文摘
材料的发展和策略可以影响干细胞的依恋,对成骨细胞的增殖和分化是高利息促进更快的愈合和骨缺损的重建。石墨烯及其衍生物(氧化石墨烯和石墨烯氧化物减少)已经收到越来越多的关注为生物医学应用程序呈现显著的特性,如高表面积,机械强度高,易于功能化。这些可以使碳基材料的生物相容性可以诱导和维持干细胞生长和分化成不同的血统。此外,石墨烯能够促进和提高成骨分化为骨再生研究是一个有趣的材料。本文将审查的重要进步能力的石墨烯及其相关形式来诱导干细胞分化成成骨细胞系。
1。介绍
骨组织再生的高利息更快地促进愈合和骨缺损的重建由肿瘤切除,骨骼异常,骨折、感染。这个领域的发展需要使用基质,使细胞依附,增殖,分化1- - - - - -3]。几种不同的材料可以启动、激发和维持的一系列复杂事件导致细胞分化和骨生成3,4]。例如,胶原蛋白能提供适合细胞生长和分化的表面化学(5,6),但具有机械性能差、容易发生免疫反应(3,6,7]。水凝胶具有可调的物理和化学特性可能积极直接干细胞的命运6,8]。然而,其局限性可能包括缺乏特异性的生物活性和挑战是创建大型结构由于需要一个高度交联网络,会影响细胞行为(4,6,8,9]。因此,材料固有的特色,可以维持细胞生长和诱导分化具有干细胞研究的巨大潜力。
石墨烯是一种单原子层共轭sp2碳原子最薄,轻,也许(已知最强的物质10,11]。它的导电性和电荷载流子迁移率超过最导电聚合物由几个订单(12)使石墨烯成为革命性的材料等电子设备电池、半导体、电化学传感器、和其他人。易于功能化,石墨烯还打开途径用于生物医学应用程序(例如,生物传感器,人们对于药物和基因传递,细胞成像和光疗对癌症和设备)(12- - - - - -17]。石墨烯可以合成在一个相对纯净的形式,提供可调的表面,这已成为一个有趣的衬底等实验anchorage-dependent细胞间充质干细胞(msc),神经干细胞,诱导多能干细胞,和其他人12,15,18- - - - - -23]。
2。石墨烯和其独特的属性
自2004年发现以来,诺贝尔奖获得者海姆和诺沃肖洛夫[24),石墨烯已经吸引了巨大的兴趣,因为其独特的物理、机械和化学性质(10- - - - - -12,25- - - - - -27,29日- - - - - -32]。
石墨烯的物理、化学和机械性能(我)薄的、最强和最可能的材料(24]。(2)几乎透明的(25,26]。(3)大多数可伸缩的晶体弹性(20%)24]。(iv)记录导热系数(24]。(v)在室温下电流密度最高(26]。(vi)完全不透水(27]。(七)最高内在流动性在Si(100倍)26]。(八)进行电的限制没有电子(26]。(第九)大的表面积(~ 2600米2g−1)[28]。(x)在室温下最长平均自由程(微米范围)26]。
由于其独特的结构和一个纯芳香碳系统[29日),它在室温下具有较高的电子迁移率26]。它也有特殊的热化学稳定性和工作作为一个不透水层支持超过一个大气压的压力差异(24,27]。尽管它几乎是透明的,它可以吸收大约2.3%的白光使它稍微肉眼可见25]。此外,它是灵活的,可以适应和变形的方向垂直于其表面。大的表面积,接近26002g−1安克雷奇,它使一个有吸引力的平台大量的分子(28,33]。
Graphene-related材料可分为基于两层数(例如,mono -或多层石墨烯)或化学改性氧化石墨烯等(去)或减少(rGO)(图1)。走是一种高度氧化的石墨烯由氧化石墨。这种两亲物化合物允许表面功能化,可以分散在水溶液中,成为一个有吸引力的候选基因和药物输送和衬底修改(12,16,17,34- - - - - -37]。rGO可以进一步减少到graphene-like表通过消除含氧组共轭结构的恢复(12,32]。
石墨烯在不同形式可以获得使用“自上而下”和“自下而上”的方法。“自上而下”的方法包括机械和/或化学剥离的石墨。机械的方法,也称为“透明胶带”或剥离技术,允许超然微米大小的石墨烯片使用胶带从石墨晶体(24,32,38]。在化学剥离石墨被氧化使用强酸硫酸或硝酸等。这个过程插入单个石墨烯之间的氧原子和迫使他们分开,导致暂停去表可以过滤隔离片(30.,39]。去了氧功能它可以分散在水中,生理媒体,和其他有机溶剂40]。
石墨烯也可以采用“自下而上”的方法获得外延生长和化学气相沉积(CVD) (38,41]。后者是一个多才多艺的和可伸缩的方法来大规模生产和高质量的石墨烯,可以被转移到不同的基质(42]。在典型的化学汽相淀积过程中,铜或镍衬底退火和前体气体(CH4和H2)注入反应室(通常是一个石英管)在高温下(~ 1000°C)。高温导致前体的热解和水解碳原子然后与底物反应生产石墨烯的薄膜38]。CVD-grown石墨烯是灵活的和疏水性,可以用来作为底物,促进细胞增殖,提高他们的一些功能(12,33,35,43- - - - - -47]。
不同的方法产生石墨烯导致材料具有不同层数和/或化学组。拉曼指纹不同群体和层数反映了变化的电子乐队和允许的分析识别和表征石墨烯的三个高峰:G, 2 D, D(图2)。G和2 d乐队最著名的石墨烯样品:G-band(~ 1587厘米−1)来自碳碳键在石墨材料的拉伸而D乐队(~ 1340厘米−1)只有激活如果障碍或缺陷存在。2 d乐队(2500 - 2800厘米−1)是在所有类型的sp2碳材料和用于确定石墨烯的层数48]。
3所示。石墨烯的细胞毒性和生物相容性
石墨烯及其衍生物是有趣的材料为生物医学应用碳是有机化学的基础(24,34]。然而,碳质纳米材料的形状和物理和化学特征发挥极其重要的作用,如何与细胞相互作用,组织和器官(49]。
Anchorage-dependent细胞需要坚持基质扩散,扩散,并执行他们的功能(3,14,46,47,50,51]。CVD-grown石墨烯允许人类msc依恋和扩散类似于其他基质用于细胞培养(33,46,47,52]。骨骨髓来源从山羊也能够增殖msc文化板块涂上走(0.1毫克/毫升)37]。
虽然基板涂有石墨烯材料没有细胞毒性,使用材料的解决方案可能对细胞和组织构成危害。细胞生存能力会大幅减少解决方案与高浓度的原始石墨烯(50μg / mL)细胞膜上的积累导致高水平的氧化应激(53]。石墨烯microsheets与横向尺寸小于5μ米可以进入哺乳动物细胞自发发起的脂质影响渗透主导edge-first或corner-first模式。尽管如此,microsheets的吸收大于5μ米在横向维度往往是不完整的54]。当PC12细胞、大鼠肾上腺髓质嗜铬细胞瘤,暴露于石墨烯溶液中的(0.1μg / mL),有活性氧的增加生产和代谢活动减少。然而,在浓度的0.01和0.1μg / mL,没有增加,乳酸脱氢酶,酶释放在膜损伤(49]。
碳基材料管理时存在不同的影响在活的有机体内呈现不同的模式biodistribution [55,56]。老鼠注入石墨烯nanosheets展出Th2免疫反应在肺,而注射微碳纳米管(CNT)脾。微问老鼠的肺滴剂诱发IL-33生产和可能在响应函数作为警报暴露于纳米材料(56]。
一个策略用于改善石墨烯的生物相容性依赖于共价键的一代聚乙二醇(PEG)以减少氧化。没有相当大的毒性与聚乙二醇注入小鼠20毫克/公斤后石墨烯就是明证组织学、血液分析后90天。事实上,石墨烯三天后在大多数器官非常低水平的注入。材料的相对缓慢但持续降低浓度在肝脏和脾脏表明石墨烯的间隙nanosheets从老鼠身上发生通过肾和粪便排泄物(55]。
可以功能化石墨烯材料,有一个增长的兴趣为生物医学应用程序使用它们。事实上,表面功能化可以安抚其疏水性强的一个重要步骤,可能与毒性有关。尽管如此,功能化石墨烯的潜在长期副作用不容忽视(53]。biodistribution进一步研究关于安全,副作用还需要之前的材料可以用在生物系统。
4所示。石墨烯的诱导,提高干细胞成骨分化能力
主要骨重建代表着一个重大的挑战,是一个全球性的健康问题。干细胞治疗可能是一种很有前途的解决方案,但需要生物相容性的平台的不断发展,可以促进和增强细胞活力,依恋,迁移和分化1,3]。一些材料,如poly-L-lactic酸(丙交脂),聚已酸内酯(PCL),壳聚糖,并基于这些材料是复合材料不断开发和改进匹配本地的一些性质骨(3,57,58]。然而,微调机械性能和化学和物理特征匹配本地骨属性相当具有挑战性的(58]。在一些聚合物,如丙交脂和PCL,缺乏对细胞粘附的网站可能需要化学改性等提供线索,让干细胞粘附。此外,副产品在降解可以触发免疫反应(59]。生物活性无机材料也广泛应用于骨的研究。然而,由于其脆性性质,他们常常无法匹配骨骼的断裂韧性,可能不适合承载应用程序(60]。
石墨烯已经成为一种很有前途的材料为干细胞研究由于其独特的机械、物理和化学性质(表1)[20.,24,61年]。石墨烯材料允许干细胞附着和生长,提高成骨分化支持其介绍作为骨替代材料再生研究[14,21,23,33,45- - - - - -47,52]。
细胞粘附、生存和增殖率直接相关的生物相容性衬底(3,6,51]。事实上,细胞附着和分化是极大地影响材料的表面特性和部队在细胞/材料生成接口。(46,61年,62年]。石墨烯涂层noncytotoxic并允许附件和成纤维细胞的增殖,成骨细胞和间充质干细胞(MSC),并已被证明能够促进干细胞分化(33,43,45- - - - - -47,62年- - - - - -64年]。人类osteoblast-like细胞(SAOS-2)和MSC播种在CVD石墨烯扩散提出了高于二氧化硅(SiO2)经过48小时的潜伏期。此外,msc在石墨烯假设SiO纺锤形形态而培养的2多边形细胞基质形成独立的岛屿(46]。作为细胞形态学与干细胞致力于不同的血统65年MSC在石墨烯的纺锤形细胞结构可能具有更高的SiO相比,对成骨细胞分化的潜能2底物(46]。此外,细胞培养CVD石墨烯存在更高的增殖SiO相比2、氧化石墨烯和聚二甲基硅氧烷(PDMS)基板(33,46),但类似培养在玻璃上,其中一个最基板用于细胞培养(47]。
尽管细胞增殖并不是提高了原始石墨烯,材料提高干细胞向成骨细胞的分化谱系(33,45,47,52]。msc展览加速成骨分化培养在二维石墨烯相比去PDMS的成骨诱导介质(图3)[33,47]。自立石墨烯水凝胶膜诱导高水平的成骨分化的大鼠骨髓干细胞(BMSC)在生长培养基(66年]。氧化石墨烯上培养的MSC nanoribbon (GONR)和减少GONR (rGONR)网格显示3.4——2.7倍增加矿化沉积比培养PDMS和玻璃(45]。当玻璃和Si / SiO2与CVD涂层石墨烯,msc骨钙蛋白的高表达(OCN)比裸露的材料(47]。OCN被确定为晚期骨标记在成骨细胞(67年]。这些增量分化可能归因于石墨烯的高弹性模量和硬度47]。此外,石墨烯可以维持侧压力,可能会影响细胞骨架紧张导致细胞骨架组织和结构的变化影响细胞分化[47,68年]。众所周知,软矩阵模拟大脑神经源性,硬基质,模仿肌肉肌原性的,相对刚性矩阵类似胶原骨诱导成骨分化(69年]。分化的增加可能是由于其他因素上的皱纹和涟漪石墨烯(33,45,47]。这些都是生产过程中产生的石墨烯。在发生CVD石墨烯通常合成(~ 1000°C)和它经历负热膨胀而冷却。因此,石墨烯金属横向扩展而用作祭祀基质收缩,导致皱纹的形成和涟漪。表面特征的例子CVD-grown石墨烯和呈现在图4(34]。
(一)
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众所周知,传输现象的细胞因子,趋化因子,和生长因子是截然不同的两年期和三维(3 d)微环境干涉信号转导、信息通讯、和组织发展3,6,70年]。文章还石墨烯三维结构(3)可以通过CVD使用泡沫镍作为模板合成,能够诱导MSC自发的神经和成骨分化[52,64年]。3文章提出了一个纺锤形,细长的细胞形态与薄,排列整齐的核,典型的osteoprogenitor细胞和表达成骨的标记OCN和骨桥蛋白(OPN)即使没有使用成骨的介质(52]。最近,我们小组成功地培养牙周韧带干细胞(PDLSC) 3文章(图5)。5天后,3文章是由细胞表面的有一个细长的形状,文章还显示,3是一个合适的衬底PDLSC附件和扩散。
(一)
(b)
虽然石墨烯拥有潜在的诱导成骨分化的干细胞,使用此属性显著增强的化学电感成骨分化(33,45,47,52]。msc在CVD石墨烯与成骨的培养基培养时,矿化沉积的程度明显高于观察PDMS和去表(33]。同样,CVD石墨烯底物能够诱导成骨分化的Si / SiO MSC以同样的速度2基板处理BMP-2 [47]。诱导分化的程度上培养的MSC GONR和rGONR电网是6.4——16.3倍高于获得PDMS基片(45]。这些高水平的差异可能是由于石墨烯材料的能力典型成骨诱导物,如地塞米松和吸附β甘油磷酸盐(33,45]。地塞米松可以吸附由于- - - - - -芳香环之间的叠加在分子和石墨烯基底平面(33]。去容易结合抗坏血酸是由于之间形成的氢键的程度哦半个的酸和去33,45]。因此,石墨烯及其衍生物允许的装载和释放药物和蛋白质可以提高干细胞的成骨分化。
5。将石墨烯和各种材料来增强成骨分化
虽然石墨烯具有很大的好处成骨分化由于其优良的物理性能,也可以化学改性(71年]或结合其他材料如聚合物、陶瓷、进一步改善细胞分化潜能的和金属21,62年,72年- - - - - -75年]。走是一种广泛使用的石墨烯由于羧基的存在,环氧树脂,和氢氧化组,允许广泛的反应和功能化的机会(12,32,66年,76年]。陶瓷/功能化石墨烯复合材料可以提高生物的结果基于陶瓷材料(72年,73年,75年]。羟磷灰石(HA),例如,磷酸钙陶瓷一般用于骨修复或再生由于其化学相似性的天然磷灰石骨(18]。添加石墨烯nanoplatelets (GNP) 45 s5生物玻璃的结果在复合高导电性和增加国民生产总值的浓度。导电的生物材料可以用于骨组织工程,促进细胞生长和组织再生physioelectrical信号传输(75年]。添加到HA涂层可以提高涂料粘附强度钛表。去/ HA复合涂层也表现出更高的耐蚀性比纯HA涂层。此外,GO-modified涂料提出了更高的细胞生存能力相比,钛衬底不管HA涂层的(77年]。通过嵌入石墨烯板硅酸钙矩阵可以提高复合材料的耐磨性quantity-dependent的方式创建。尽管石墨烯的加入硅酸钙不增加osteoblastic-related MSC的基因表达,细胞粘附增强是通过添加1.5%的石墨烯材料比单独硅酸钙(72年]。去公司的超薄平板形状的磷酸钙纳米颗粒改善MSC(图的成骨分化6)。去实现协同行为与磷酸钙增加钙沉积,高山活动,MSC (OCN表达式73年]。
与石墨烯聚合物也被修改为细胞提供更好的环境生存和分化。添加1 wt %去gelatin-based复合显著提高抗拉强度,杨氏模量、破坏时和能源,到84年,65年,分别为和158% (78年]。增加rGO壳聚糖改变其nanotopography由于粗糙度的增加和表面积,从而提高附着力和msc的成骨细胞的分化。由于石墨烯纳米障碍合并到壳聚糖根基,观察到的矿化沉积高相比,壳聚糖和聚苯乙烯基质不管成骨的或文化媒体的使用(21]。去也增加了PCL的生物活性在促进HA纳米粒子的成核生物矿化的模拟体液(79年]。
Poly-L-lactide(丙交脂)支架修改问和石墨烯的1 - 3% wt thermal-induced相分离技术。包含3%的脚手架wt的石墨烯增强BMSC的分化,增加胶原蛋白类型的钙沉积和形成。这可以归因于比表面积的增加支架的表面粗糙度,可以增加蛋白质的吸附。此外,石墨烯提供更多接触表面细胞比问的相同的内容80年]。
石墨烯可以形成自立的石墨烯水凝胶(功能减退)胶体化学的主要由于石墨烯的内在起皱和溶解邻近石墨烯之间的排斥,导致大量的以集体的方式分离石墨烯内部功能减退(66年,81年]。多层功能减退电影允许相同级别的细胞粘附和增殖的BMSC相比,玻璃。功能减退电影的植入皮下的老鼠导致新血管的形成以最小的纤维囊形成后12周。有趣的是,这不会引起排斥的电影能够刺激成骨分化的干细胞没有额外的化学诱导物。这种能力可以归因于电影的波纹和多孔表面充当锚点的骨骼和施加影响细胞骨架张力改变细胞形态(66年]。一个graphene-modified水凝胶由水热方法也有助于在生物相容的三维环境MG63细胞在水凝胶能够繁荣七天。引导丝状伪足突起MG63细胞显示细胞适应石墨烯水凝胶基质(82年]。
由于巨大的表面积和离域电子,去rGO有可能绑定和溶解分子作为药物运载工具(12,33,35,83年,84年]。保利(l-lysine-graft-ethylene醇)- (PLL-g-PEG)涂布PEDOT时空可以作为电活性电极装置控制药物释放。这些设备可以用于长期的细胞培养和MSC分化的控制通过电刺激83年]。
鉴于干细胞的诱导成骨分化可能需要几周,持续释放诱导蛋白质,如BMP-2,可以加速这一过程。最近的潜力钛涂上走(Ti /去)一直在探索持续释放BMP-2增加成骨分化在体外和在活的有机体内(63年]。钛基板涂有去启用加载和持续释放BMP-2不影响蛋白质的生物活性。的在体外成骨分化的BMSC Ti /去结合BMP-2高于与BMP-2 Ti。进一步在活的有机体内实验证明的有效性BMP-2由钛或钛/衬底后植入到老鼠头顶的缺陷。8周后,Ti /去植入物共轭BMP-2显示广泛的骨形成了microcomputed断层和组织学分析比Ti / BMP-2衬底(84年]。
这些发现证实了石墨烯作为一种很有前途的材料,可以增加生物活性和细胞分化潜力的候选人骨组织再生的材料。
6。结论
石墨烯的特点,如大的表面积,良好的机械性能,和可行性被转移到不同的基质等使它成为一个独特的材料用于干细胞研究。Graphene-modified基质材料生物相容性,允许细胞粘附和增殖,提高干细胞分化成成骨的血统。此外,它可以很容易地官能团结合生物分子或元素选择的诱导和控制干细胞的行为。虽然有些挑战仍然存在,利用石墨烯诱导骨生成获得的进步是令人兴奋的。这些挑战之一是缺乏全面和深刻的理解机制和信号通路参与干细胞分化了石墨烯。进一步的研究在细胞和亚细胞水平超越概念证明,关注底层机制是必要的。此外,石墨烯的比较与当前已知的和成功的生物材料和植入物必须执行总结材料的好处。此外,在活的有机体内动物研究需要评估biodistribution及其在组织和器官的代谢途径,允许未来的临床应用。
由于独特的结构和非凡的特性,石墨烯及其衍生物生物医学应用潜力巨大。虽然与石墨烯研究骨组织再生仍在开发的早期阶段,材料在临床场景中可能有光明的未来。
利益冲突
作者没有其他相关关系或财务参与任何组织或实体与金融的兴趣或金融冲突与本文所讨论的主题或材料除了这些披露。
作者的贡献
Dubey Nileshkumar和里卡多Bentini同样导致了工作。
确认
本文是由美国国立大学卫生系统(r - 221 - 000 - 074 - 515)、新加坡国立大学(r - 221 - 000 - 061 - 133)和国家研究基金会,总理办公室,新加坡,在中型中心计划。