石墨烯在口腔种植中的应用前景

2017-5-3 10:05  来源:中华口腔医学研究杂志(电子版)
作者:魏常博 余东升 阅读量:537

    2004年,英国曼彻斯特大学(The University of Manchester)物理学家Geim和Novoselov通过胶带微机械分离法成功地从石墨中分离出单层碳原子结构,即石墨烯(graphene),并凭借这一发现荣获2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的新型二维原子晶体,其基本结构单元是有机材料中最稳定的苯六元环,并且是组成所有其他维度石墨材料的基本模块。它可以被包装成零维的富勒烯,也能被卷成一维的碳纳米管或堆积成三维的石墨。石墨烯被誉为“黑金”,是当之无愧的“新材料之王”,正在引发着一场材料技术革命。目前,种植体材料主要以钛及钛合金为主,在口腔临床应用多年并具有可靠的治疗效果,种植体表面的生物活性影响种植体骨结合的速度和强度,对钛及钛合金表面改性使其更好的与骨组织结合是国内外研究的热点。而石墨烯作为一种新兴材料,拥有极其独特的性质,可作为钛种植体表面修饰和改性材料,具有良好的应用前景。

    一、石墨烯的一般性质

    1.厚度:石墨烯厚度仅为0.335nm,可能是目前已知最薄的二维材料。

    2.机械性能:由于其稳定的晶格结构,使得石墨烯具有极好的机械性能,抗断强度为42N/m,极限强度可达130GPa,强度比钢高100倍,是理想的高强度材料。

    3.热学性能:理论上预测单层石墨烯的热导率可达6600W·m-1·K-1,实验测得可达5000W·m-1·K-1,高于碳纳米管和金刚石。

    4.电学性能:室温下电子迁移率为200000 cm2·V-1·S-1,高于碳纳米管和硅石。

    5.光学性能:几乎呈透明状,但是它可吸收大概2.3%的白光使得它在肉眼下依然可见。

    6.高比表面积:具有接近2600m2/g的高比表面积,使得它表面可以附着大量的分子。

    7.分类:可根据其化学变化分为氧化石墨烯(graphene oxide,GO)和还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,rGO)。

    二、石墨烯在口腔种植方面的应用前景

    1.石墨烯的生物相容性和细胞毒性:

    作为口腔种植材料,需要长期与组织接触并发挥稳定的功能,是否具有良好的生物相容性以及是否对组织有毒性,是评判能否作为口腔种植材料的基础。石墨烯之所以可以用作体内植入材料,是因为碳是有机化学的基本元素。然而,碳纳米材料的形状及物理化学性质决定了其与细胞、组织、器官如何反应。Rosa等认为,材料植入体内后细胞首先能黏附在材料上,继而增殖分化发挥功能。而化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)制成的石墨烯允许间充质干细胞(mesenchymal stem cell,MSC)黏附和增殖。同时山羊骨髓来源的MSC可以在涂有氧化石墨烯的培养板上增殖。Sasidharan等发现,尽管这些涂有石墨烯及其衍生物的培养板没有毒性,但是石墨烯的水溶液对细胞和组织具有一定的影响,其细胞毒性成浓度依赖性。在较高浓度(50μg/ml)的石墨烯溶液中,细胞活性显著降低,且大量的石墨烯聚集在细胞膜上,导致高强度的氧化应激。

    Zhang等通过实验得出低浓度的石墨烯基本不影响细胞代谢,将大鼠肾上腺髓质的嗜铬细胞瘤衍生的PC12细胞(pheochromocytoma derived PC12 cell)置于不同浓度的石墨烯溶液中,检测其对PC12细胞代谢的影响。结果显示,在高浓度(100μg/ml)时,活性氧水平显著增高且细胞代谢活性显著降低;在低浓度(0.01μg/ml)时,未见具有细胞膜破坏性的乳酸脱氢酶的增加,即细胞代谢活性正常。Yang等通过聚乙二醇(polyethyleneglycol,PEG)共价键的产生将氧化反应降到最低,可以改善石墨烯的生物相容性。将聚乙二醇化的纳米石墨烯片(nano graphene sheets,NGS)通过静脉给药途径注入小鼠体内,可见这些NGS主要聚集在包括肝脏和脾脏网状内皮系统,并很有可能通过肾脏和粪便排泄功能逐渐被清除。在小鼠体内注射20mg/kg的聚乙二醇化纳米石墨烯片3个月后,通过血液生化和血液学分析,以及组织学检查发现,这些NGS并未产生明显的毒性反应。尽管石墨烯易于功能化的优势使得它在生物医学上的应用越来越受到关注,但是功能化的石墨烯潜在的长期副作用不能被忽视。在大规模用于临床之前,其安全性和副作用需要进一步的研究。

    2.石墨烯的抗菌性能:

    随着口腔种植技术在临床上的应用越来越多,相应的感染发生率也随之升高。由于种植体颈部应力集中,颈部周围的骨质吸收,导致种植体易于暴露在口腔微环境中,使得其感染的机会大大增加。为了避免这些感染,一个有效的途径就是提高材料的抗菌能力。2010年,Hu等首先报道了石墨烯在抗菌性方面的研究,发现氧化石墨烯悬液在与大肠杆菌孵育2h后抑制率达到90%以上,其抗菌性来源于氧化石墨烯对大肠杆菌细胞膜的机械切割破坏。2011年,Liu等以大肠杆菌为目标细菌,将石墨、氧化石墨、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯放在相同的浓度和培养条件下比较它们的抗菌性能,氧化石墨烯的抗菌性能最强,随后依次是还原氧化石墨烯,石墨和氧化石墨。

    2013年,Tu等提出石墨烯可以通过大规模的直接抽离细胞膜上的磷脂分子,来破坏细菌的细胞膜并将其杀死。2014年,Kulshrestha等通过实验发现石墨烯联合氧化锌纳米复合材料对于种植体表面生物膜上聚集的变异链球菌具有抑制作用。Mombelli和Quirynen等认为,口腔种植体周围感染主要微生物是革兰阴性杆菌和螺旋体,尤其是伴放线聚集杆菌、具核梭杆菌、中间普氏菌、牙龈卟啉单胞菌和福赛氏拟杆菌增加。

    3.石墨烯诱导和促进干细胞的成骨分化:

    20世纪60年代,Branemark教授提出“骨结合”学说以来,骨结合学说逐渐被医学界所接受,并成为口腔种植发展的指导性理论。以干细胞为基础的研究,在骨结合领域具有很好的前景,这就需要提高种植材料的生物相容性,例如细胞活性、黏附、迁移以及分化能力。石墨烯的出现,展示出它在口腔种植领域应用的独特优势,能促进干细胞黏附、生长、成骨分化,不但不会影响人MSC的增殖,而且能够协同成骨培养基促进其定向分化成为成骨细胞。

    石墨烯材料这种促进MSC成骨分化的能力,可能是通过富集成骨诱导液中的有效成分来实现的。细胞的活性、黏附以及增殖率与材料的生物相容性密切相关。实际上细胞黏附及分化很大程度上取决于材料的表面特性和细胞与材料界面之间的相互作用。Kalbacova等研究发现,人成骨样细胞和MSC分别培养在石墨烯和氧化硅材料上,48h后培养在石墨烯上的细胞具有更高的增殖率,并且细胞呈现出一种纺锤状结构,该结构的MSC具有更高的成骨分化潜能。该研究还进行了横向比较,发现细胞培养在石墨烯上,比氧化硅、氧化石墨烯、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)具有更高的增殖率,与常用的玻璃培养基相似。尽管增殖率与传统的玻璃培养基相似,但是石墨烯可以诱导干细胞分化为成骨细胞。当MSC培养在二维石墨烯片上,相对于GO和PDMS,可以加速成骨分化。Alzhavan等把MSC培养在氧化石墨烯纳米带(graphene oxide nano ribbon,GONR)和还原氧化石墨烯纳米带(reduced graphene oxide nano ribbon,rGONR)网格上时,发生的矿化沉积分别是培养在PDMS和玻璃上的3.4和2.7倍。当玻璃和氧化硅上涂有石墨烯涂层时,MSC可以更高效表达骨钙蛋白(osteocalcin,OCN),而骨钙蛋白是骨组织矿化形成期的标记物。

    4.与多种材料结合提高成骨分化:

    石墨烯优异的物理性质使它有利于骨结合过程中的成骨分化,它还能通过化学改性或者与其他材料结合,来进一步促进其分化潜能,例如:陶瓷、高分子聚合物、金属等。在石墨烯及其衍生物中,氧化石墨烯在该方面具有广泛的应用,氧化石墨烯带有羧基和羟基等含氧官能团,使其更易于与其他材料结合发生反应以及功能化。

    陶瓷材料结合石墨烯后,会提高自身的生物学性能。如羟基磷灰石(HA),是人体骨骼组织的主要无机组成成分,因此常用于骨组织再生。Li等将氧化石墨烯添加到HA涂层中,可以增强HA涂层与纯钛之间的附着力,减少纯钛表面裂纹;同时,在模拟体液中,GO/HA复合材料涂层显示出比单纯的HA涂层更好的抗腐蚀性;另外,氧化石墨烯修饰的HA涂层相比于HA涂层,其细胞生存发育的能力显著提高。当氧化石墨烯与超薄片状磷酸钙纳米粒子结合时,可以提高MSC的成骨分化,同时可以促进钙沉积,碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)活性以及MSC中的骨钙蛋白表达。高分子聚合物同样可以通过石墨烯的修饰,来为细胞生存和分化提供更好的环境。

    Kim等将石墨烯添加到壳聚糖中可以改变其表面纳米形貌,增强细胞与细胞以及细胞与材料之间的相互作用,从而促进人MSC的黏附和分化。由于石墨烯材料具有高比表面积和离域电子等特性,氧化石墨烯和还原氧化石墨烯可以结合和溶解分子,并作为药物运输的载体。干细胞成骨分化的诱导作用通常需要几周的时间,而骨形态生成蛋白(bone morphogenetic protein,BMP),可以促进种植体与骨组织之间骨的形成,从而加快骨结合。近来,在体内和体外试验中发现钛种植体表面涂层氧化石墨烯可以运载BMP并缓慢释放来促进成骨分化。

    La等在钛表面逐层镀上氧化石墨烯,随后将BMP2装载到氧化石墨烯涂层上,Ti/GO可以装载大量的BMP2,并缓慢释放,同时可以维持BMP2的结构和生物活性。相比于Ti装载BMP2,骨髓MSC培养在装载BMP2的Ti/GO上具有更好的成骨分化。在小鼠颅骨缺损模型中植入种植体8周后,发现相比于纯钛种植体、Ti/GO种植体、装载BMP2的钛种植体,装载BMP2的Ti/GO种植体与组织间可以形成更加健康的骨组织。

    5.石墨烯的机械性能:

    材料的机械性能往往是影响口腔种植体长期成功率的重要因素,而传统的纯钛及钛合金种植体由于机械疲劳引起的植入体、基台及螺丝的松动、折断常有报道。Kim等通过声学发射法研究了两种金属的疲劳裂缝后认为,钛合金的抗疲劳性能要优于纯钛。为了促进骨结合,具有生物活性的无机材料被广泛的研究其在骨再生中的作用;然而,由于他们大多不具有较好的机械强度和与骨组织相适应的断裂韧性,它们不能应用于需要承受负荷的部位。石墨烯凭借其优异的机械性能,在改善种植体强度方面拥有巨大的应用前景。

    Yavari等将不同质量的石墨烯嵌入环氧基树脂或直接喷涂到玻璃微纤维上来测试疲劳性能,发现仅添加0.2%质量的石墨烯到这些塑性弯曲模型中,其疲劳寿命可增加到1200倍。Wan等将生物活性明胶上通过溶液浇注法添加不同质量的氧化石墨烯形成纳米复合物,发现添加1%质量的氧化石墨烯后,材料的抗张强度增加84%,弹性模量增加65%,抗断强度增加158%。Bortz等在环氧基树脂系统内添加0.1%质量的氧化石墨烯,发现断裂韧性增加了28%~111%,拉伸模量大概增加了12%,单轴拉伸疲劳寿命增加到1580%。当添加的氧化石墨烯质量增加到1%时,抗弯刚度和强度分别增加了12%和23%。若能将石墨烯作为口腔种植体表面修饰和改性材料,势必将会大大提高种植体的机械性能,提高种植体远期成功率。

    三、展望

    石墨烯具有独特性能,使它在口腔种植和骨组织再生领域拥有巨大的应用前景。石墨烯修饰的材料具有良好的生物相容性,可促进干细胞黏附、迁移、增殖并分化为成骨细胞,继而矿化成骨。优异的抗菌性能使它在预防口腔种植后感染的研究具有潜在的可能。为了减少种植手术的周期,提高骨结合的速率成为研究热点,石墨烯可以装载治疗性蛋白,提高骨结合速率。尽管,近年来石墨烯在口腔种植和骨组织工程领域的研究有了一定的发展,但是还有诸多问题需要解决。目前,石墨烯刺激干细胞分化的机制和信号通路尚未完全理解;石墨烯对于种植体周围感染微生物的抑制作用还有待进一步的研究;对于已知的并成功运用的生物材料来说,必须证明石墨烯具有更优异的特性,才能使其取代现有的材料。但是随着人们对该领域研究的深入,相信这些问题都会解决,石墨烯材料在口腔种植领域具有光明的未来。

编辑: 陆美凤

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