石墨烯及其衍生物在骨科的應用

石墨烯及其衍生物具有獨特的物理、化學及生物學特性，如具有抗菌性，促進成骨，增加複合材料的耐磨損等，在生物醫學及組織工程領域具有極大的應用前景。主要介紹了石墨烯及其衍生物在骨科的應用及研究進展，從而為未來它們在基礎及臨床研究提供理論依據。

石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來，由一層以苯環結構(即六角形蜂巢結構)周期性緊密堆積的碳原子構成的隻有一層原子厚度的二維晶體，其基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環，它可以看做是構成零維的富勒烯、一維的碳納米管及三維的石墨和金剛石的基本結構單元(圖1)^[1]。2004年，英國曼徹斯特大學的Novoselo等^[2]成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，並證實它可以單獨存在。他們因此也獲得2010年諾貝爾物理學獎。由於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，所以具有獨特的物理、化學及生物學特性，因此廣泛應用於藥物傳遞、抗菌、臨床檢測、抗腫瘤、生物工程等生物醫學領域^[3-7]。石墨烯應用於生物醫學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麵含有大量的活性基團，比如羰基、羧基、羥基及環氧基等，這些基團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用及其相關研究，並為未來其在基礎及臨床研究提供理論依據及物質基礎。

1 石墨烯及其衍生物的生物學性能

1.1 抗菌性

中國科學院上海應用物理所黃慶課題組在2010年首先研究並報道了石墨烯在抗菌方麵的研究^[9]。他們的研究發現氧化石墨烯懸液在與大腸杆菌孵育2h後抑菌率達到90%以上，其抗菌性的主要原理是基於氧化石墨烯對大腸杆菌細胞膜的機械切割破壞。同時，Liu等^[10]研究發現氧化石墨烯和還原氧化石墨烯都可以氧化細菌體內的還原型穀胱甘肽，因此認為氧化石墨烯及還原氧化石墨烯的抗菌性除了來自對細胞膜的破壞外，還可能來自其引發的氧自由基進而誘發的氧化損傷。最近幾年發現一種新的石墨烯抗菌機理，認為石墨烯不但可以通過接觸切割作用對細菌細胞膜進行破壞，還可以通過大規模的直接抽提細胞膜上的磷脂分子來破壞細胞膜並殺死細菌^[11]。植入物的細菌感染一直是一個很大的臨床問題，這通常和生物材料表麵粘附和形成生物膜有關。而Kumar等^[12]將聚已內脂(poly-caprolactone，PCL)與PCL/GO，PCL/rGO，PCL/AGO(胺功能化的氧化石墨烯)進行大腸杆菌的抗菌性試驗，發現PCL/AGO的抗菌性最強，然後分析3種複合物的硬度、促細胞增殖、幹細胞成骨分化、生物膜的抑製作用(圖2)，得出AGO的作用最佳，更適合在骨科中應用

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，發現GO-Ti膜顯著提升了全層缺損顱骨的新骨生成並且沒有發生炎症反應。這表明GO-Ti膜可有效地刺激成骨細胞分化並且展現出了優秀的生物活性。Elkhenany 等^[14]利用石墨烯作為支架促進成年山羊骨髓間充質幹細胞增殖、分化為成骨細胞。Aryaei等^[15]證明了石墨烯不會對成骨細胞產生毒性，並且可以顯著地提高成骨細胞的粘附和增殖。

1.3 載藥緩釋性

藥物和生物活性分子可以直接轉運至細胞內，但由於機體免疫係統，酶及其他因素的影響，通常在到達作用部位前即被降解或吸收，而有效的藥物載體可以實現控製釋放或緩慢釋放，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用

2.1 用於生物材料

石墨烯及其衍生物利用其獨特的物理、化學及良好的生物相容性，能與其他材料相結合構成新的複合材料。

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性，但拉伸強度和斷裂強度較差，限製了其作為骨科材料的實際應用。以石墨烯作為增強材料，可改善HAp的力學性能，提高HA的強度^[19]。Lee等^[20]發現rGO和HAp形成的納米複合物(rGO/HAp NCs)可以提高前成骨細胞MC3T3-E1的成骨分化並且促進新骨生成。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)構成的納米三明治結構，來提高羥基磷灰石-聚醚醚酮(HAP-PEEK)支架的機械性能，原因為CNTs將兩層GNSs分隔開，增大了支架和基質間的有效接觸麵積。並得出CNTs和GNSs最佳的重量比率為2:8，HAPPEEK支架的抗壓強度和係數分別增加了63.58%和56.54%，此外，將支架在模擬體液中浸泡過後，支架表麵形成了磷灰石塗層，並且表麵細胞都具有很好的粘附和離散性。結果表明CNTs和GNSs增強過的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、抗腐蝕性和抗衝擊韌性，但UHMWPE的表麵硬度偏低，抗蠕變性能較差，會產生聚乙烯磨屑碎片，進而引起骨質溶解，限製了其作為人工骨關節材料的使用^[22](圖3)。而將石墨烯與其構成複合材料，複合材料機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目前廣泛用於全關節置換，但與相鄰骨不能形成很好的骨結合是它的一個顯著缺點^[19]。將GO作為增強劑加入PMMA-HA骨水泥中，GO對細胞功能和力學性能的提高產生了重要作用，形成的複合材料有較好的誘導磷酸鈣層生長的能力，這樣不僅提高了材料的力學性能，還使得成骨細胞的存活率顯著提升並在水泥盤表麵廣泛生長，所以加入GO的複合骨水泥能顯著增強其骨與骨之間的結合力^[25]。

2.1.4 聚乙烯醇(ploy-vinyl alcohol，PVA) PVA也具有較好的生物相容性、可降解性和機械性能，但細胞親和力很弱，所以一般都是與其他材料組成複合物植入體內。將GO加入到PVA中，不僅可增強PVA的力學性能，還有利於成骨細胞在支架表麵生長和黏附^[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合的HA層。在生物活性玻璃中加入石墨烯不但能增強其電導率且不損害生物活性，同時能提升其力學性能^[27]。

2.1.6 矽酸鈣( 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通過激光燒結等方法相結合，確實能夠增強CS的力學性能、耐磨性、硬度、彈性模量、斷裂韌性^[28-30]。

上述物質都為關節外科常用的材料，將這些物質與石墨烯或其衍生物相結合，可增強性能、彌補不足，為今後人工關節材料的製作和發展提供了新的選擇。

2.3 治療骨缺損

Saravanan等^[33]發現將氧化石墨烯(GO)加入殼聚糖(CS)/明膠(Gn)製作的支架中可改進CS/Gn支架的多孔結構並使其更加接近骨的天然結構。當加入GO 濃度為0.25%時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。研究發現0.25%GO/CS/Gn複合支架對大鼠的骨母細胞有較好的細胞親和力，可促進大鼠間充質幹細胞分化成成骨細胞，並可通過增加體內的膠原沉積加速大鼠脛骨骨缺損的修複，而且沒有明顯的細胞毒性。由此可見GO/CS /Gn生物支架在骨組織再生領域有很大的應用潛力。Wang等^[34]用化學氣相沉積法在鎳泡沫基底上沉積石墨烯，再旋塗聚己內酯(PCL) 及聚偏氟乙烯(PVDF)，最後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表現出高導電性、高彈性、高靈活性和可操作性，可應用於骨缺損的治療等生物醫學領域。

3 總結與展望

綜上所述，盡管石墨烯及其衍生物的研究及應用仍處於初期的階段，但憑借優異且獨特的特性成為近年來的研究熱點。石墨烯所具有的眾多特性更是使其成為生物醫學領域的重點研究對象，尤其將來在骨科具有很好的應用前景。如抗菌性可應用於骨關節外科，降低或預防關節置換術後感染的發生; 而增加複合材料耐磨性並可與生物材料相結合，可應用於關節假體增加假體的耐磨性並延長假體的使用年限; 載藥緩釋性可將石墨烯與相關藥物相結合(如抗菌、抗結核或抗腫瘤藥物等)置入關節腔或髓腔內，並且石墨烯自身便具有抗菌性，利用石墨烯的多重特性，從而達到藥物緩釋及治療目的; 促骨組織再生將來可用於治療骨缺損等。但是目前還存在許多尚未解決的問題，如石墨烯及其衍生物潛在的生物毒性，是否有良好的細胞相容性等問題需要通過進一步的動物體內及臨床試驗來研究論證。但憑借其在生物醫學及組織工程領域極大的應用前景，將來可為骨科的研究和發展提供理論依據及物質基礎。

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