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#骨科#【干货】石墨烯及其衍生物在骨科的应用


#骨科#【干货】石墨烯及其衍生物在骨科的应用
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石墨烯及其衍生物具有独特的物理、化学及生物学特性 ， 如具有抗菌性 ， 促进成骨 ， 增加复合材料的耐磨损等 ， 在生物医学及组织工程领域具有极大的应用前景 。 主要介绍了石墨烯及其衍生物在骨科的应用及研究进展 ， 从而为未来它们在基础及临床研究提供理论依据 。
石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来 ， 由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体 ， 其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环 ， 它可以看做是构成零维的富勒烯、一维的碳纳米管及三维的石墨和金刚石的基本结构单元(图1)[1] 。 2004年 ， 英国曼彻斯特大学的Novoselo等[2]成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯 ， 并证实它可以单独存在 。 他们因此也获得2010年诺贝尔物理学奖 。 由于单层石墨烯的厚度仅为0.35nm ， 是世界上已知最薄的新型二维材料 ， 所以具有独特的物理、化学及生物学特性 ， 因此广泛应用于药物传递、抗菌、临床检测、抗肿瘤、生物工程等生物医学领域[3-7] 。 石墨烯应用于生物医学的主要形式是功能化石墨烯 ， 如氧化石墨烯(GO) ， 还原氧化石墨烯(r-GO)等 。 这些功能化石墨烯表面含有大量的活性基团 ， 比如羰基、羧基、羟基及环氧基等 ， 这些基团使石墨烯具有良好的水溶性及生物相容性[8] 。 本文着重介绍了石墨烯及其衍生物在骨科的应用及其相关研究 ， 并为未来其在基础及临床研究提供理论依据及物质基础 。
#骨科#【干货】石墨烯及其衍生物在骨科的应用
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图1 石墨烯的基本结构单元 Fig.1 Graphene is a 2D building material for carbon materials of all other dimensionalities
1 石墨烯及其衍生物的生物学性能
【#骨科#【干货】石墨烯及其衍生物在骨科的应用】 1.1 抗菌性
中国科学院上海应用物理所黄庆课题组在2010年首先研究并报道了石墨烯在抗菌方面的研究[9] 。 他们的研究发现氧化石墨烯悬液在与大肠杆菌孵育2h后抑菌率达到90%以上 ， 其抗菌性的主要原理是基于氧化石墨烯对大肠杆菌细胞膜的机械切割破坏 。 同时 ， Liu等[10]研究发现氧化石墨烯和还原氧化石墨烯都可以氧化细菌体内的还原型谷胱甘肽 ， 因此认为氧化石墨烯及还原氧化石墨烯的抗菌性除了来自对细胞膜的破坏外 ， 还可能来自其引发的氧自由基进而诱发的氧化损伤 。 最近几年发现一种新的石墨烯抗菌机理 ， 认为石墨烯不但可以通过接触切割作用对细菌细胞膜进行破坏 ， 还可以通过大规模的直接抽提细胞膜上的磷脂分子来破坏细胞膜并杀死细菌[11] 。 植入物的细菌感染一直是一个很大的临床问题 ， 这通常和生物材料表面粘附和形成生物膜有关 。 而Kumar等[12]将聚已内脂(poly-caprolactone ， PCL)与PCL/GO ， PCL/rGO ， PCL/AGO(胺功能化的氧化石墨烯)进行大肠杆菌的抗菌性试验 ， 发现PCL/AGO的抗菌性最强 ， 然后分析3种复合物的硬度、促细胞增殖、干细胞成骨分化、生物膜的抑制作用(图2) ， 得出AGO的作用最佳 ， 更适合在骨科中应用(表1) 。
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图2 在BM培养基中空白对照组、HAp组、rGO组、rGO/HAp组对MC3T3-E1 细胞培养的对比[20]Fig.2 Image of von Kossa stain in MC3T3-E1 cells incubated with a colloidal dispersion of HAp MPs ， rGO NSs or rGO/HAp NCs in BM
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1.2 促成骨分化性
Keun等[13]将GO-Ti膜植入到大鼠缺损的颅骨中 ， 发现GO-Ti膜显著提升了全层缺损颅骨的新骨生成并且没有发生炎症反应 。 这表明GO-Ti膜可有效地刺激成骨细胞分化并且展现出了优秀的生物活性 。 Elkhenany 等[14]利用石墨烯作为支架促进成年山羊骨髓间充质干细胞增殖、分化为成骨细胞 。 Aryaei等[15]证明了石墨烯不会对成骨细胞产生毒性 ， 并且可以显著地提高成骨细胞的粘附和增殖 。


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