用于骨再生的石墨烯基材料：机遇、挑战与临床视角

摘要

近年来，石墨烯家族材料在生物医学领域的应用取得显著进展。其纳米尺度尺寸、巨大比表面积、本征光致发光和固有抗菌特性，使其成为骨组织工程、药物/基因递送和生物传感的有力工具。本综述综合当前进展，批判性评估生物相容性，讨论石墨烯衍生物用于骨再生的可行性，重点阐述前景应用与未解安全隐患。

引言

严重颌面感染、创伤、肿瘤或先天畸形患者常伴有颌骨缺损，愈合周期漫长。尽管骨骼具备天然修复能力，但大尺度或关键尺寸缺损的有限自我再生仍是临床难题。当前疗法——自体移植、异体移植、异种移植——均存在供区创伤、感染风险或骨诱导性不足等缺陷。因此，骨组织工程与再生医学正加紧开发匹配天然骨力学与生物学性质的替代材料。

石墨烯家族材料（GFMs）——石墨烯、氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯（rGO）、羧基化石墨烯（CXYG）和石墨烯量子点（GQDs）——已成为骨修复的有前景候选者。其卓越的力学强度、电导率和表面化学性质支撑支架构建、细胞定向分化和抗菌活性。然而，临床转化前必须严格评估长期生物相容性和成骨潜力。

确定石墨烯家族材料生物安全性的挑战

体外细胞毒性

临床试验前，GFMs 必须经全面细胞毒性测试。裸石墨烯疏水易团聚，导致蛋白吸附和潜在免疫原性。化学官能团化（氧化、还原或引入官能团）可增强亲水性并调节生物学响应。研究显示 rGO 细胞毒性低于 GO，主要因氧官能团密度降低减轻氧化应激。

剂量依赖性是反复出现的主题。例如 GO 浓度 ≥50 µg/mL 降低 A549 肺癌细胞活性，而 10 µg/mL 抑制骨髓间充质干细胞（BMSCs）增殖但 0.1 µg/mL 促进增殖。MC3T3-E1 前成骨细胞中，rGO <62.5 µg/mL 可耐受，>100 µg/mL 则有害。羧基化石墨烯和 GQDs 在低剂量下显示低毒性。因此浓度是关键但非唯一决定细胞相容性的因素。

形状和尺寸进一步影响毒性。石墨烯纳米洋葱（GNOs）的 CD₅₀ 高于纳米带（GONRs）和纳米片（GONPs），表明形状依赖性细胞毒性。与多壁碳纳米管（MWNTs）对比，平坦石墨烯片对细胞膜破坏较小，管状 MWCTs 更易穿透膜引起急性毒性。

尺寸依赖的摄取机制已被报道。较小 GO 片（≈31 nm）因细胞内化率高诱导凋亡，较大片（≈81 nm）主要吸附膜上毒性较低。更大片（≈860 nm）触发吞噬作用，较小片（~420 nm）经网格蛋白介导内吞。总体趋势显示：纳米级 GFMs 更适合生物医学用途，但精确尺寸阈值因研究组而异。

体内生物分布与毒性

动物实验基本佐证体外发现。暴露于小 GO 片的斑马鱼胚胎活性降低，大片则无此效应。小鼠静脉注射 GO 在肝、肺、脾富集，诱导慢性肝炎和肺纤维化；PEG 化可缓解。肺吸入 GO 亦致严重肺损伤，但原始石墨烯或 Pluronic 分散 GO 毒性较低。大鼠皮下植入石墨烯泡沫（GFs）或 GO 泡沫（GOFs）7 个月无全身毒性，仅局部肉芽肿形成。这些结果凸显剂量、官能化和给药途径决定体内安全性的重要性。

尽管有上述洞见，长期生物分布和降解途径仍表征不足。后续研究须阐明 GFMs 如何与复杂生物微环境相互作用，建立稳健安全性档案。

石墨烯家族材料的抗菌活性

感染控制对骨再生至关重要。GFMs 通过锋利边缘直接破坏菌膜、电子转移诱导氧化应激和 ROS 生成等多机制展现抗菌性。边缘效应与表面化学的精确贡献虽存争议，但官能团与锋利纳米片的协同作用持续降低细菌活性。深入研究理化决定因素将助力理性设计抗菌骨移植材料。

石墨烯家族材料介导细胞成骨分化及体内促进骨再生

石墨烯及其衍生物反复显示支持细胞贴附、增殖和自发成骨分化的能力，适用于牙髓、骨髓、牙周韧带和成纤维细胞等多种干细胞来源。研究者将 GFMs 作为支架、涂层、膜添加剂和药物递送平台（图 2），各策略利用其高比表面积、力学增强和生物活性表面化学。

支架增强

三维石墨烯泡沫（3DGp）支持人间充质干细胞（hMSC）存活和成骨分化。GFMs 与磷酸钙或聚合物支架复合可增强力学性能和骨诱导性。例如向聚己内酯添加 2 wt% GO 使抗拉强度从 1.61 MPa 提升至 3.50 MPa，模量从 7.01 MPa 增至 15.15 MPa。

磷酸钙复合材料

羟基磷灰石（HA）经 GO 或 rGO 增强后断裂韧性提升 >200%，并通过 ALP 活性和基因表达促进 hMSC 成骨。β-三钙磷酸盐（β-TCP）结合 GO 激活 Wnt/β-catenin 通路，提升体外成骨标志物并促进兔颅骨缺损模型成骨。磷酸钙骨水泥（CPC）结合 GO-Cu 纳米复合材料上调 HIF-1α、VEGF 和 BMP-2，在大鼠模型中实现卓越血管化和成骨。

壳聚糖复合材料

壳聚糖（CS）亲水、骨传导且止血。CS/GO 复合材料（3 wt% GO）改善保水性、孔隙率和 ALP 活性，转化为体内成骨增强。三元 CS/GO/HA 支架进一步将抗拉强度提至 10 MPa 并促进成骨分化。

合成聚合物

胶原支架经 GO 增强后弹性模量从 ~15 kPa 提升至 ~39 kPa 且不损害细胞活性，通过机制转导通路增强 MSC 成骨。PLA、PLGA、PCL 等其他聚合物结合 GFMs 亦观察到类似改善。

表面涂层

聚合物或金属基底上的石墨烯涂层加速干细胞成骨分化，媲美或超越 BMP-2 诱导。钛（Ti）表面经 GO 或 rGO 修饰后表现出优异亲水性（接触角 14–20° vs Ti 60°）、ALP 活性增加和成骨相关基因表达上调。三维多孔石墨烯涂层进一步改善大鼠颅骨模型骨整合。化学气相沉积（CVD）提供可扩展、与基底无关的石墨烯涂层，保留表面化学并支持蛋白固定化。

引导骨再生膜

非可吸收 GO-Ti 膜增强成骨细胞贴附和大鼠颅骨缺损骨填充。可吸收胶原或壳聚糖膜添加 GO 后改善力学刚度、降低变形并加速骨再生。

药物递送系统

GFMs 的高比表面积和 π-π 堆叠能力实现疏水药物、生长因子和抗生素的高效负载。针对骨再生，GO 负载辛伐他汀 30 余天持续释放，上调 BMP-2 和 VEGF 表达。地塞米松（DEX）共价连接 rGO-Ti 表面实现持续释放并促进成骨分化。BMP-2 吸附于 GO 涂层 Ti 保持生物活性，在小鼠颅骨缺损模型中诱导强健成骨。GO-PDA-Ti 支架双重递送 BMP-2 和抗生素（如万古霉素）兼具抗菌保护和成骨诱导。

结论

石墨烯家族材料凭借抗菌活性、力学增强和诱导成骨分化能力，在骨再生领域极具潜力。但生物相容性仍是关键障碍。细胞毒性取决于官能化、浓度、尺寸和形状；扁平、低浓度 GFMs 展现最佳安全性。需长期体内研究阐明生物分布和降解途径。经精心设计，GFMs 可作为支架、涂层、膜或药物载体集成，为下一代骨修复提供多功能平台。

缩略语

ALP

碱性磷酸酶

BMP-2

骨形成蛋白-2

BMSC

骨髓间充质干细胞

CPC

磷酸钙骨水泥

CVD

化学气相沉积

CXYG

羧基化石墨烯

DEX

地塞米松

ECM

细胞外基质

GBR

引导骨再生

GelMS

明胶微球

GNOs

石墨烯纳米洋葱

GO

氧化石墨烯

GONPs

氧化石墨烯纳米片

GONRs

氧化石墨烯纳米带

GQDs

石墨烯量子点

HA

羟基磷灰石

HUVEC

人脐静脉内皮细胞

MC3T3-E1

小鼠前成骨细胞系

MWNTs

多壁碳纳米管

PCL

聚己内酯

PDA

聚多巴胺

PEG

聚乙二醇

PLGA

聚乳酸-共-乙醇酸

rGO

还原氧化石墨烯

ROS

活性氧

SIM

辛伐他汀

SP

P物质

SPS

放电等离子烧结

Ti

钛

Van

万古霉素

VEGF

血管内皮生长因子

β-TCP

β-三钙磷酸盐