧化石墨烯都可以氧化細(xì)菌體內(nèi)的還原型谷胱甘肽，因此認(rèn)為氧化石墨烯及還原氧化石墨烯的抗菌性除了來(lái)自對(duì)細(xì)胞膜的破壞外，還可能來(lái)自其引發(fā)的氧自由基進(jìn)而誘發(fā)的氧化損傷。最近幾年發(fā)現(xiàn)一種新的石墨烯抗菌機(jī)理，認(rèn)為石墨烯不但可以通過(guò)接觸切割作用對(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜進(jìn)行破壞，還可以通過(guò)大規(guī)模的直接抽提細(xì)胞膜上的磷脂分子來(lái)破壞細(xì)胞膜并殺死細(xì)菌^[11]。植入物的細(xì)菌感染一直是一個(gè)很大的臨床問(wèn)題，這通常和生物材料表面粘附和形成生物膜有關(guān)。而Kumar等^[12]將聚已內(nèi)脂(poly-caprolactone，PCL)與PCL/GO，PCL/rGO，PCL/AGO(胺功能化的氧化石墨烯)進(jìn)行大腸桿菌的抗菌性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PCL/AGO的抗菌性最強(qiáng)，然后分析3種復(fù)合物的硬度、促細(xì)胞增殖、干細(xì)胞成骨分化、生物膜的抑制作用(圖2)，得出AGO的作用最佳，更適合在骨科中應(yīng)用

1.2 促成骨分化性

Keun等^[13]將GO-Ti膜植入到大鼠缺損的顱骨中，發(fā)現(xiàn)GO-Ti膜顯著提升了全層缺損顱骨的新骨生成并且沒(méi)有發(fā)生炎癥反應(yīng)。這表明GO-Ti膜可有效地刺激成骨細(xì)胞分化并且展現(xiàn)出了優(yōu)秀的生物活性。Elkhenany 等^[14]利用石墨烯作為支架促進(jìn)成年山羊骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖、分化為成骨細(xì)胞。Aryaei等^[15]證明了石墨烯不會(huì)對(duì)成骨細(xì)胞產(chǎn)生毒性，并且可以顯著地提高成骨細(xì)胞的粘附和增殖。

1.3 載藥緩釋性

藥物和生物活性分子可以直接轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)，但由于機(jī)體免疫系統(tǒng)，酶及其他因素的影響，通常在到達(dá)作用部位前即被降解或吸收，而有效的藥物載體可以實(shí)現(xiàn)控制釋放或緩慢釋放，減少藥物的毒副作用，提高療效^[16]。

2 石墨烯及其衍生物在骨科中的應(yīng)用

2.1 用于生物材料

石墨烯及其衍生物利用其獨(dú)特的物理、化學(xué)及良好的生物相容性，能與其他材料相結(jié)合構(gòu)成新的復(fù)合材料。

2.1.1 羥基磷灰石(hydroxyapatite，HAP)?HAP具有特殊的生物活性、生物相容性和骨傳導(dǎo)性，但拉伸強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度較差，限制了其作為骨科材料的實(shí)際應(yīng)用。以石墨烯作為增強(qiáng)材料，可改善HAp的力學(xué)性能，提高HA的強(qiáng)度^[19]。Lee等^[20]發(fā)現(xiàn)rGO和HAp形成的納米復(fù)合物(rGO/HAp NCs)可以提高前成骨細(xì)胞MC3T3-E1的成骨分化并且促進(jìn)新骨生成。免疫印跡分析顯示rGO/HAp NCs可以顯著增加骨鈣蛋白和骨橋蛋白的表達(dá)水平。Feng等^[21]建立了一種由石墨烯納米片(GNSs)-碳納米管(CNTs)-石墨烯納米片(GNSs)構(gòu)成的納米三明治結(jié)構(gòu)，來(lái)提高羥基磷灰石-聚醚醚酮(HAP-PEEK)支架的機(jī)械性能，原因?yàn)镃NTs將兩層GNSs分隔開(kāi)，增大了支架和基質(zhì)間的有效接觸面積。并得出CNTs和GNSs最佳的重量比率為2:8，HAPPEEK支架的抗壓強(qiáng)度和系數(shù)分別增加了63.58%和56.54%，此外，將支架在模擬體液中浸泡過(guò)后，支架表面形成了磷灰石涂層，并且表面細(xì)胞都具有很好的粘附和離散性。結(jié)果表明CNTs和GNSs增強(qiáng)過(guò)的HAPPEEK支架在骨組織工程中可作為一種很有前景的替代物。

2.1.2 超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE)眾所周知UHMWPE具有良好的耐磨性、抗腐蝕性和抗沖擊韌性，但UHMWPE的表面硬度偏低，抗蠕變性能較差，會(huì)產(chǎn)生聚乙烯磨屑碎片，進(jìn)而引起骨質(zhì)溶解，限制了其作為人工骨關(guān)節(jié)材料的使用^[22](圖3)。而將石墨烯與其構(gòu)成復(fù)合材料，復(fù)合材料機(jī)械性能和生物相容性均有提高^[23-24]。

2.1.3 聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(poly-methyl methacrylate，PMMA)?PMMA目前廣泛用于全關(guān)節(jié)置換，但與相鄰骨不能形成很好的骨結(jié)合是它的一個(gè)顯著缺點(diǎn)^[19]。將GO作為增強(qiáng)劑加入PMMA-HA骨水泥中，GO對(duì)細(xì)胞功能和力學(xué)性能的提高產(chǎn)生了重要作用，形成的復(fù)合材料有較好的誘導(dǎo)磷酸鈣層生長(zhǎng)的能力，這樣不僅提高了材料的力學(xué)性能，還使得成骨細(xì)胞的存活率顯著提升并在水泥盤表面廣泛生長(zhǎng)，所以加入GO的復(fù)合骨水泥能顯著增強(qiáng)其骨與骨之間的結(jié)合力^[25]。

2.1.4 聚乙烯醇(ploy-vinyl alcohol，PVA)?PVA也具有較好的生物相容性、可降解性和機(jī)械性能，但細(xì)胞親和力很弱，所以一般都是與其他材料組成復(fù)合物植入體內(nèi)。將GO加入到PVA中，不僅可增強(qiáng)PVA的力學(xué)性能，還有利于成骨細(xì)胞在支架表面生長(zhǎng)和黏附^[26]。

2.1.5 生物活性玻璃(bioactiveglass，BAG)?BAG能夠在植入部位形成與骨和軟組織都良好結(jié)合的HA層。在生物活性玻璃中加入石墨烯不但能增強(qiáng)其電導(dǎo)率且不損害生物活性，同時(shí)能提升其力學(xué)性能^[27]。

2.1.6 硅酸鈣( CaSiO3，CS)?CS是骨組織工程的生物活性材料，但在承載條件下CS的韌性較低。將GO與CS通過(guò)激光燒結(jié)等方法相結(jié)合，確實(shí)能夠增強(qiáng)CS的力學(xué)性能、耐磨性、硬度、彈性模量、斷裂韌性^[28-30]。

上述物質(zhì)都為關(guān)節(jié)外科常用的材料，將這些物質(zhì)與石墨烯或其衍生物相結(jié)合，可增強(qiáng)性能、彌補(bǔ)不足，為今后人工關(guān)節(jié)材料的制作和發(fā)展提供了新的選擇。

2.3 治療骨缺損

Saravanan等^[33]發(fā)現(xiàn)將氧化石墨烯(GO)加入殼聚糖(CS)/明膠(Gn)制作的支架中可改進(jìn)CS/Gn支架的多孔結(jié)構(gòu)并使其更加接近骨的天然結(jié)構(gòu)。當(dāng)加入GO 濃度為0.25%時(shí)CS/Gn支架的蛋白吸附作用、生物礦化作用和可控降解作用得到顯著增強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)0.25%GO/CS/Gn復(fù)合支架對(duì)大鼠的骨母細(xì)胞有較好的細(xì)胞親和力，可促進(jìn)大鼠間充質(zhì)干細(xì)胞分化成成骨細(xì)胞，并可通過(guò)增加體內(nèi)的膠原沉積加速大鼠脛骨骨缺損的修復(fù)，而且沒(méi)有明顯的細(xì)胞毒性。由此可見(jiàn)GO/CS /Gn生物支架在骨組織再生領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。Wang等^[34]用化學(xué)氣相沉積法在鎳泡沫基底上沉積石墨烯，再旋涂聚己內(nèi)酯(PCL) 及聚偏氟乙烯(PVDF)，最后用氯化鐵將鎳泡沫溶解得到聚合物富集的三維石墨烯泡沫(3DGFs)。3DGFs表現(xiàn)出高導(dǎo)電性、高彈性、高靈活性和可操作性，可應(yīng)用于骨缺損的治療等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，盡管石墨烯及其衍生物的研究及應(yīng)用仍處于初期的階段，但憑借優(yōu)異且獨(dú)特的特性成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。石墨烯所具有的眾多特性更是使其成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象，尤其將來(lái)在骨科具有很好的應(yīng)用前景。如抗菌性可應(yīng)用于骨關(guān)節(jié)外科，降低或預(yù)防關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染的發(fā)生; 而增加復(fù)合材料耐磨性并可與生物材料相結(jié)合，可應(yīng)用于關(guān)節(jié)假體增加假體的耐磨性并延長(zhǎng)假體的使用年限; 載藥緩釋性可將石墨烯與相關(guān)藥物相結(jié)合(如抗菌、抗結(jié)核或抗腫瘤藥物等)置入關(guān)節(jié)腔或髓腔內(nèi)，并且石墨烯自身便具有抗菌性，利用石墨烯的多重特性，從而達(dá)到藥物緩釋及治療目的; 促骨組織再生將來(lái)可用于治療骨缺損等。但是目前還存在許多尚未解決的問(wèn)題，如石墨烯及其衍生物潛在的生物毒性，是否有良好的細(xì)胞相容性等問(wèn)題需要通過(guò)進(jìn)一步的動(dòng)物體內(nèi)及臨床試驗(yàn)來(lái)研究論證。但憑借其在生物醫(yī)學(xué)及組織工程領(lǐng)域極大的應(yīng)用前景，將來(lái)可為骨科的研究和發(fā)展提供理論依據(jù)及物質(zhì)基礎(chǔ)。

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